ELEMENTOS DE TRANSICIÓN: Química en la vida
El titanio es el metal preferido para emplearse en aviones militares y submarinos nucleares, en los cuales el costo es menos importante que el rendimiento. Esta preferencia es debida a la perfecta combinación entre alta resistencia y baja densidad (es el menos denso de los metales de transición) que posee este elemento. También resulta importante destacar que antes de que se usara el óxido de titanio(IV) en las pinturas, el pigmento blanco común era “plomo blanco”, Pb3(CO3)(OH)2. Además de ser tóxico, en el aire de las ciudades industriales este compuesto se convertía en sulfuro de plomo(II), de color negro. El óxido de titanio(IV), que es estable en aire contaminado y no mancha, ha sustituido totalmente al plomo blanco. El compuesto de titanio no sólo tiene muy baja toxicidad, sino que tiene el índice de refracción más alto de cualquier sustancia inorgánica blanca e incolora, más alto incluso que el diamante. En virtud de esta capacidad tan grande para dispersar la luz, el óxido cubre y oculta las capas de pintura previas de forma muy eficaz. Además de usarse en la pintura blanca, el óxido de titanio(IV) se añade a pinturas de color para hacerlas más claras y enmascarar mejor los colores anteriores.
En la naturaleza no se usa ampliamente el vanadio, pero al parecer es vital para uno de los grupos de organismos marinos más simples, los tunicados o monos marinos. Estos organismos están situados entre los vertebrados y los invertebrados. Una familia de tunicados utiliza niveles muy altos de vanadio en su plasma sanguíneo para transportar oxígeno. Todavía no está muy claro por qué los tunicados escogieron un elemento tan singular para un camino bioquímico. También parece ser que otro organismo muy distinto usa el
elemento: el hongo venenoso Amanita muscaria. Tampoco se ha comprendido bien por qué se encuentra aquí este elemento. A nivel industrial se emplea para obtener aceros al vanadio, o sea aleaciones muy duras que se usan en hojas de cuchillos y en diversas herramientas para taller.
Aunque el cromo(VI) es carcinogénico cuando se ingiere o se absorbe a través de la piel, requerimos pequeñas cantidades de cromo(III) en la dieta. La insulina y el ion cromo(III) regulan los niveles de glucosa en la sangre. Una deficiencia de cromo(III) o una incapacidad para utilizar el ion cromo pueden causar diabetes. A nivel industrial se lo emplea en la fabricación de aleaciones metálicas para usos especializados. El cromo proporciona un recubrimiento brillante y protector a las superficies de hierro y acero. El cromo metálico no es inerte por sí solo; más bien, tiene un recubrimiento de óxido muy delgado pero resistente que confiere la protección. Muchos cromatos son insolubles, y a menudo son amarillos si el catión es incoloro, como el cromato de plomo(II), PbCrO 4. La gran insolubilidad del cromato de plomo(II) y su elevado índice de refracción (al que se debe su gran opacidad) han favorecido su uso para pintar marcas amarillas en las calles. El ion dicromato anaranjado es un buen agente oxidante y se reduce al ion hexaacuocromo(III) verde, [Cr(OH2)6]+3, en la reacción redox [Cr2O7]2-(ac) + 14H+(ac) + 6e- 2Cr3+(ac) + 7H2O(l) Eº: +1,33V Esta reacción se utiliza en los analizadores del aliento para detectar un consumo excesivo de alcohol. El etanol del aliento se burbujea a través de una solución ácida de dicromato, y el cambio de color se detecta
cuantitativamente. En la reacción, el etanol se oxida a ácido etanoico (acético): CH2CH2OH(ac) + H2O(l) CH3CO2H(ac) + 4H+(ac) + 4e-
Se conocen enzimas de tungsteno, y éstas se encuentran en ciertas bacterias. En la mayor parte de los casos, las bacterias también poseen enzimas que contienen molibdeno. Sin embargo, hay algunas bacterias, las archaea hipertérmicas, que dependen de manera específica de tungstoenzimas para su funcionamiento. El centro de tungsteno actúa como sumidero y fuente de electrones al oscilar entre los estados de oxidación +4, +5 y +6 del tungsteno. Puesto que estas bacterias existen a temperaturas muy elevadas, de hasta 110ºC en algunos casos, se arguye que la enzima utiliza tungsteno en vez de molibdeno porque el tungsteno tiene un enlace metal-ligante más fuerte, y esto permite que la enzima funcione a altas temperaturas sin desintegrarse. A nivel industrial se lo emplea en la fabricación de aleaciones metálicas para usos especializados. El tungsteno es utilizado para los filamentos de las bombillas eléctricas tradicionales, en virtud de tener el punto de fusión más alto de cualquier metal (3420ºC). Por su punto de fusión tan alto, la presión de vapor del metal caliente es baja y el filamento dura mucho tiempo. Sin embargo, como puede verse por el lento oscurecimiento de la envoltura de vidrio, el metal sí se sublima del filamento con el paso del tiempo; esto lo debilita y finalmente hace que se rompa.
El molibdeno es el miembro del grupo con mayor importancia biológica. Es el elemento más pesado (número atómico más alto) que tiene una amplia gama de funciones en los organismos vivos. Actualmente se conocen más de una docena de enzimas que dependen del molibdeno, que por lo regular
se absorbe como ion molibdato, [MoO 4]2-. La enzima de molibdeno más crucial (que también contiene hierro) es la nitrogenasa. Esta enzima está presente en bacterias que reducen el dinitrógeno “inerte” de la atmósfera a ion amonio, que las plantas usan en la síntesis de proteínas. Algunas de estas bacterias tienen una relación simbiótica con las plantas leguminosas (la familia de los frijoles y las judías), y forman nódulos en las raíces de las plantas. Estas bacterias procesan ¡aproximadamente 2x10 8 toneladas de nitrógeno al año en los suelos del planeta! Otra enzima que contiene molibdeno es la sulfito oxidasa, que oxida el prejudicial ion sulfito al inocuo ion sulfato en nuestro hígado.
Nitrogenasa
¿Por qué un metal tan poco abundante como el molibdeno tiene tanta importancia biológica? Hay varias posibles razones. El ion molibdato es muy soluble en el agua a valores de pH cercanos a la neutralidad, lo que facilita su transporte por fluidos biológicos. El ion tiene carga negativa, lo que lo hace más apropiado para diferentes entornos que los cationes de los metales de transición del período 4. Al ser un ácido de Lewis blando, el molibdeno(VI) exhibe una marcada preferencia por enlazarse con una base de Lewis blanda, sulfuro, otro importante componente de estas enzimas. Por último, el molibdeno ocupa el décimo octavo lugar en el orden de abundancia de los metales en el agua de mar, y es muy probable que una buena parte de la selección de elementos para los procesos biológicos se haya determinado cuando la única vida del planeta era la marina. El sulfuro de molibdeno(IV) es el único compuesto de molibdeno con importancia comercial. Se trata de la mena común del metal, y casi la mitad del abasto mundial está en los Estados Unidos. El sulfuro de molibdeno(IV) purificado, de color negro, MoS2, tiene una estructura de capas similar a la del grafito. Esta propiedad ha dado pie a su uso como lubricante, tanto solo como en una suspensión mezclado con aceites hidrocarburos oleosos.
Es un elemento crucial en varias enzimas vegetales y animales. En los mamíferos, se usa en la enzima hepática arginasa, que convierte desechos nitrogenados en el compuesto excretable urea. Hay un grupo de enzimas vegetales, las fosfotransferasas, que incorporan manganeso. Al igual que la mayor parte de los metales de transición, el papel biológico del manganeso parece ser el de un agente redox, cambiando entre los estados de oxidación +2 y +4. Arginasa
Hay evidencias de que el manganeso es también constituyente importante del cerebro y sistema nervioso central.
Los papeles biológicos del hierro son muy numerosos, por ello nos concentraremos en tres tipos específicos de macromoléculas que contienen hierro: hemoglobina, ferritina y ferredoxinas. En la hemoglobina, el hierro tiene un estado de oxidación de +2. Hay cuatro iones de hierro en cada molécula de hemoglobina, y cada uno está rodeado por una unidad de porfirina. Cada molécula de hemoglobina reacciona con cuatro moléculas de oxígeno para formar oxihemoglobina. Los enlaces con las moléculas de oxígeno son lo bastante débiles como para que, al llegar al sitio donde se utilizará el oxígeno, como en los músculos, éste pueda liberarse. El monóxido de carbono es extremadamente tóxico para los mamíferos porque el ligante carbonilo se une con mucha fuerza al hierro de
la hemoglobina y le impide transportar moléculas de oxígeno (ocurre de forma similar con otros gases como el NO y el PF3). Tanto las plantas como los animales necesitan almacenar hierro para usarlo en el futuro. Con este fin se utilizan los miembros de una asombrosa familia de proteínas, las ferritinas. Éstas consisten en una coraza de aminoácidos enlazados (péptidos) que rodean a un núcleo de oxohidroxofosfato de hierro(III). Este núcleo es un cúmulo de iones hierro(III), iones óxido, iones hidróxido e iones fosfato. El núcleo es muy grande, y contiene hasta 4500 iones hierro. Con su recubrimiento hidrofílico, este agregado es soluble en agua y se concentra en el bazo, el hígado y la médula ósea. Las plantas y las bacterias emplean una familia de estructuras de hierro (III) y azufre como núcleo para sus proteínas redox, las ferredoxinas. Estas proteínas contienen átomos de hierro y azufre unidos por enlaces covalentes, y actúan como excelentes agentes de transferencia de electrones. Los más interesantes son los núcleos Fe 4S4, en los que los átomos de hierro y azufre ocupan esquinas alternadas de un cubo.
Hemoglobina
Ferritina
Ferredoxina
Citocromos Los citocromos son hemoproteínas que actúan en las cadenas de transferencia de electrones en las mitocondrias, esta transferencia está asociada a la cupla Fe(II)/Fe(III). Actualmente se conocen unos 50 citocromos, el más estudiado es el llamado citocromo c. El complejo de hierro presente en él es similar al de la hemoglobina, aunque con ligeras modificaciones, ya que en el grupo Hemo de estas biomoléculas el hierro posee ocupadas sus seis posiciones de coordinación. Por lo tanto los citocromos no tienen posibilidad de transportar gases.
Estructura Citocromo C
Peroxidasas y catalasas Son enzimas que poseen comportamiento químico similar y en cuyas estructuras aparece también el hierro. Estas enzimas están ampliamente distribuidas y protegen a los seres vivos de los peligros de un aumento descontrolado en la concentración de agua oxigenada que puede formarse como consecuencia de la reducción parcial del oxígeno. Transporte y almacenamiento de hierro Un adulto normal posee aproximadamente 7g de hierro de los cuales un 65-70% está presente como hemoglobina en los eritrocitos de la sangre. Por otra parte el requerimiento diario de hierro para la síntesis de hemoglobina varía entre 25-30mg.
Transferrina
Las transferrinas son moléculas capaces de transportar el hierro ingerido desde el estómago para incorporarlo a los procesos metabólicos del organismo. El hierro se absorbe al estado ferroso, cuando pasa del estómago a la sangre es oxidado a Fe(III) en un proceso catalizado por una metaloenzima de cobre llamada ceruloplasmina y luego es captado por las moléculas de transferrina. La transferrina actúa, entonces, en el transporte de hierro desde los sitios de asimilación y los de almacenamiento y utilización. Los sistemas biológicos utilizados en el almacenamiento de hierro son las proteínas ferritina y hemosiderina.
El cobalto es otro elemento indispensable. Es fundamental destacar que la vitamina B12 tiene cobalto(III) en el centro de la molécula, rodeado por una estructura anular similar al anillo de porfirina. La carencia de la vitamina provoca la enfermedad conocida como anemia perniciosa, la cual es tratada con inyecciones de dicha vitamina escaza. Ciertas bacterias anaerobias usan una molécula relacionada, metilcobalamina, en un ciclo que produce metano. Lo malo es que este mismo ciclo bioquímico convierte mercurio elemental y compuestos inorgánicos insolubles de mercurio presentes en las aguas contaminadas con mercurio en metilmercurio(II), [HgCH 3]+, y dimetil mercurio(II), Hg(CH3)2, que son solubles y muy tóxicos. La vitamina B12 no está presente ni en animales ni en vegetales, solo la producen ciertos microorganismos.
Recientemente ha podido establecerse que el níquel cumple funciones esenciales en los organismos superiores. El Ni(II) es retenido por algunas proteínas presentes en el suero y parece competir con el Cu(II) por algunos sitios de coordinación. Estudios recientes han demostrado que el níquel es retenido esencialmente por el riñón donde quedaría asociado a algún sistema proteico de este órgano. Un dato interesante es que ciertos árboles tropicales concentran níquel hasta tal punto que llega a constituir cerca del 15% de su masa seca.
Es el tercer metal de transición más importante biológicamente después del hierro y el zinc. Se requieren unos 5mg en la dieta humana diaria. Una deficiencia de este elemento incapacita al cuerpo para utilizar el hierro almacenado en el hígado. Hay numerosas proteínas de cobre en todo el mundo vivo, y las más interesantes son las hemocianinas. Estas moléculas son transportadores de oxígeno comunes entre los invertebrados: los cangrejos, langostas, pulpos, escorpiones y caracoles tienen sangre color azul brillante. Al mismo tiempo, un exceso de cobre es en extremo venenoso, sobre todo para los peces. Es por esto que nunca deben lanzarse monedas de cobre a estanques con peces para tener “buena suerte”. Los seres humanos por lo regular excretan cualquier exceso, pero el resultado de la acumulación de cobre en el hígado, los riñones y el cerebro puede ser un defecto bioquímico (genético). Esta enfermedad, el mal de Wilson, se puede tratar administrando agentes quelantes, que acomplejan el ion del metal y permiten excretarlo sin peligro. Es uno de los metales fundamentales para la tecnología actual. Conductor preciso del calor y la electricidad, y más eficiente que varias otras alternativas, durante las últimas dos décadas el cobre se ha incorporado a nuestras vidas de manera directa o indirecta, ya que ofrece incontables beneficios a los hogares de todo el planeta. Las aplicaciones tecnológicas que posee son muy amplias y este metal tiene un papel activo en muchísimos elementos. Por ejemplo, el cobre ofrece el máximo ahorro energético, y los tubos de este material registran altos niveles de durabilidad y resistencia, por encima de cualquier otro. En contacto con el agua, los tubos de cobre son incluso capaces de mejorar la calidad de la misma. La calidad de este como metal a utilizar en el día a día del hogar es tal que se convierte también en un proceso especialmente higiénico y antimicrobiano. Otros elementos y metales con el paso del tiempo desprenden sustancias nocivas, pero con el cobre esto no sucede, y por ello es muy utilizado para las instalaciones de agua, de sistemas de calefacción y de aire
acondicionado. Además, la gran hermeticidad de las uniones y la resistencia al fuego de las tuberías de este metal las hacen idóneas para el transporte de gas, y como el tubo de cobre es incombustible, en caso de incendio, mantiene encerrado el fluido que transporta, no emite gases tóxicos y evita la propagación del incendio. Cuando el cobre se expone al aire, se forma una fina capa protectora de óxido que impide cualquier reacción posterior, y cuando se expone a una atmósfera húmeda durante un largo periodo de tiempo, se forma una pátina verde de sales de cobre que protege el metal contra la corrosión. Por ello, junto con el aluminio, el cobre es el metal no ferroso más importante en términos de consumo. Y gracias a su excelente conductividad del calor y de la electricidad, a su resistencia a la corrosión y al ser no magnético, es un material esencial para los cables eléctricos, y para la construcción de maquinaria especializada y piezas destinadas a procesos industriales. Sin los componentes eléctricos y electrónicos de cobre, no sería posible la gestión inteligente de los motores, los sensores extensivos o los sistemas de información y entretenimiento en los automóviles. Además también es utilizado en compuestos destinados a la agricultura, por ejemplo para compensar la deficiencia de este elemento vital en los suelos o en los cultivos. ¿Y en el futuro? El uso del cobre es compatible con la aparición de nuevas tecnologías que requerirán de un elemento con propiedades que lo hacen confiable y eficiente. Después de todo, ya lo hemos utilizado durante 10.000 años.
La plata es empleada en forma industrial, fotográfica, química, electrónica y médicamente. Por ser un metal precioso se usa en joyería (anillos, sortijas, aretes, pendientes, cadenas, pulseras), así como en objetos de platería, monedas, etc. Cuando está aleada con otros metales es utilizada en las amalgamas
dentales, también en los cojinetes y pistones de motores de trenes eléctricos y para soldar a contactos eléctricos y baterías eléctricas de plata-zinc y plata. Además de esto, se confeccionan con esta armas blancas, espadas, lanzas o puntas de flecha. Por su sensibilidad a la luz, particularmente el bromuro, el yoduro y el fosfato de plata, se emplean en fotografía. Además el yoduro de plata se ha utilizado también para producir lluvia artificial. En el campo de la electricidad se emplea en los contactos de generadores eléctricos de locomotoras de ferrocarril diesel eléctricas, ya que llevan contactos (de aproximadamente una pulgada de espesor) de plata pura. Mientras que en electrónica, es utilizada en los circuitos integrados y teclados del ordenador o computadora, debido a la alta conductividad que tiene este metal. Aunque, la plata no es un medicamento, y aún no esté probado su uso terapéutico para suministrarlo medicamente en forma interna, es empleada como nitrato de plata para combatir las verrugas. Es importante destacar que las sales solubles de plata, especialmente el nitrato (AgNO3), son letales en concentraciones de hasta 2g. Los compuestos de plata pueden ser absorbidos lentamente por los tejidos corporales, con la consecuente pigmentación azulada o negruzca de la piel, dando origen a una enfermedad conocida como argiria, caracterizada porque justamente la piel y algunos órganos del paciente se vuelven grises, o azulosos, o gris azulado, sobre todo en las zonas expuestas al sol. Sin embargo, a pesar de no ser un medicamento, desde tiempos muy antiguos se conocen los beneficios de la plata coloidal (solución en la que partículas de plata se hallan dispersas en agua). Aproximadamente desde el año 1800 y hasta final de 1930, la plata coloidal se usó en las culturas americanas. En la China se conocían sus propiedades purgantes, en la India se empleó con fines médicos, y aun hoy en día se siguen haciendo investigaciones con respecto a la plata en estado coloidal. Esto va en aumento debido a que los organismos que causan daños no se vuelven restrictivos a la plata coloidal como lo hacen con los antibióticos farmacéuticos.
Desde tiempos remotos, el oro es valorado ampliamente, no sólo por su belleza sino también por su resistencia a la corrosión, por ser más fácil de trabajar que otros metales y de extracción menos costosa. En la actualidad se utiliza como moneda de cambio y como referencia en las transacciones monetarias internacionales. Los países emplean reservas de oro puro en lingotes que dan cuenta de su riqueza. Y como ya es sabido, la industria de la joyería cuenta con él como uno de sus símbolos más preciados. De todos modos, en mayor o menor proporción, encontramos oro en muchos elementos cotidianos que sirven al común de la gente en su trabajo, en su esparcimiento, en el transporte y hasta en la salud. ¿Sabías que la mayoría de los equipos electrónicos tienen oro porque es un eficiente conductor que se mantiene libre de corrosión? Las computadoras son un ejemplo concreto del uso cotidiano del oro: en los chips de sus placas “madres” y conectores para fijar el microprocesador y todos sus cables, encontramos oro ya que es un metal de conducción confiable y eficiente. Por el mismo motivo, celulares, sistemas de localización GPS, calculadoras y televisores, también cuentan con la presencia de este metal. Las bolsas de aire (air bags), que se han instalado en más de 30 millones de automóviles en todo el mundo, cuentan con contactos eléctricos bañados en oro para asegurarse de que los dispositivos de seguridad funcionen cuando es necesario. Motores de todo tipo: de transportes como automóviles, aviones o incluso naves espaciales, también cuentan con oro dentro de sus componentes debido a su prácticamente nula corrosión, lo que les permite una mayor vida útil y desde luego, mayor seguridad de mantenimiento. En las ventanas de los edificios nuevos se usan pequeñas cantidades de oro porque alejan un alto porcentaje de calor sin disminuir la luz. Claro que este proceso tiene un costo extra, pero es absorbido por el costo más bajo del uso de aire acondicionado. En la salud también está presente el uso de este metal. Y es conocido como crisoterapia. Se lo utiliza terapéuticamente contenido dentro de algunos antiinflamatorios para el tratamiento de enfermedades reumáticas. Dentro de la odontología, al igual que la plata el oro forma fuertes empastes dentales en amalgama con el mercurio para obturar las cavidades que aparecen como consecuencia de las caries y así restablecer la función
masticatoria. También es importante reconocer que se lo emplea como recubrimiento de materiales biológicos permitiendo ser visto a través del microscopio electrónico de barrido (SEM). El isótopo de oro 198Au, de una vida media de 2,7 días, se emplea en algunos tratamientos de cáncer y otras enfermedades. El oro coloidal (nanopartículas de oro) es una solución intensamente coloreada que se está estudiando en muchos laboratorios con fines médicos y biológicos. También es la forma utilizada como pintura dorada en cerámicas y para dar un intenso color rojo al vidrio. El ácido cloroaúrico se emplea en fotografía.
Material consultado http://quimicageneralpapimeunam.org.mx/tabla%20periodoca/TABLA%20PERIODICA_arc hivos/page0249.htm http://www.lamineriaentuvida.com.ar/la-plata-eseelemento-que-palpamos-a-diario/ http://www.lineaysalud.com/enfermedades/argiria-unaenfermedad-peculiar http://www.dietametabolica.es/platacoloidal.htm http://www.lamineriaentuvida.com.ar/oro-cotidiano/ http://www.sabelotodo.org/elementosquimicos/oro.html https://www.importancia.org/cobre.php http://www.concienciaminera.com.ar/2013/06/la-importancia-del-cobre-en-nuestra-vidadiaria/ https://www.codelco.com/usos-del-cobre/prontus_codelco/2011-06-03/223706.html