IDEIAS DE
Planeta
Derechos de autor © Hayley Birch, 2015
Copyright © Editora Planeta do Brasil, 2018
Título original: 50 ideas sobre química que realmente necesitas saber
Preparación: Débora Dutra
Revisión técnica: Fernanda Paganini
Comentario: Maria Aiko Nishijima y Denise Schittine
Diagramación: Vivian Oliveira
Capa: Compañía
Imagen de cubierta: theasis/istock
Adaptación del libro electrónico: Hondana
CIP-BRASIL. CATALOGO EN
FUENTE
Abedul, Hayley
50 ideas de química que necesitas saber / Hayley Birch; traducción de Helena London. -- São Paulo : Planeta de Brasil, 2018.
216 págs.
Isbn: 978-85-422-1362-1
Título original: 50 Chemistry Ideas You Really Need to Know
1. Química - Trabajos populares 2. Curiosidades y maravillas I. Título II. Londres, Helena
18-0925
CDD: 540
SINDICATO NACIONAL DOS
EDITORES DE LIBROS, RJ
2018
Todos los derechos de esta edición reservados a EDITORA
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Índice
Introducción
27. Química computacional
1. Átomos
28. Carbono
2. Elementos
29. Agua
3. Isotopos
30. El origen de la vida
4. Compuestos
5. Juntándolo todo
6. Cambio de fase
7. Energía
8. Reacciones Químicas
9. Equilibrio
10. Termodinámica
31. Astroquímica
32. Proteínas
33. Acción enzimática
34. Azucares
35. ADN
36. Biosíntesis
37. Fotosíntesis
11. Acido
38. Mensajeros químicos
12. Catalizadores
39. Gasolina
13. Redox
40. Plásticos
14. Fermentación
41. Los CFC
15. Craqueo
16. Síntesis química
17. El proceso de Haber
18. Quiralidad
19. Química verde
20. Separación
21. Espectros
42. Materiales compuestos
43. Células solares
44. Fármacos
45. Nanotecnología
46. Grafeno
47. Impresión 3D
48. Músculos artificiales
22. Cristalografía
49. Biología sistemática
23. Electrolisis
50. Los combustibles del futuro
24. Microfabricación
25. Autoensamblaje
26. El laboratorio en un chip
Tabla periódica
Introducción
La química a menudo se considera lo malo en la ciencia. El otro día, incluso,
estaba hablando con una química que me dijo que estaba cansada de que su
objeto de estudio fuera visto como "solo un puñado de personas que perdían el
tiempo con cosas malolientes en los laboratorios". Por alguna razón, se cree que
la química es menos relevante que la biología y menos interesante que la física.
Así que, como autor de un libro de química, mi desafío es ayudarte a superar
este problema de imagen y poner fin a la idea de esta pobre cosa. Porque –y no
mucha gente lo sabe– la química es en realidad la mejor ciencia.
La química está en el centro de casi todo. Sus componentes –átomos, moléculas,
compuestos y mezclas– constituyen cada gramo de materia de este planeta. Sus
reacciones son responsables de sostener la vida y crear todo de lo que depende
la vida. Sus productos marcan el progreso de nuestra existencia moderna, desde
la cerveza hasta los pantalones cortos de Lycra.
La razón por la que la química tiene un problema de imagen, creo, es que en
lugar de enfocarnos en cosas interesantes y relevantes, entramos en un
conjunto de reglas sobre cómo funciona la química, fórmulas de estructura
molecular, recetas de reacción, etc. Y si bien los químicos pueden argumentar
que estas reglas y recetas son importantes, la mayoría estará de acuerdo en que
no son especialmente emocionantes.
Así que en este libro no vamos a tratar demasiado con las reglas. Puedes
consultarlos en otro lugar si lo deseas. Traté de mantenerme enfocado en lo
que encuentro relevante e interesante con respecto a la química. Y en esa ruta
traté de canalizar el espíritu de mi profesor de química, el sr. Smailes, que me
mostró cómo hacer jabón y nylon,y que llevaba unas corbatas realmente
excelentes.
1 Átomos
Los átomos son los ladrillos de construcción de la química y de
nuestro universo. Constituyen los elementos, los planetas, las
estrellas y tú. El conocimiento de los átomos, de qué están
hechos y cómo interactúan entre sí, nos permite explicar
prácticamente todo lo que sucede en las reacciones químicas, en
el laboratorio y en la naturaleza.
Bill Bryson escribió famosamente que cada uno de nosotros puede estar
llevando hasta mil millones de átomos que una vez pertenecieron a William
Shakespeare. También podrías pensar: "¡Guau! Eso es un montón de átomos de
Shakespeare muertos". Bueno, lo es y no lo es. Por un lado, mil millones
(1.000.000.000) es más o menos el número de segundos que cada uno de
nosotros habrá vivido en nuestro 33 aniversario. Por otro lado, mil millones son
los granos totales de sal que llenarían una bañera ordinaria, y es menos de una
milmillonésima parte de una milmillonésima parte del número de átomos en
todo su cuerpo. Esto sirve para explicar cuán pequeño es un átomo – hay más de
mil millones de veces mil millones de veces mil millones de ellos solo en ti – y
sugiere que no tienes átomos de Shakespeare muertos en número suficiente
para incluso formar una célula cerebral.
Dulce como un melocotón Los átomos son tan pequeños que hasta hace poco
era imposible verlos. Esto cambió con el desarrollo de microscopios de súper
resolución, hasta el punto de que en 2012 los científicos australianos pudieron
tomar una fotografía de la sombra proyectada por un solo átomo. Pero no
siempre fue necesario que los químicos los vieran para entender que, en algún
nivel fundamental, los átomos podían explicar la mayor parte de lo que sucede
en el laboratorio y en la vida. Gran parte de la química comprende actividades
aún más pequeñas, partículas subatómicas llamadas electrones, que constituyen
las capas externas de los átomos.
Si pudieras sostener un átomo en la mano, como si fuera un melocotón, el bulto
en el medio sería lo que se llama un núcleo, que contiene protones y neutrones,
y la jugosa pulpa estaría formada por electrones. De hecho, si su melocotón
fuera realmente como un átomo, la mayor parte sería pulpa, y el bulto sería tan
pequeño que podría tragarlo sin darse cuenta, eso representa cuánto del átomo
está ocupado por electrones. Pero es ese núcleo el que evita que el átomo se
acueste. Contiene protones, partículas cargadas positivamente, que ejercen
suficiente atracción sobre los electrones cargados negativamente para que no
vuelen en todas las direcciones.
Teoría atómica y reacciones químicas
En 1803, el químico inglés John Dalton dio una conferencia en la que propuso una teoría de la materia basada en
partículas indestructibles llamadas átomos. Dijo, en esencia, que diferentes elementos están hechos de diferentes
átomos, que pueden combinarse para formar compuestos, y que las reacciones químicas implican un reordenamiento de
esos átomos.
¿Por qué un átomo de oxígeno es un átomo de oxígeno? No todos los átomos
son iguales. Es posible que ya te hayas dado cuenta de que un átomo no
comparte tantas similitudes con un melocotón, pero llevemos la analogía con los
frutos un poco más allá. Átomos presentes en muchas variedades o sabores
diferentes. Si nuestro melocotón fuera un átomo de oxígeno, entonces una
ciruela podría ser, digamos, un átomo de carbono. Ambas son bolas de
electrones que rodean un pozo de protones, pero con características
completamente diferentes. Los átomos de oxígeno flotan en pares (O 2),
mientras que los átomos de carbono se agrupan en una masa para formar
sustancias duras como el diamante y el grafito (C). Lo que los hace diferentes
elementos (ver página 10) es su número de protones. El oxígeno, con ocho
protones, tiene dos más que el carbono. Elementos realmente grandes y
pesados, como el seabórgio y el nobelio, tienen más de cien protones en su
núcleo atómico. Cuando hay tantas cargas positivas comprimidas en el espacio
casi inexistente, tan pequeño, desde el núcleo, cada uno repeliendo al otro, el
equilibrio se altera fácilmente y los elementos pesados, como resultado, se
vuelven insuprecibles.
En general, un átomo, cualquiera que sea su sabor, tendrá el mismo número de
electrones que los protones en su núcleo. Si falta un electrón, o si el átomo
captura uno más, las cargas positivas y negativas ya no se equilibran y el átomo
se convierte en lo que los químicos llaman un "ion", un átomo o molécula
cargado. Los iones son importantes porque sus cargas ayudan a unir todo tipo
de sustancias, como cloruro de sodio, sal de cocina, y carbonato de calcio, piedra
caliza.
División del átomo
El modelo primitivo de "pudín de pasas" de J. J. Thomson fue visto como un "pudín" masivo y homogéneo cargado
positivamente, con "pasas" (electrones) cargados negativamente distribuidos de manera uniforme. Este modelo ha
cambiado: ahora sabemos que los protones y otras partículas subatómicas, llamadas neutrones, forman el centro del átomo
diminuto y denso, y que los electrones forman una nube a su alrededor. También sabemos que los protones y neutrones
contienen partículas aún más pequeñas, llamadas quarks. Los químicos en general no se ocupan de estas partículas más
pequeñas, son de interés para los físicos, que rompen átomos en aceleradores de partículas para encontrarlos. Pero es
importante recordar que el modelo de átomos de la ciencia –y cómo encaja la materia en nuestro Universo– todavía está
evolucionando. El descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, por ejemplo, confirmó la existencia de una partícula que los
físicos ya habían incluido en su modelo y utilizado para hacer predicciones sobre otras partículas; sin embargo, todavía hay
trabajo por hacer para determinar si es el mismo tipo de bosón de Higgs que están buscando.
Los ladrillos de la vida Además de ser ingredientes de la despensa, los átomos
forman todo lo que se arrastra o respira o echa raíces, construyendo moléculas
inquietantemente complejas como el ADN y las proteínas que forman nuestros
músculos, huesos y cabello. Lo hacen uniendo (ver página 22) con otros átomos.
Lo interesante de toda la vida en la Tierra, sin embargo, es que, a pesar de su
tremenda diversidad, tiene, sin excepción, un sabor específico de átomo: el
carbono.
Desde las bacterias que se aferran a la vida alrededor de las fisuras en las partes
más profundas y oscuras del océano hasta las aves que vuelan alto en el cielo, no
hay un solo ser vivo en el planeta que no comparta ese elemento común, el
carbono. Pero como aún no hemos descubierto la vida en ningún otro lugar, no
podemos decir si fue a través de un evento aleatorio que la vida se desarrolló de
esa manera, o si la vida podría prosperar usando otros tipos de átomos. Los
fanáticos de la ciencia ficción estarán bien familiarizados con la biología
alternativa: los seres basados en silicio han aparecido en Star treck y Star Wars
como formas de vida alienígenas.
"La belleza de un ser vivo no son los átomos de los
que está hecho, sino la forma en que estos átomos
están unidos. "
Carl Sagan
Átomo por átomo El progreso en el área de la nanotecnología (véase la página
182), que promete todo, desde paneles solares más eficientes hasta fármacos
que buscan y destruyen células cancerosas, ha traído consigo el mundo átomo a
un enfoque más distinto. Los instrumentos de nanotecnología operan en una
escala de una milmillonésima parte de un metro, incluso más grande que un
átomo, pero a esta escala se puede pensar en manipular átomos y moléculas
individualmente. En 2013, los investigadores de IBM realizaron la animación
fotograma a fotograma más pequeña del mundo, con un niño jugando con una
pelota. Tanto el niño como la bola estaban hechos de átomos de cobre, todos
visibles individualmente en la película. Finalmente, la ciencia está empezando a
trabajar en una escala que coincide con la visión del químico de nuestro mundo.
La idea en
síntesis:
Piezas
fundamentales
2 Elementos
Los químicos van a los extremos para descubrir nuevos
elementos, los productos químicos más básicos. La Tabla
Periódica nos permite organizar estos hallazgos, pero no es
solo un catálogo. Hay patrones en la Tabla Periódica que
proporcionan pistas sobre la naturaleza de cada elemento y
cómo pueden comportarse cuando se encuentran con otros
elementos.
El alquimista del siglo 17 Hennig Brand golpeó un golpe en el pecho. Después de
casarse, renunció a su trabajo como oficial del ejército y usó el dinero de su
esposa para financiar la investigación de la Piedra Filosofal, una sustancia
mística o mineral que los alquimistas habían estado buscando durante siglos.
Según la leyenda, la Piedra tenía el poder de "transmutar" metales comunes,
como el hierro y el plomo, en oro. Después de que su primera esposa muriera,
Brand encontró otra esposa y continuó su investigación más o menos de la
misma manera. Al parecer, había pasado por su mente que la Piedra Filosofal
podía ser sintetizada a partir de fluidos corporales, y Brand, para extraerla,
luego adquirió nada menos que 1,500 galones de orina humana. Finalmente, en
1669, hizo un descubrimiento inquietante, pero no era la Piedra. A través de sus
experiencias, que implicaban hervir y separar la orina, Brand se había
convertido involuntariamente en la primera persona en descubrir un elemento
utilizando medios químicos.
Brand había producido un compuesto que contenía fósforo, al que se refirió
como "fuego frío", porque brillaba en la oscuridad. Pero fue sólo en la década de
1770 que el fósforo fue reconocido como un nuevo elemento. En ese momento,
los elementos estaban siendo descubiertos en las montañas, con los productos
químicos aislando el oxígeno, el nitrógeno, el cloro y el manganeso, todo dentro
de una década.
En 1869, dos siglos después del descubrimiento de Brand, el químico ruso
Dmitri Mendeleev creó la Tabla Periódica, y el fósforo tomó el lugar que le
corresponde, entre el silicio y el azufre.
¿Qué es un elemento? Durante mucho tiempo, el fuego, el aire, el agua y la
tierra fueron considerados "los elementos". Un misterioso quinto elemento, el
éter, fue añadido para explicar las estrellas, ya que no podían, como sostenía el
filósofo Aristóteles, estar hechas de ningún elemento terrenal. La palabra
"elemento” proviene del latín (elementum), que significa "primer principio" o
"la forma más básica"
– una descripción no está mal, pero que nos deja pensando en la diferencia entre
elementos y átomos.
Decodificación de la tabla periódica
En la Tabla Periódica (ver páginas 206-7), los elementos están representados por letras. Algunas son abreviaturas
obvias, como Si para silicio, mientras que otras, como W para tungsteno, parecen no tener significado: casos como este
son a menudo una referencia a nombres arcaicos. El número por encima de la letra es el número de masa – el número
de nucleones (protones y neutrones) en el núcleo de un elemento. El número suscrito es su número de protones
(número atómico).
La diferencia es simple. Los elementos son sustancias, en cualquier cantidad; los
átomos son unidades fundamentales. Una pieza sólida del fósforo de Brand –
por cierto, una materia química tóxica y un componente de gas neurológico – es
una colección de átomos de un elemento en particular. Sin embargo,
curiosamente, no todas las piezas de fósforo son iguales, porque sus átomos se
pueden organizar de diferentes maneras, cambiando la estructura interna y
también la apariencia externa. Dependiendo de cómo los átomos estén
dispuestos en fósforo, este puede ser blanco, negro, rojo o violeta. Estas
variedades también se comportan de manera diferente, por ejemplo,
fusionándose a temperaturas completamente diferentes. El fósforo blanco se
funde al sol en un día muy caluroso, mientras que el fósforo negro tendría que
calentarse en un horno por encima de 600 °C para fundirse. Sin embargo, los dos
están hechos de los mismos átomos con 15 protones y 15 electrones.
Patrones en la Tabla Periódica Para el observador no entrenado, la Tabla
Periódica (ver páginas 206-7) parece un juego de Tetris un poco ortodoxo, en el
que - dependiendo de la versión que estés viendo - algunos bloques no han
caído bien al fondo. Parece que necesita un buen almacenamiento. De hecho, es
un lío bien organizado, y cualquier químico puede encontrar rápidamente lo
que está mirando en medio de un aparente desorden. Esto se debe a que el
perspicaz diseño de Mendeleev contiene patrones ocultos que unen los
elementos de acuerdo con sus estructuras atómicas y su comportamiento
químico.
A lo largo de las filas de la tabla, de izquierda a derecha, los elementos están
dispuestos en orden de números atómicos, el número de protones que cada
elemento tiene en su núcleo. Pero el genio de la invención de Mendeleev fue
darse cuenta cuando las propiedades de los elementos comienzan a repetirse, y
luego aparece una nueva fila. Es a través de las columnas, por lo tanto, que se
entienden algunas percepciones más sutiles.
Mira la columna en el extremo
derecho, que va del helio al oganessonio. Se trata de gases nobles, todos ellos
gases incoloros en condiciones normales y particularmente perezosas a la hora
de participar en cualquier tipo de reacción química. El neonio, por ejemplo, es
tan inerte que no se puede persuadir para entrar en un compuesto con
cualquier otro elemento. Las razones de esto están relacionadas con los
electrones. Dentro de cualquier átomo, los electrones están dispuestos en capas
concéntricas, que sólo pueden ser ocupadas por un cierto número de electrones.
Una vez que una capa está completa, los electrones adicionales tienen que
comenzar a llenar otra capa más externa. A medida que el número de electrones
en cualquier elemento dado aumenta con el número atómico en aumento, cada
elemento tiene una configuración electrónica diferente. La característica
principal de los gases nobles es que todas sus capas externas están completas.
Esta estructura completa es muy estable, lo que significa que los electrones son
difíciles de ser incitados a la acción.
"El mundo de las reacciones químicas se hace un
escenario... los actores son los elementos. "
Clemens Alexander Winkler, descubridor del elemento germanio
Podemos reconocer muchos otros patrones en la Tabla Periódica. A medida que
se va de izquierda a derecha, en la dirección de los gases nobles, y de abajo
hacia arriba, se necesita más esfuerzo (energía) para extraer un electrón de un
átomo de cada elemento.
El centro de la mesa está ocupado principalmente por metales, que se vuelven
más metálicos a medida que te acercas a la esquina más a la izquierda. Los
químicos utilizan su conocimiento de estos patrones para predecir cómo se
comportarán los elementos en las reacciones.
Superpesados Una de las pocas cosas en común entre la química y el boxeo es
que ambos tienen sus superpesados. Mientras que los pesos mosca flotan en la
parte superior de la Tabla Periódica – los átomos de hidrógeno y helio que
transportan sólo tres protones entre ellos – los de los rangos inferiores se
hundieron debido a sus pesadas cargas atómicas. La mesa ha crecido a lo largo
de muchos años incorporando nuevos descubrimientos de elementos más
pesados. Pero el número 92, el elemento radiactivo uranio, fue en realidad el
último que se encontró en la naturaleza. Aunque la descomposición natural del
uranio genera plutonio, las cantidades son ínfimos. El plutonio fue descubierto
en un reactor nuclear, y otras superpesadas son generados por la colisión de
átomos en aceleradores de partículas. La caza aún no ha terminado, pero sin
duda se ha vuelto mucho más complicada que los fluidos corporales hirviendo.
A la caza del más pesado de los superpesados
A nadie le gustan los tramposos, pero se encuentran en todas las profesiones, y la ciencia no es una excepción. En
1999, científicos del laboratorio Lawrence Berkely de California publicaron un artículo científico conmemorativo del
descubrimiento de los elementos superpesados 116 (livermorio) y 118 (ununoctio) [actualmente, este elemento se
llama oganessonium]. Pero algo no tenía sentido. Después de leer el artículo, otros científicos trataron de repetir el
experimento y, sin importar lo que hicieran, no pudieron alcanzar un solo átomo de 116. Ocurrió que uno de los
"descubridores" había inventado los datos, lo que llevó a una agencia del gobierno de Estados Unidos a hacer una
retracción embarazosa sobre las declaraciones sobre la ciencia de alto nivel que estaba financiando. El artículo fue
recogido y los laureles por el descubrimiento de livermorio fueron a parar a un grupo ruso un año después. Los
científicos que falsificaron los datos originales fueron despedidos. Hoy en día, el prestigio asociado con el
descubrimiento de un nuevo elemento es tal que los científicos están dispuestos a poner toda su carrera en juego.
La idea en síntesis:
Las sustancias más simples
3 Isótopos
Los isótopos no son sólo sustancias mortales utilizadas para
fabricar bombas y envenenar a las personas. El concepto de
isótopo abarca muchos elementos químicos que tienen una
cuota ligeramente alterada de partículas subatómicas. Los
isótopos están presentes en el aire que respiramos y en el
agua que bebemos. Incluso puedes usarlos (con total
seguridad) para hacer que el hielo se hunda.
Flotadores de hielo. Excepto cuando no flota. Así como los átomos de un solo
elemento son iguales, excepto cuando son diferentes. Si tomamos el elemento
más simple, el hidrógeno, podemos estar de acuerdo en que todos los átomos de
ese elemento tienen un protón y un electrón. No se puede llamar a un átomo de
hidrógeno átomo de hidrógeno a menos que solo tenga un protón en el núcleo.
Pero, ¿qué pasa si el único protón va acompañado de un neutrón? ¿Seguiría
siendo hidrógeno?
Los neutrones fueron la pieza faltante del rompecabezas que escapó de los
productos químicos y físicos hasta la década de 1930 (ver "Los neutrones que
faltan", a continuación). Estas partículas neutras no hacen ninguna diferencia en
el equilibrio general de la carga de un átomo, sino que alteran radicalmente su
masa. La diferencia entre uno y dos neutrones en el núcleo de un átomo de
hidrógeno es suficiente para hacer que el hielo se hunda.
Agua pesada La introducción de un neutrón extra en un átomo de hidrógeno
hace una gran diferencia en estos átomos de peso mosca, es el doble de su parte
de nucleones. El "hidrógeno pesado" resultante se llama deuterio (D o 2H) y, al
igual que los átomos de hidrógeno normales, los átomos de deuterio se aferran
al oxígeno para formar agua. Por supuesto que no forman agua normal (H 2O).
Forman agua con demasiados neutrones: "agua pesada" (D 2O), o, para dar el
nombre apropiado, óxido de deuterio. Tome agua pesada, fácil de comprar en
línea, y congelarla en forma de hielo. ¡Tira un cubo en un vaso de agua corriente
y, míralo, se hunde! A modo de comparación, puede agregar un cubo de hielo
común y maravillarse con la diferencia que hace una partícula subatómica por
átomo.
Los neutrones perdidos
El descubrimiento de neutrones por el físico James Chadwick – quien continuó trabajando en la
bomba atómica – resolvió un problema problemático con el peso de los elementos. Durante
años, se había hecho evidente que los átomos de cada elemento eran más pesados de lo que
deberían haber sido. Desde el punto de vista de Chadwick, los núcleos atómicos de ninguna
manera podían pesar tanto como pesaban si sólo tuvieran protones. Era como si los elementos
se hubieran ido de vacaciones de verano con el equipaje lleno de ladrillos. Sólo que nadie podía
encontrar los ladrillos. Chadwick había sido convencido por su supervisor, Ernest Rutherford,
de que los átomos estaban contrabandeando partículas subatómicas. Rutherford describió
estos duplicados neutros, o neutrones, en 1920. Pero no fue hasta 1932 que Chadwick encontró
evidencia concreta para apoyar la teoría. Descubrió que al bombardear el berilio metálico de
plata con radiación de polonio, era capaz de emitir partículas subatómicas con carga neutra:
neutrones.
En la naturaleza, aproximadamente uno de cada 6.400 átomos de hidrógeno
tiene un neutrón más. Hay, sin embargo, un tercer tipo – o isótopo – de
hidrógeno, y esto es mucho más raro y algo menos seguro de manejar en casa. El
tritio es un isótopo del hidrógeno en el que cada átomo contiene un protón y
dos neutrones. Sin embargo, el tritio es inestable y, al igual que otros elementos
radiactivos, sufre desintegración radiactiva. Se utiliza en el mecanismo que
detona las bombas de hidrógeno.
Radiactividad A menudo la palabra "isótopo" va precedida de la palabra
"radiactivo", por lo que puede haber una tendencia a suponer que todos los
isótopos son radiactivos. No, no lo son. Como acabamos de ver, es muy posible
tener un isótopo de hidrógeno que no sea radiactivo, en otras palabras, un
isótopo estable. Del mismo modo, hay isótopos estables de carbono, oxígeno y
otros elementos en la naturaleza.
Los isótopos radiactivos se deforman, lo que significa que sus átomos se
desintegran, liberando materia del núcleo en forma de protones, neutrones y
electrones (ver "Tipos de radiación", más abajo). El resultado es que el número
atómico de estos elementos cambia y pueden convertirse en elementos
completamente diferentes. Esto podría haber parecido mágico a los alquimistas
de los siglos 16 y 17, que estaban obsesionados con encontrar maneras de
transformar un elemento en otro (el otro es preferiblemente oro).
Los elementos radiactivos desfallecer a diferentes velocidades. El carbono-14 –
una forma de carbono con 14 nucleones en su núcleo (6 protones y 8
neutrones), en lugar de los 12 reguladores (6 protones y 6 neutrones) – se
puede utilizar con seguridad sin precauciones especiales. Si tienes que medir un
gramo de carbono-14 y dejarlo en el alféizar de una ventana, tendrás que
esperar mucho tiempo para que tus átomos se deterioren. Tomaría 5.700 años
para que la mitad de los átomos de carbono en su muestra se desintegraran.
Esta medida de tiempo, o velocidad de decaimiento, se denomina tiempo de
vida media. En contraste, el polonio-214 tiene una vida media de menos de un
milisegundo, lo que significa que en algún mundo paralelo loco donde se podía
medir un gramo de polonio radiactivo, ni siquiera tendría la oportunidad de
llevarlo al alféizar de la ventana antes de que todo hubiera caído
peligrosamente.
Tipos de radiación
La radiación alfa, que consiste en dos protones y dos neutrones, es equivalente a un núcleo atómico de helio. Es débil y
puede ser bloqueado por una hoja de papel. La radiación beta consiste en electrones rápidos y penetra en la piel. La
radiación gamma es energía electromagnética, como la luz, y sólo puede ser bloqueada por una placa de plomo. Los
efectos de la radiación gamma son muy dañinos; Los rayos gamma de alta energía se utilizan para destruir los tumores
cancerosos.
El ex espía ruso Alexander Litvinenko y posiblemente el líder palestino Yasser
Arafat fueron asesinados con un isótopo de polonio más estable, que decae con
días en lugar de segundos, aunque fatalmente. En el cuerpo humano, la
radiación liberada por la desintegración del núcleo de polonio-210 desgarra las
células y causa dolor, náuseas y fallos del sistema inmunológico en el proceso.
En las investigaciones de estos casos, los científicos buscaron productos de
decaimiento del polonio, porque el polonio-210 en sí ya no estaba presente.
Volver al futuro Los isótopos radiactivos pueden ser mortales, pero también
pueden ayudarte a entender nuestro pasado. El carbono-14 que dejamos decaer
lentamente en el alféizar de nuestra ventana tiene algunos usos científicos bien
conocidos: uno de ellos es la datación de fósiles por el isótopo de carbono, el
otro es aprender sobre climas pasados. Debido a que tenemos una buena idea
de cuánto tiempo tardan los isótopos radiactivos en decaer, los científicos
pueden calcular la edad de los artefactos, animales muertos o atmósferas
antiguas preservadas en el hielo mediante el análisis de los niveles de diferentes
isótopos. Por supuesto, cualquier animal inhalará pequeñas cantidades de
carbono-14 –en dióxido de carbono– durante la vida. Esto cesa tan pronto como
el animal muere, y el carbono-14 en su interior comienza a decaer. Como los
científicos saben que el carbono-14 tiene una vida media de 5.700 años, pueden
calcular cuándo murieron los animales fosilizados.
Rara vez un solo descubrimiento en química ha
tenido tal impacto en el pensamiento en tantos
campos de la empresa humana. "
El profesor A. Westgren, presentando el Premio Nobel de Química
por el carbono-14 que data de Willard Libby
Cuando se toman muestras de hielo de casquetes de hielo o glaciares que han
estado congelados durante miles de años, ya proporcionan una línea de tiempo
de los cambios atmosféricos, basada en los isótopos que contienen. Esta
comprensión del pasado de nuestro planeta puede ayudarnos a predecir lo que
sucederá con la Tierra en el futuro, ya que los niveles de dióxido de carbono
continúan variando.
La idea en síntesis:
La diferencia que hace un neutrón
4 Compuestos
En química, hay sustancias que contienen un solo elemento y
hay aquellas que contienen más de uno: los compuestos. Y es
cuando se reúnen los elementos que la extraordinaria
diversidad de la química se hace evidente. Es difícil estimar
cuántos compuestos químicos hay y, con nuevos compuestos que
se sintetizan cada año, sus usos se multiplican.
En la ciencia, de vez en cuando alguien hace un descubrimiento que contradice
lo que todo el mundo creía que era una ley fundamental. Durante un tiempo, la
gente se rasca la cabeza y se pregunta si hubo algún error o si los datos fueron
falsificados. Por lo tanto, cuando la evidencia finalmente se vuelve irrefutable,
los compendios tienen que ser reescritos y se abre una dirección
completamente nueva para la investigación científica. Eso es lo que sucedió
cuando Neil Bartlett descubrió un nuevo compuesto en 1962.
Trabajando tarde un viernes, Bartlett estaba solo en su laboratorio cuando hizo
el descubrimiento. Dejó que dos gases – xenón y hexafluoruro de platino – se
mezclaron y producen un sólido amarillo. He aquí que Bartlett había creado un
compuesto de xenón. No es sorprendente, se puede encontrar, pero en ese
momento, la mayoría de la comunidad científica creía que el xenón, al igual que
otros gases nobles (ver página 12), era completamente inerte e incapaz de
formar compuestos. La nueva sustancia fue nombrada hexafluoroplatita, y el
trabajo de Bartlett pronto convenció a otros científicos para comenzar la
búsqueda de nuevos compuestos de gases nobles. Durante las décadas
siguientes se encontraron al menos otros cien compuestos. Desde entonces, los
compuestos formados por elementos nobles se han utilizado para hacer agentes
antitumorales y en cirugía ocular con láser.
Asociar el compuesto de Bartlett puede haber sido un cambio para los libros,
pero su historia no es solo un gran ejemplo de descubrimiento científico que
anula alguna "verdad" ampliamente considerada. También es un recordatorio
del hecho de que los elementos (especialmente los inertes) no son tan útiles por
sí solos. Por supuesto, hay aplicaciones para ellos – luces de neón, anestesia con
nanotubos de carbono y xenón, sólo para nombrar unos pocos – pero es sólo
probar nuevas combinaciones de elementos, y a veces muy complicado, que los
químicos pueden producir remedios que salvan vidas y materiales de
vanguardia.
¿Compuestos o moléculas?
Todas las moléculas contienen más de un átomo. Estos átomos pueden ser átomos del mismo elemento, como en O 2,
los átomos de diferentes elementos, como en CO2. Pero entre O2 y CO2, sólo el CO2 es un compuesto, porque contiene
átomos de diferentes elementos químicamente unidos. Por lo tanto, no todas las moléculas están compuestas. Pero,
¿son todos los compuestos moléculas? Lo que confunde aún más las cosas son los iones (ver "Iones", página 21). En
realidad, los compuestos cuyos átomos forman iones cargados no forman moléculas en el sentido tradicional. En sal,
por ejemplo, una gran cantidad de iones de sodio (Na+) están conectados a una gran cantidad de iones de cloro (Cl –)
en una gran estructura cristalina bien dispuesta y que se repite indefinidamente. Así que realmente no hay
"moléculas" independientes de cloruro de sodio en el sentido más estricto. Aquí la fórmula química, NaCl, muestra la
proporción de iones de sodio a los iones de cloro, en lugar de referirse a una molécula aislada. Por otro lado, los
químicos hablan alegre y libremente de "moléculas de cloruro de sodio" (NaCl).
Es necesario asociar un elemento con otro, y quizás otro, y otro, para crear los
compuestos útiles que forman la base de prácticamente todos los productos
modernos, desde combustibles, telas y fertilizantes hasta pigmentos,
medicamentos y detergentes. Casi no habrá nada en su hogar que no esté hecho
de compuestos, a menos que, como el grafito de carbono del lápiz, esté hecho de
un solo elemento. Incluso las cosas que han crecido o se han formado por sí
mismas, como la madera y el agua, están compuestas. De hecho, probablemente
sean aún más complicados.
Compuestos y mezclas, Sin embargo, es necesario hacer algunas
diferenciaciones importantes cuando se habla de compuestos. Los compuestos
son sustancias químicas que contienen dos o más elementos. Pero simplemente
pegar dos, o diez, elementos presentes en el mismo entorno no los hace un
compuesto. Los átomos de estos elementos tienen que estar asociados – tienen
que formar enlaces químicos (ver página 23). Sin enlace químico, lo que vas a
obtener es una especie de grupo mixto en una fiesta, que involucra átomos de
diferentes elementos, lo que los químicos llaman una mezcla. Los átomos de
algunos elementos también se asocian con otros del mismo tipo, como el
oxígeno en el aire, que existe principalmente como O2, un dupleto [compuesto
por dos elementos, binarios]. Los dos átomos de oxígeno forman una molécula
de oxígeno. Pero esta molécula de oxígeno no es un compuesto, porque contiene
sólo un tipo de elemento.
"Traté de encontrar a alguien con quien compartir
el emocionante descubrimiento, pero parecía que
todos habían ido a cenar. "
Neil Bartlett
Los compuestos, entonces, son sustancias que contienen más de un tipo de
elemento químico. El agua es un compuesto porque contiene dos elementos
químicos: hidrógeno y oxígeno. También es una molécula porque contiene más
de un átomo. La mayoría de los materiales modernos y productos comerciales
también son compuestos hechos de moléculas. Pero no todas las moléculas
están compuestas, y es discutible si todos los compuestos son moléculas (ver
"¿Compuestos o moléculas?", página 19).
Polímeros Algunos compuestos están compuestos dentro de compuestos –
están hechos de unidades básicas repetidas varias veces, produciendo un efecto
de cuentas en un collar. Estos compuestos se llaman polímeros. Puedes
reconocer algunos de estos polímeros por su nombre: polietileno de tus bolsas
de la compra, cloruro de polivinilo (PVC) de discos de vinilo y poliestireno de
envases ya lo dicen todo. Menos evidente, el nylon y el mar, el ADN en las células
y las proteínas en los músculos también son polímeros. La unidad que se repite
en todos los polímeros, naturales o artificiales, se llama monómero. Ponga los
monómeros juntos y obtendrá un polímero. En el caso del nylon, hay una
demostración impresionante hecha en los precipitados en laboratorios de
química en todas partes - usted puede literalmente tirar de una extensión de la
"cuerda" del nylon la vasija de precipitados y envolverlo derecho en un
carrete, como un pedazo de hilo.
Biopolímeros Los biopolímeros, como el ADN (ver página 142), son tan
complejos que tomó millones de años de evolución para que la naturaleza
perfeccionara el arte de formarlos. Los monómeros, o "compuestos dentro del
compuesto", son ácidos nucleicos, productos químicos muy complejos por sí
mismos. Unidos, forman las largas filas de polímeros que componen nuestro
código de ADN.
Para unirse a los monómeros de ADN, la naturaleza utiliza
una enzima especial para agregar el grano individual a la pasta. Es increíble
pensar que la evolución ha encontrado una manera de fabricar compuestos de
tal complejidad dentro de nuestro propio cuerpo.
¿Exactamente cuántos compuestos hay? La respuesta honesta es que no lo
sabemos. En 2005, científicos suizos trataron de estimar cuántos compuestos
que contienen sólo carbono, nitrógeno, oxígeno o fluoruro serían realmente
estables. Calcularon cerca de 14 mil millones, pero esto incluyendo sólo
compuestos con hasta 11 átomos. El "universo químico" –como lo llamaron– es
verdaderamente vasto.
Iones
Cuando un átomo gana o pierde un electrón cargado negativamente, este cambio en el equilibrio de la carga hace
que el átomo en su conjunto se cargue. Este átomo cargado se llama ion. Lo mismo puede suceder con moléculas,
que forman iones "poliatómicos" – un ion nitrato (NO3 ) o un ion silicato (SiO4), por ejemplo. La conexión
Los iones iónicos de cargas opuestas son una forma importante de unir sustancias.
–
La idea en síntesis:
Combinaciones químicas
4–
4 Juntandolo todo
¿Cómo se aglomera la sal? ¿Por qué el agua hierve a 100
grados centígrados? Y lo más importante, ¿por qué una pieza
de metal se parece a una comunidad hippie? Todas estas
preguntas, y más, se responden prestando atención a los
diminutos electrones cargados negativamente que se mueven
entre los átomos y a su alrededor.
Clúster de átomos. ¿Qué pasaría si no lo hiciera? Bueno, para empezar, el
universo sería un desastre total. Sin las conexiones y fuerzas que mantienen
unidos los materiales, nada existiría de la manera en que lo conocemos. Todos
los átomos que componen tu cuerpo, palomas, moscas, televisores, copos de
maíz, el Sol y la Tierra estarían flotando en un vasto mar de átomos casi
infinitos. Entonces, ¿cómo se adhieren los átomos entre sí?
Pensamiento negativo De una manera u otra, los átomos, dentro de sus
moléculas y compuestos, están unidos por sus electrones, las diminutas
partículas subatómicas que forman una nube de lesado negativo alrededor del
núcleo cargado positivamente del átomo. Se ordenan en capas, o conchas,
alrededor del núcleo atómico y, teniendo cada elemento un número diferente de
electrones, cada elemento tiene un número diferente de electrones en su capa
más externa. Sin embargo, el hecho de que un átomo de sodio tenga una nube de
electrones que se ve ligeramente diferente de la nube de electrones de un átomo
de cloro produce un efecto interesante. De hecho, es la razón por la que pueden
conectarse entre sí. El sodio pierde fácilmente el electrón en su capa externa. La
pérdida de carga negativa la hace positiva (Na+). Mientras tanto, el cloro gana
fácilmente un electrón cargado negativamente para llenar su capa externa,
convirtiéndose, en general, en carga negativa (Cl–). Los opuestos se atraen entre
sí y listo, tienes un enlace químico. Y un poco de sal - cloruro de sodio (NaCl).
Situaciones de vida Hay tres tipos principales de enlaces químicos.
Comencemos con el enlace covalente, en el que cada molécula dentro de un
compuesto es una familia de átomos que comparten algunos electrones (ver
"Enlaces simples, dobles y triples", arriba). Estos electrones sólo se comparten
entre los miembros de la misma molécula. Piense en ello como una situación de
vida: cada molécula, o familia, vive en una hermosa casa unifamiliar, cuidando
de sus cosas y permaneciendo en ella. Así es como viven moléculas como el
dióxido de carbono, el agua y el amoníaco (el compuesto apestoso utilizado en
los fertilizantes).
Conexiones simples, dobles y triples
Para simplificar, cada enlace covalente es un par compartido de electrones. El número de electrones que un átomo
tiene que compartir es generalmente el mismo que el número en su capa externa. Así, por ejemplo, debido a que el
dióxido de carbono tiene cuatro electrones para compartir, puede formar hasta cuatro pares compartidos, o cuatro
enlaces. Esta idea de que el carbono forma cuatro enlaces es importante en la estructura de casi todos los
compuestos orgánicos (que contienen carbono), en los que los esqueletos de carbono están decorados con otros tipos
de átomos: en moléculas orgánicas de cadena larga, por ejemplo, los átomos de carbono comparten sus electrones
entre sí y también a menudo con átomos de hidrógeno. Pero a veces los átomos comparten más de un par con otro
átomo. Así que puedes tener un doble enlace carbono-carbono o un doble enlace carbono-oxígeno. Incluso se pueden
tener enlaces triples, en los que los átomos comparten tres pares de electrones, aunque no todos los átomos tienen
tres electrones para compartir. El hidrógeno, por ejemplo, sólo tiene uno.
CH4 (metano) – configuración electrónica (izquierda) y modelo estructural (derecha)
"Acabo de regresar de unas vacaciones cortar para
los cuales los únicos libros que tengo tomé media
docena de historias de detectives y su La naturaleza
de enlace químico. Encontré el tuyo el más
emocionante de todos. "
Gilbert Lewis, químico americano, escribiendo en Linus Pauling
(1939)
Los enlaces iónicos, a su vez, funcionan por el modelo de unión de "atracción de
opuestos", como el cloruro de sodio en el ejemplo anterior, de sal. Este tipo de
conexión es más como vivir en un edificio de apartamentos, donde cada
ocupante tiene vecinos en ambos lados, así como arriba y abajo. No hay casas
separadas, es solo un gran bloque vertical de apartamentos. Los ocupantes en
su mayoría cuidan de sus propias cosas, pero los vecinos cercanos donan y
reciben electrones unos de otros. Esto es lo que los une: en compuestos con
enlaces iónicos, los átomos se unen porque existen como iones de cargas
opuestas (ver "Iones", página 21).
Y luego está la conexión de metal. La unión en los metales es un poco más
extraña. Funciona con los mismos principios rígidos de atraer cargas opuestas,
pero en lugar de un bloque de rascacielos, es más como una comunidad hippie.
Todos los electrones se comparten comunalmente. Los electrones cargados
negativamente flotan allí, siendo atrapados y "apagados" por iones metálicos
cargados positivamente. Dado que todo pertenece a todos, no se trata de robo,
es como si todo estuviera unido por la confianza.
Sin embargo, estas conexiones no son suficientes para mantener unido a todo el
Universo. Además de los fuertes enlaces dentro de las moléculas en los
compuestos, existen las fuerzas más débiles que mantienen unidas colecciones
enteras de moléculas, como los vínculos sociales que mantienen unidas a las
comunidades. Algunas de las interacciones más fuertes se observan en el agua.
Debido a que el agua es especial Es posible que nunca haya pensado en ella,
pero el hecho de que el agua en su hervidor de agua hierve a 100 grados
centígrados es bastante extraño. La temperatura de ebullición del agua es
mucho más alta de lo que esperaríamos para algo compuesto de hidrógeno y
oxígeno. Podemos suponer razonablemente a partir de un estudio de la Tabla
Periódica (ver páginas 206-7) que el oxígeno se comportaría de manera similar
a la de otros elementos que ocupan la misma columna. Sin embargo, si
producías compuestos de hidrógeno con los tres elementos debajo del oxígeno,
ciertamente no podrías hacer algo tan simple como hervirlos en un hervidor de
agua. Esto se debe a que los tres hierven a temperaturas bajo cero
(centígrados), lo que significa que son gases cuando están a la temperatura de
su cocina. Por debajo de cero, el agua sigue siendo hielo. Entonces, ¿por qué un
compuesto de oxígeno e hidrógeno permanece líquido a una temperatura tan
alta?
La respuesta está en las fuerzas que mantienen unidas las moléculas de agua
como un grupo, evitando que huyen tan pronto como sientan un poco de calor.
Estos llamados "enlaces de hidrógeno" se forman entre átomos de hidrógeno en
una molécula y átomos de oxígeno en otra. ¿cómo? Una vez más, volvemos a los
electrones. En una molécula de agua, los dos hidrógenos se encuentran en el
lecho con oxígeno, que recoge todas las cubiertas – los electrones cargados
negativamente – por sí mismos. Las cargas ahora parcialmente positivas de los
hidrógenos descubiertos indican que serán atraídos por los ladrones de oxígeno
de otras moléculas de agua, que son más negativas. Debido a que cada molécula
de agua tiene dos hidrógenos, puede formar dos de estos enlaces de hidrógeno
con otras moléculas de agua. Las mismas fuerzas de adhesión ayudan a explicar
la estructura entrelazada del hielo y la tensión en la superficie de un lago que
permite que un insecto se deslice sobre él.
Van der Waals
Las fuerzas de Van der Waals, llamadas así por el físico holandés, son fuerzas muy débiles entre todos los átomos.
Existen porque incluso en átomos y moléculas estables los electrones se mueven un poco, cambiando la distribución de
la carga.
Esto significa que una parte cargada negativamente de una molécula puede atraer temporalmente una parte cargada
positivamente de otra. Las secciones de carga más permanentes ocurren en moléculas "polares", como el agua, lo que
permite atracciones ligeramente más fuertes. El enlace de hidrógeno es un caso especial de este tipo de atracción,
formando enlaces intermoleculares particularmente fuertes.
La idea en síntesis:
Compartir electrones
6 Cambios de fase
Pocas cosas siguen igual. Los químicos hablan de transiciones
entre las diferentes fases de la materia, pero esto, de hecho, es
sólo una forma caprichosa de decir que las sustancias cambian.
La materia puede adoptar múltiples formas: además de los
estados sólidos, líquidos y gaseosos de la vida cotidiana, hay
algunas fases menos comunes de la materia.
Piensa en lo que sucede si dejas unas barras de chocolate en el bolsillo en un día
caluroso. Puedes sacarlos de tu bolsillo y dejarlos en un lugar fresco para
endurecerlos de nuevo, pero el sabor ya no será exactamente el mismo. ¿Por
qué? La respuesta está en el conocimiento de la diferencia entre el chocolate
original y el chocolate endurecido de nuevo. Primero vamos a tener que
volver a la escuela de ciencias.
Sólidos, líquidos y gases... y plasma La mayoría de las personas han
escuchado que la materia tiene tres fases: sólida, líquida y gaseosa. ¿Recuerdas
cuando aprendiste eso en la escuela secundaria? Probablemente los recuerdes
como "estados". Un ejemplo básico del cambio de estado de una sustancia es
congelar y descongelar el agua, un cambio entre un estado sólido y un líquido.
Muchas otras sustancias también se funden, pasando de sólido a líquido, y los
químicos lo llaman fusión térmica. Los diferentes estados se explican a menudo
por la agitación de átomos o moléculas en la sustancia. En un sólido, están
hacinadas, como las personas en un ascensor abarrotado, mientras que en un
líquido las moléculas circulan y se mueven uno alrededor de otras más
libremente. En el estado gaseoso, las partículas están más dispersas y no tienen
límites fijos: es como si las puertas del ascensor se abrieran y los pasajeros se
extendieran en diferentes direcciones.
Estos tres estados de la materia marcan los límites del conocimiento de muchas
personas, pero hay muchos otros, de alguna manera más esotéricos y quizás
menos conocidos. Para empezar, está el plasma aparentemente futurista. En este
estado gaseoso – utilizado en las pantallas de televisión de plasma, por ejemplo
– los electrones se soltaron y las partículas de materia se cargaron. Lo que es
diferente aquí, para continuar con la analogía, es que cuando las puertas del
ascensor se abren, todos salen al mismo tiempo, de una manera más ordenada.
Debido a que las partículas están cargadas, el plasma fluye en lugar de rebotar
por todas partes. Los cristales líquidos, utilizados en la televisión LED, son otro
estado extraño de la materia (véase "Cristales líquidos", página 28).
Se desliza rápidamente sobre una superficie pulida,
como si estuviera suspendida por la atmósfera
gaseosa que la rodea constantemente, hasta
desaparecer por completo. "
Adrien-Jean-Pierre Thilorier, químico francés mientras hablaba de
su primera observación de secado en hielo
Más de cuatro Cuatro estados, o fases, pueden ser suficientes para entender
muchos de los cambios que observamos diariamente en las sustancias. Incluso
pueden explicar algún lugar menos común. Por ejemplo, las máquinas de humo
utilizadas en teatros y clubes nocturnos, que crean nubes muy densas de humo
o niebla, están utilizando "hielo seco", que es congelado o dióxido de carbono
sólido (CO2). Cuando esta sustancia entra en contacto con el agua caliente,
sucede algo bastante inusual: pasa directamente de sólido a gas, sin pasar por la
fase líquida. (Esta, por cierto, es la razón por la que se llama hielo seco). El
cambio de fase sólida a gaseosa se denomina sublimación. Tan pronto como
esto sucede, las burbujas de gas, todavía frías, condensan el vapor de agua en el
aire, produciendo una niebla.
Cuatro fases, sin embargo, todavía no explican la pregunta presentada
anteriormente: ¿Por qué el mismo chocolate tiene un sabor diferente solo
porque se derritió y luego se solidificó? Sigue siendo sólido, después de todo.
Pero esto se debe a que hay más fases de las que pueden acceder los tres o
cuatro estados clásicos. Numerosas sustancias tienen múltiples fases dentro del
estado sólido, y muchas de estas formas sólidas se componen de cristales. La
manteca de cacao en el chocolate es en realidad cristalina, y son las diferencias
en la formación de sus cristales las que determinan la etapa en la que se
encuentra el producto.
Cristales líquidos
La mayoría de nosotros hemos oído hablar del estado de cristal líquido debido a su aplicación
en pantallas de cristal líquido (LCD) utilizadas en dispositivos electrónicos modernos. Muchos
materiales diferentes muestran este estado, no solo los componentes de su televisor: los
cromosomas en sus células también se pueden considerar líquidos cristalinos. Como sugiere el
término, el estado del cristal líquido está más o menos entre un cristal líquido y un cristal
sólido. Las moléculas, que generalmente tienen la forma de un palo, se organizan
aleatoriamente en una dirección (como un líquido), pero se compactan regularmente (como un
cristal) en otra. Esto se debe a que las fuerzas que mantienen unidas las moléculas son más
débiles en una dirección que en otra. Las moléculas en los cristales líquidos forman capas que
pueden deslizarse unas sobre otras. Incluso entre capas, las moléculas dispuestas al azar
todavía se mueven. Es esta combinación de movimiento y disposición regular lo que hace que
los cristales se comporten como líquidos. En las pantallas LED, la posición de las moléculas y el
espacio entre ellas afectan a cómo reflejan la luz y el color que vemos. Con el uso de electricidad
para afectar las posiciones de
las moléculas de cristal líquido "jabonadas" en medio del
vidrio, podemos crear patrones e imágenes en una pantalla.
Seis tipos de chocolate Finalmente, así que estamos listos para atacar el
delicioso tema del chocolate. A estas alturas es posible que haya empezado a
pensar que tal vez el chocolate es un poco más complicado de lo que parece. El
ingrediente principal, la manteca de cacao, consiste en moléculas llamadas
triacilglicerols (triglicéridos), pero para simplificar las cosas nos referiremos a
ellos solo como "manteca de cacao". La manteca de cacao cristaliza bajo no
menos de seis formas diferentes, o polimorfos, todos los cuales tienen
estructuras distintas y se funden a diferentes temperaturas. Cada vez que
derritamos el chocolate y luego dejamos que se endurezca de nuevo obtenemos
un polimorfo diferente, cada uno con un sabor específico.
Incluso si deja su chocolate a temperatura ambiente, cambiará lenta pero
seguramente a una forma diferente: el polimorfo más estable. Los químicos
llaman a este cambio de transición de fase, y eso explica por qué a veces se
desenvuelve una barra de chocolate que había sido almacenada durante unos
meses y se encuentra la pizarra que parece enferma. La parte blanquecina no
hace ningún daño. Es sólo polimorfo VI. En cierto sentido, cada manteca de
cacao "quiere" ser polimorfo VI, porque es la forma más estable. Pero no sabe
tan bien. Para evitar la transición lenta a VI, puede intentar mantener su
chocolate a una temperatura más baja, en la nevera, por ejemplo.
La capacidad de manipular las diferentes formas de chocolate es, por supuesto,
de gran interés para la industria alimentaria, y sólo en los últimos años se han
llevado a cabo algunos estudios muy sofisticados sobre los polimorfos de
chocolate. En 1998, el fabricante de chocolate Cadbury utilizó un acelerador de
partículas para sondear los secretos del sabroso chocolate, utilizando este
equipo para descubrir las diferentes formas del cristal de manteca de cacao y
cómo hacer la mejor preparación, que se derrite en la boca.
La deliciosa forma brillante que todos queremos comer es polimorfo V, pero
conseguir que un plato entero cristalice en forma de V no es fácil. Requiere un
proceso altamente controlado de fusión y enfriamiento a temperaturas
específicas para que los cristales se formen de la manera correcta. Lo más
importante, por supuesto, es que hay que comerlo antes de que vuelva a
cambiar de fase. Así que, niños y niñas, tienen una gran excusa para comer
todos sus huevos de chocolate el mismo Domingo de Resurrección.
Nuevas fases
Las sustancias pueden existir en múltiples fases, e incluso hay fases que aún no se han descubierto. Parece que los
científicos están constantemente encontrando nuevas fases del agua (ver página 118). En 2013, un artículo publicado
en la revista científica Physical Review Letters anunció un nuevo tipo de hielo superestable "superyónico" que se
espera que esté presente en grandes cantidades en el núcleo de los planetas gigantes como: Urano y Neptuno.
La idea en síntesis:
No sólo sólidos, líquidos y gases
7 Energía
La energía es como una especie de ser sobrenatural: poderoso,
pero imposible de conocer. Aunque podemos ser testigos de
sus efectos, nunca se revela en su verdadera forma. En el siglo
19, James Joule sentó las bases de una de las leyes más
fundamentales de la ciencia. Esta ley ordena los cambios de
energía que ocurren en cada reacción química.
Si estuvieras participando en un juego de adivinanzas y tuvieras que presentar
un mimo para obtener energía, ¿cuál sería? Es un rompecabezas, porque
definirlo es muy difícil. Es combustible, es comida, es calor, es lo que sacas de los
paneles solares; es un resorte en espiral, una hoja que cae, una vela que
revolotea o un imán, un rayo y el sonido de una guitarra española. Si la energía
puede ser todo eso, entonces ¿cuál es su esencia?
¿Qué es la energía? Todos los seres vivos usan la energía para construir su
cuerpo y crecer, y en algunos casos para moverse. Los seres humanos parecen
ser adictos a la cosa, aprovechando grandes cantidades de ella para la
iluminación de los hogares, como combustible de la tecnología, y para traer
fuerza a las fábricas. Sin embargo, la energía no es una sustancia que podamos
reconocer; no podemos verla ni poner nuestras manos en ella. Es intangible.
Siempre fuimos conscientes de sus efectos, incluso vagamente, pero fue sólo
desde el siglo 19 que realmente sabíamos que existía. Antes del trabajo del
físico inglés James Prescott Joule, sólo teníamos una idea confusa de lo que
realmente era la energía.
Joule era hijo de un cervecero. Fue educado en casa e hizo muchos de sus
experimentos en el sótano de la cervecería de su familia. Estaba interesado en la
relación entre el calor y el movimiento, ¡tan interesado estaba que tomó sus
termómetros (y William Thomson) en su luna de miel para estudiar las
diferencias de temperatura entre la parte superior e inferior de una cascada
cercana! Joule tuvo problemas para publicar sus artículos, pero gracias a
algunos amigos famosos – nada menos que el pionero de la electricidad Michael
Faraday – finalmente consiguió que tomaran nota de su trabajo. Su idea clave
era esencialmente esta: el calor es movimiento.
¿El calor es movimiento? En primera lectura, esta observación puede no tener
mucho sentido. Pero piénsalo: ¿por qué te frotas las manos para calentarlas en
un día frío? ¿Por qué los neumáticos de un vehículo en movimiento se calientan?
El artículo de Joule Sobre el equivalente mecánico del calor, publicado el día de
Año Nuevo en1850, hizo el mismo tipo de investigación. En este texto observó
que el mar se calienta después de días de clima tormentoso, y detalló su propio
intento de replicar el efecto, utilizando una rueda con palas. Al hacer
mediciones precisas de temperatura utilizando sus termómetros confiables,
demostró que el movimiento se puede convertir en calor.
A través de la investigación de Joule y el trabajo de los científicos alemanes
Rudolf Clausius y Julius Robert von Mayer, aprendemos que la resistencia
mecánica, el calor y la electricidad están estrechamente relacionados. Joule (J)
eventualmente se convirtió en una unidad de medida estándar de "trabajo" (ver
"Trabajo", arriba) – una cantidad física que puede ser considerada como
energía.
Trabajo
Aunque la energía es muy difícil de definir, se puede considerar como la capacidad de producir calor o "realizar
trabajo". Admito que suena un poco ambiguo. ¿Realizar un trabajo? ¿Qué trabajo? El trabajo es, de hecho, un concepto
importante en física y química, relacionado con el movimiento. Si algo se mueve, entonces hay un trabajo que se está
haciendo. Una reacción de combustión, como en el motor de un automóvil, libera calor, lo que hace que los pistones
se muevan (realizando el "trabajo") a medida que los gases se expanden en el motor.
De uno a otro Hoy reconocemos muchos tipos diferentes de energía y sabemos
que uno se puede convertir en el otro. La energía química en el carbón o el
petróleo, por ejemplo, es energía almacenada hasta que se quema y se
transforma en energía térmica para calentar nuestros hogares. Por lo tanto, la
conexión de Joule entre el calor y el movimiento ya no parece tan extraña, ya
que ahora consideramos ambos como tipos de energía. En un nivel más
profundo, sin embargo, el calor realmente es movimiento - lo que hace que una
olla de agua caliente es el hecho de que las moléculas de agua energizadas en
ella están temblando en un estado de excitación. El movimiento es sólo otro tipo
de energía.
En los productos químicos, la energía se almacena en los enlaces entre los
átomos. Cuando los enlaces se rompen, en las reacciones químicas, hay
liberación de energía. El proceso opuesto, la formación de conexiones, almacena
energía para más adelante. Al igual que la energía en un resorte espiral, esa
energía es "energía potencial", disponible hasta que se libera. La energía
potencial es simplemente energía almacenada en un objeto debido a su
posición. En el caso de la energía química potencial, esto se refiere a la posición
de las conexiones. Cuando estás en la parte superior de una escalera, tu energía
potencial es mayor que cuando estás en la parte inferior, y también hay energía
potencial en el agua desde la parte superior de la cascada de luna de miel de
Joule. Su energía potencial depende de su masa: si se sienta y come pasteles
durante un mes y luego regresa a la parte superior de la escalera, su energía
potencial será mayor.
Incluso sentarse y comer pastel es un ejemplo de cambio de energía - el azúcar y
la grasa en el pastel proporcionan energía química, que se convierte en energía
térmica por sus células con el fin de mantener su temperatura corporal, y en
energía cinética, para comandar los músculos que le llevará a la parte superior
de la escalera. Todo lo que hacemos, todo lo que hace nuestro cuerpo, y
básicamente todo lo que sucede, se basa en estas conversiones de energía.
La energía cambia, pero sigue siendo la misma El trabajo de James Joule
sentó las bases de lo que se ha convertido en uno de los principios más
importantes de toda la ciencia: la Ley de Conservación de Energía, también
conocida como la Primera Ley de la Termodinámica (ver página 42). Esta ley
determina que la energía nunca se crea y nunca se destruye. Simplemente se
convierte de una forma a otra, como lo indica la experiencia de Joule con la
rueda de paletas. Pase lo que pase en las reacciones químicas, y en cualquier
otro lugar, la cantidad total de energía en el Universo debe permanecer
siempre igual.
"Mi objetivo era, primero, descubrir los principios
correctos, y luego sugerir su desarrollo práctico. "
James Prescott Joule, James Joule : una biografía
Lo que toda la energía tiene en común es la capacidad de cambiar algo. Ahora, si
eso te dice cómo imitar la energía en un juego de adivinanzas, esa es otra
pregunta. La energía es una rueda de paletas giratorias. Es un pastel. Eres tú
subiendo las escaleras, parado en la parte superior y cayendo escalones. Trate
de imitar estas cosas. Todavía estás tan confundido como lo has estado nunca.
La idea en síntesis:
La capacidad de hacer cambios
8 Reacciónes químicas
Las reacciones químicas no son solo explosiones ruidosas que
pueden llenar el aire en una caricatura sobre el laboratorio de
un científico. También son procesos cotidianos que pasan
discretamente dentro de las células de los seres vivos,
incluyéndonos a nosotros. Suceden sin que nos demos cuenta.
Aun así, ¡a todos nos encanta una buena explosión ruidosa!
Existen, en términos generales, dos tipos de reacciones químicas. El tipo de
reacción química grande, llamativa y explosiva –que significa "alejarse bien y
usar gafas"– y el tipo de reacción silenciosa, "que se arrastra, apenas se da
cuenta". El tipo "back off" puede llamar su atención, pero el "mal si se puede
decir" puede ser igual de impresionante. (De hecho, por supuesto, hay una
variedad vertiginosa de diferentes reacciones químicas, en número demasiado
para enumerar aquí.)
Los químicos no pueden resistirse al primer tipo. Pero, ¿no es así con todos
nosotros? ¿Quién, al obtener una entrada a un espectáculo de fuegos artificiales,
preferiría sentarse en silencio para ver un metal oxidado? ¿Quién no saltó y se
rió un poco cuando el profesor de química prendió fuego a un globo de
hidrógeno, produciendo un sonido BUUM? Si le pides a cualquier químico que
demuestre tu reacción favorita, invariablemente invocará la experiencia más
grande y llamativa que puedas realizar con seguridad. Para comenzar a
entender las reacciones químicas, volvamos a un profesor de química del siglo
19 y una de las demostraciones químicas más ruidosas y espectaculares.
Desafortunadamente, este tipo de experimento no siempre sale según lo
planeado.
Quedarse bien detrás Justus Von Liebig era una persona extraordinaria. Pasó
hambre, se convirtió en profesor a la edad de 21 años, descubrió la base química
del crecimiento de las plantas y fundó una importante revista científica, por no
mencionar algunos de sus descubrimientos que llevaron a la invención de una
pasta de extracto de levadura (también conocida como Marmite). Hizo muchas
cosas de las que podía estar orgulloso, pero también hizo algunas cosas
embarazosas. La leyenda dice que durante la demostración de una reacción
conocida como "perro que ladra" en la familia real bávara en 1853, la
experiencia explotó de manera un tanto violenta, justo en la cara de la reina
consorte, Teresa de Sajonia-Hildburghausen, y su hijo, el Príncipe Luitpold.
"... Miré a mi alrededor después de la terrible
explosión en la sala de estar... y vi la sangre goteando
de la cara de la reina Teresa y el Príncipe Luitpold. "
Justus von Liebig
El "perro que ladra" sigue siendo una de las demostraciones más
espectaculares. No solo es fantásticamente explosivo y ruidoso, emitiendo un
sonido "woof", también es brillantemente llamativo. La reacción ocurre cuando
el disulfuro de carbono (CS2) se mezcla con óxido nitroso (N2O) – más conocido
como gas hilarante – y se enciende. Es una reacción exotérmica, lo que significa
que pierde energía en el medio ambiente (ver página 43). En este caso, parte de
la energía se pierde en forma de un gran destello azul de luz. Ejecutado, como
suele ser, en un gran tubo transparente, la experiencia es similar a un sable de
luz que se "enciende" y luego se "borra". Vale la pena tomarse un momento para
buscar un video en línea si puede.
Si la audiencia de Liebig no hubiera quedado tan impresionada por el efecto, no
lo habrían convencido de repetir el experimento, y la reina Teresa no habría
sufrido su pequeña lesión: se dice que la explosión derramó sangre. Sin
embargo, como todas las reacciones, el "perro que ladra" no es más que un
reordenamiento de los átomos. Sólo hay cuatro tipos diferentes de átomos –
elementos – involucrados en el "perro que ladra": carbono (C), azufre (S),
nitrógeno (N) y oxígeno (O).
N2O + CS2 → N2 + CO + SO2 + S8
Reacción "perro que ladra": en una reacción similar, paralela, puede formar
también CO2.
Ecuaciones químicas
En 1615, Jean Beguin publicó un conjunto de notas de clase de química, mostrando un diagrama de la reacción de
mercure sublimé (cloruro de mercurio, HgCl2) con antimoína (trisulfuro de antimonio, Sb2S3). Aunque se parece más al
diagrama de una araña, se considera una representación inicial de una ecuación química. Más tarde en el siglo 18,
William Cullen y Joseph Black, que enseñaron en las universidades de Glasgow y Edimburgo, diseñaron esquemas de
reacción que contenían flechas para explicar las reacciones químicas a sus estudiantes.
Los químicos utilizan una ecuación química para mostrar dónde terminan
después de la reacción.
Apenas se puede notar, pero ¿qué pasa con las reacciones más discretas y
menos vistosas? La roya gradual de una uña de hierro es una reacción química
entre el hierro, el agua y el oxígeno en el aire, para formar el producto óxido de
hierro – marrón anaranjado, escamas de óxido (ver página 54). Es una reacción
de oxidación lenta. Cuando cortas una manzana y se vuelve marrón, es otra
reacción de oxidación, y que puedes observar en el período de unos minutos.
Para una de las reacciones discretas más importantes, no tienes que mirar más
allá de las plantas en tu ventana. Cosechan lentamente los rayos del sol y
utilizan la energía para reorganizar el dióxido de carbono y el agua en azúcar y
oxígeno, en una reacción que conocemos como fotosíntesis (ver página 150).
Este es un resumen de una cadena de reacciones mucho más compleja
desarrollada por las plantas. El azúcar se utiliza como combustible para
alimentar la planta, mientras que el otro producto, el oxígeno, se libera. Puede
que no sea una reacción tan dramática como el "perro que ladra", pero es
fundamental para la vida en nuestro planeta.
Se puede observar el propio cuerpo para ver ejemplos de reacciones. Sus células
son esencialmente bolsas llenas de productos químicos, centros de reacción en
miniatura. Cada uno hace lo contrario de lo que hace una planta en la
fotosíntesis: para liberar energía, la célula reacciona al azúcar absorbido por sus
alimentos con el oxígeno que respira y los reorganiza, produciendo dióxido de
carbono y agua. Esta imagen especular, "reacción respiratoria", es la otra gran
reacción que sostiene la vida en la Tierra.
Reordenamientos Ya sean grandes o pequeños, lentos o cortos como un rayo,
todas las reacciones son el resultado de algún cambio en la forma en que los
átomos están dispuestos en los reactivos iniciales. Los átomos de los diversos
elementos pueden ser fragmentados y recompuestos de diferentes maneras.
Esto, en general, significa que se forman nuevos compuestos, mantenidos
unidos por el intercambio de electrones entre los átomos del nuevo socio. En la
reacción de "perro que ladra", el monóxido de carbono y el dióxido de azufre
son los dos nuevos compuestos formados. También se producen moléculas de
nitrógeno y azufre. En la fotosíntesis, se forman moléculas más grandes y
complejas: moléculas largas de azúcar que contienen múltiples átomos de
carbono, hidrógeno y oxígeno.
Observación del despliegue de las reacciones
En general, cuando decimos que "vemos" una reacción que sucede, solo nos referimos a la
explosión, el cambio de color o alguna otra consecuencia de la reacción. No estamos viendo las
moléculas individualmente, así que no podemos ver lo que realmente está pasando. Pero en
2013, investigadores estadounidenses y españoles vieron reacciones que sucedían en tiempo
real. Capturaron el poder de la microscopía de fuerza atómica para obtener imágenes
extremadamente cercanas de moléculas aisladas de oligo-(fenileno-1, 2-eynile) que reaccionan
en una superficie de plata para formar nuevos productos con estructura de anillo. En
microscopía de fuerza atómica, las imágenes se generan de una manera completamente
diferente a la de una cámara normal. El microscopio tiene una sonda muy delgada, o "punta",
que produce una señal cuando toca algo en una superficie. Esta sonda puede detectar la
presencia de átomos aislados. En las imágenes tomadas en 2013, los enlaces, así como los
átomos en los reactivos y productos, son claramente visibles.
La idea en síntesis:
Reordenamiento de átomos
9 Equilibrio
Algunas reacciones se guían en una dirección; otros van y
vienen constantemente. En estas reacciones "flexibles", un
equilibrio mantiene el statu quo. Las reacciones de equilibrio
están en todas partes, desde su sangre hasta el sistema de
combustible que trajo a los astronautas del Apolo 11 de vuelta
a la Tierra.
Usted recibirá algunos amigos y compró algunas botellas de vino tinto.
Queriendo comenzar la fiesta de inmediato, abres una botella, sirves unos vasos
y esperas a que lleguen todos. Una hora más tarde, después de una avalancha de
excusas de mensajes de texto, usted y su único amigo todavía están siluciendo
las primeras copas de vino, mientras que los demás permanecen intactos. De
dos cosas, una sucede ahora. Su amigo le dará una disculpa educada, dejándolo
tamizar los vasos intactos de nuevo en la botella. O ustedes dos terminan sus
vasos, más los otros que se sirvieron, y luego abren la siguiente botella y
comienzan a beber un poco más.
Mantén el vino fluyendo Puede que estés pensando en lo que todo esto tiene
que ver con la química. Bueno, hay muchas reacciones en la química que
reflejan la situación del vino en la fiesta fallida. Al igual que la acción de verter
vino de una botella en una copa y volver a la botella de nuevo, estas reacciones
son reversibles. En química, este tipo de situación se llama equilibrio, y el
equilibrio controla las proporciones de reactivos y productos en una reacción
química.
Imagine que el vino embotellado representa el reactivo químico, mientras que el
vino vertido en las copas representa el producto de la reacción. En tu fiesta,
controlas el flujo de vino, de modo que, si alguien bebe una copa, sirves otra.
Asimismo, la balanza controla el flujo de reactivos a los productos, de manera
que si parte de los productos desaparece, se trabaja para encontrar el status quo
transformando parte de los reactivos en nuevos productos. Pero una acción
reversible también funciona de la manera opuesta; por lo tanto, si algo
interfiere con el status quo y de repente hay demasiados productos, el equilibrio
simplemente empuja la reacción hacia atrás en la dirección opuesta y
reconvierte los productos en reactivos, como volver a verter el vino en la
botella.
La existencia de un equilibrio no significa que cada lado de la ecuación química
sea el mismo que el otro: no siempre hay el mismo volumen de vino en las copas
y en la botella. Por el contrario, cada sistema químico tiene su propio medio
óptimo, donde las reacciones de ida y vuelta ocurren en la misma proporción.
Esto se aplica no solo a reacciones complejas, sino a sistemas simples como los
ácidos débiles (ver página 47), la donación y aceptación de iones de
hidrógeno(H+), e incluso moléculas de agua que se dividen en iones H+ y OH–. En
el agua, el equilibrio está más cerca del H2O del sistema que de los iones
separados, por lo que pase lo que pase, el equilibrio funcionará para mantener
la mayor parte del agua como moléculas H2O.
Combustible para cohetes Entonces, ¿dónde más encontramos este tipo de
equilibrio químico? El aterrizaje en la luna en 1969 es un buen ejemplo.
Diseñado por la NASA, el sistema que permitió a Neil Armstrong, Buzz Aldrin y
Michael Collins regresar a casa fue un sistema químico. Para generar el impulso
que los arrojó de vuelta al espacio, necesitaban un combustible y un agente
oxidante, algo que causaría que el combustible se quemara más, agregando
oxígeno a la mezcla. El agente oxidante utilizado en la misión Apolo 11 se llamó
tetróxido de dinitrógeno (N2O4), una molécula que se divide por la mitad para
formar dos moléculas de dióxido de nitrógeno (NO2). Pero el NO2 puede
convertirse fácilmente en N2O4. Los químicos muestran esto como:
Constante de equilibrio
Cada reacción química tiene su propio equilibrio, pero ¿cómo podemos saber dónde está? Una cosa llamada constante
de equilibrio determina la proporción de reactivos que se transforman en productos en una reacción reversible – nos
dice dónde está el equilibrio. La constante de equilibrio tiene el símbolo K y su valor es el mismo que la proporción de
productos para reactivos. Por lo tanto, si hay cantidades iguales (o concentraciones) de productos y reactivos,
entonces K es igual a 1.
Sin embargo, si hay más productos, entonces K es menor que 1. Cada reacción tiene su propio valor de K. En la
producción industrial de productos químicos, los catalizadores se utilizan para modificar la constante de equilibrio,
presionándolo para crear más productos. Las reacciones que se hacen para hacer productos químicos útiles, como el
amoníaco (ver página 70), deben reajustarse constantemente para equilibrar la eliminación de productos. Esto se
debe a que la retirada de los productos cambia temporalmente la proporción de productos a reactivos, o K. Para
mantener K, la reacción debe seguir ligeramente más fuerte en la dirección hacia adelante, produciendo de nuevo más
productos.
A
Reactivost
⇌
⇌
B
Produtos
Keq = [B] / [A]
(colchetes = concentración)
N2O4 ⇌ 2NO2
En todas partes hay un medio en las cosas,
determinado por el equilibrio. "
Dmitri Mendeleev
Si pones tetróxido de nitrógeno en una maceta de vidrio (no es recomendable,
ya que es corrosivo y, si derramas, perderás algo de piel), verás el equilibrio en
funcionamiento. Cuando se mantiene frío, el tetróxido de dinitrógeno pardusco
está en la parte inferior de la olla, mientras que las moléculas de NO 2 están en
una nube de vapor por encima. Sin embargo, la temperatura y otras condiciones
pueden cambiar la proporción de un equilibrio. En el caso del tetróxido de
dinitrógeno, un poco de calor toma la balanza a la derecha de la ecuación,
convirtiendo una mayor parte del agente oxidante en gas. Si se enfría de nuevo,
la conversión vuelve a N2O4.
Equilibrio natural Los equilibrios ocurren todo el tiempo en la naturaleza.
Mantienen en orden los productos químicos contenidos en su sangre,
manteniendo un pH constante alrededor de 7, asegurando que su sangre nunca
se vuelva demasiado ácida. Junto a estos mismos equilibrios hay reacciones
reversibles que controlan la liberación de dióxido de carbono en los pulmones.
A continuación, exhalar el dióxido de carbono.
Si has visto los goteos y conos de estalactitas y estalagmitas que se forman en
las cuevas de piedra caliza, es posible que hayas imaginado cómo se forman. La
Gran Estalactita que cuelga del techo de la Cueva Doolin en la costa oeste de
Irlanda es una de las más grandes del mundo, de más de siete metros de largo.
Se graduó durante miles de años. Esta maravilla natural es, de hecho, otro
ejemplo de un equilibrio químico en acción.
CaCO3 + H2O + CO2 ⇌ Ca+ + 22 HCO–3
CaCO3 es la fórmula química del carbonato de calcio, que forma roca porosa,
piedra caliza. El agua de lluvia, que contiene dióxido de carbono disuelto,
produce un ácido débil llamado ácido carbónico (H2CO3), que reacciona con el
carbonato de calcio en la piedra caliza, disolviéndose para producir iones de
carbonato de calcio e hidrógeno. A medida que la lluvia penetra en los agujeros
de la roca, disuelve pedazos de piedra caliza y lleva consigo los iones disueltos
allí. Este lento proceso es suficiente para crear cuevas de piedra caliza. Las
estalactitas, como la gran estalactita, se forman donde esta agua, que contiene
iones de calcio y carbonato de hidrógeno, gotea en el mismo lugar durante
mucho tiempo. A medida que el agua de lluvia gotea, se da la reacción opuesta.
Los iones se convierten de nuevo en carbonato de calcio, agua y dióxido de
carbono, y se deposita piedra caliza. Finalmente, el continuo aumento de piedra
caliza en los goteos termina creando una gota de roca sólida en su imagen, con
resultados impresionantes.
El principio de Le Châtelier
En 1884, Henri Louis Le Châtelier propuso un principio que rige los equilibrios químicos: "Todo sistema en equilibrio
químico, bajo la influencia de un cambio en cada uno de los factores de equilibrio, sufre una transformación en una
dirección tal que, si esta transformación ocurriera de forma aislada, produciría un cambio en la dirección opuesta del
factor en cuestión". En otras palabras, cuando se produce un cambio en uno de los factores que influyen en el
equilibrio, el equilibrio se ajusta para minimizar el efecto del cambio.
La idea en síntesis:
statu quo
10 Termodinámica
La termodinámica es una forma de predecir el futuro de los
químicos. Basándose en algunas leyes fundamentales, pueden
calcular si algo reaccionará o no. Si es difícil entusiasmarse
con la termodinámica, piense que tiene mucho que decir
sobre el té y el fin del universo.
La termodinámica puede parecer algunos de esos viejos objetos espinosos de
los que nadie necesita saber nada hoy en día. Después de todo, se basa en leyes
científicas desarrolladas hace más de cien años. ¿Qué nos puede enseñar hoy la
termodinámica? Bueno, muchas cosas, en realidad. Los químicos están
utilizando la termodinámica para averiguar qué sucede en las células vivas
cuando se enfrían, por ejemplo, cuando los órganos humanos se empaquetan en
hielo antes de ser trasplantados. La termodinámica también está ayudando a los
químicos a predecir el comportamiento de ventas delíquidos que se utilizan
como disolventes en pilas de combustible, medicamentos y materiales de
vanguardia.
Las Leyes de la Termodinámica son tan fundamentales para el negocio de la
ciencia que siempre estamos encontrando nuevas formas de trabajar con ellas.
Sin las Leyes de la Termodinámica, sería difícil entender o predecir por qué
ocurre cualquier proceso o reacción química y sus características. O elimine la
posibilidad de que los procesos comunes puedan ocurrir de cualquier otra
manera loca, como que su taza de té se caliente cuanto más tiempo tarde en
beberla. Entonces, ¿cuáles son estas leyes indiscutibles?
No podemos crear o destruir la Primera Ley de la Termodinámica (ver página
32). En su forma más simple, afirma que la energía nunca puede ser creada o
destruida. Esto solo tiene sentido si recordamos lo que sabemos sobre las
conversiones de energía: la energía se puede convertir de una forma a otra; por
ejemplo, cuando la energía química en el tanque de combustible de su
automóvil se convierte en energía cinética (o energía de movimiento) después
de arrancar el motor. Es en este tipo de conversión de energía que las personas
que estudian termodinámica tienden a interesarse.
Los químicos pueden decir que la energía se "perdió" durante una reacción
química en particular, pero en realidad no se perdió. Simplemente fuimos a otro
lugar, generalmente a los alrededores, como el calor. En termodinámica, este
tipo de reacción de "pérdida de calor" se denomina exotérmica. Lo contrario,
una reacción que absorbe el calor de su entorno, se llama endotérmica.
Lo que importa es que no importa cuánta energía se transfiera entre los
materiales que forman parte de la reacción y sus circunstancias, la energía total
siempre sigue siendo la misma. De lo contrario, el principio de conservación de
la energía –la Primera Ley de la Termodinámica– no funcionaría.
La segunda ley destruye todo el Universo La Segunda Ley de la
Termodinámica es un poco más complicada de percibir, pero puede explicar
casi todo. Se ha utilizado para explicar el Big Bang y predecir el fin del Universo,
y, junto con la Primera Ley, nos dice por qué los intentos de construir una
máquina de movimiento perpetuo están condenados al fracaso. También nos
ayuda a entender por qué el té se enfría, en lugar de calentarse.
Sistemas y circunstancias
A los químicos les gusta ordenar cosas, de modo que cuando están haciendo sus cálculos termodinámicos, siempre se
aseguran de haber categorizado de lo que están hablando. La primera tarea es siempre identificar el sistema
específico o la reacción que están estudiando, y luego todo lo demás son las circunstancias. Una taza de té frío, por
ejemplo, debe considerarse como el té en sí y luego como todo lo demás que rodea el té: la taza, el soporte, el aire al
que se evapora el vapor, la mano que calienta en la taza caliente. De hecho, cuando se trata de reacciones químicas,
puede ser más difícil de lo que piensas averiguar dónde termina el sistema y dónde comienzan las circunstancias.
" No conocer la Segunda Ley de la Termodinámica es
como no haber leído nunca una obra de
Shakespeare. "
C. P. Snow
La parte difícil de la Segunda Ley es que se basa en un concepto difícil llamado
entropía. La entropía a menudo se describe como una medida del desorden:
cuanto más desordenado es algo, mayor es su entropía. Piense en ello como un
paquete de pretzels. Cuando los pretzels están seguros dentro del paquete, su
entropía es baja. Cuando abres el paquete con mucha impaciencia, los pretzels
explotan por todas partes y su entropía se vuelve mucho más alta. Lo mismo
sucede si descubre una botella de gas metano maloliente, en este caso, su nariz
podrá detectar el desorden que se está formando.
La Segunda Ley de la Termodinámica establece que la entropía siempre crece, o
al menos nunca disminuye. En otras palabras, las cosas tienden a volverse más
desordenadas. Esto se aplica a todo, incluido el Universo mismo, que
eventualmente caerá en completo desorden y expirará. El razonamiento para
esta predicción completamente aterradora es que, en esencia, las posibilidades
de que los pretzels sean desechadas son mucho mayores que las de que se
quedan en el paquete (ver "Entropía"). La Segunda Ley a veces se describe en
términos de calor, afirmando que el calor siempre fluye de los lugares más
calientes a los más fríos, por lo que su té siempre pierde calor en el medio
ambiente y se enfría.
Entropía
Lo que la entropía realmente mide es cuántos estados diferentes podría existir un sistema, dados algunos parámetros
clave. Podemos saber el tamaño del paquete de pretzels e incluso cuántos pretzels hay en él; sin embargo, si lo
agitamos hacia arriba y hacia abajo, no sabremos exactamente dónde estará cada pretzel cuando lo abramos. La
entropía nos dice cuántas maneras diferentes hay de arreglar los pretzels. Cuanto más grande sea el paquete, más
formas de acomodar los pretzels. En las reacciones químicas, con moléculas en lugar de pretzels, hay aún más
parámetros a considerar, como la temperatura y la presión.
Desde el punto de vista de un químico, sin embargo, la Segunda Ley es
importante para determinar lo que sucede en los procesos y reacciones
químicas. Una reacción sólo es termodinámicamente factible, o, en otras
palabras, sólo puede "ir" en una cierta dirección si la entropía aumenta en
general. Para calcular esto, el químico tiene que pensar no sólo en el cambio de
la entropía en el "sistema", que a menudo termina siendo mucho más
complicado que un paquete de pretzels o una taza de té, sino también en el
cambio de la entropía en las circunstancias (ver "Sistemas y Circunstancias",
página 43). Mientras no se viole la Segunda Ley, la reacción puede proceder, y si
no funciona, entonces el químico tendrá que averiguar qué se debe hacer para
que funcione.
¿Quién le teme a la Tercera Ley? La Tercera Ley de la Termodinámica es
menos conocida que las otras dos. Lo que ella dice, esencialmente, es que
cuando la temperatura de un cristal perfecto – y tiene que ser perfecto - alcanza
el cero absoluto, su entropía también debe ser cero. Y eso tal vez explique por
qué a menudo se olvida la Tercera Ley de la Termodinámica. Todo parece algo
abstracto, y se supone que es útil solo para personas capaces de enfriar las
cosas a cero absoluto (−273 °C) y que están trabajando con cristales y, además
de eso, cristales perfectos e ideales.
La idea en síntesis:
Cambio energético
11 Ácidos
¿Cómo se puede almacenar vinagre en una botella de vidrio,
verterlo sobre su ensalada y comerlo, mientras que el ácido
fluorantimónico se comería la botella en sí? Todo se reduce a
un pequeño átomo que se encuentra en todos los ácidos, desde
el ácido clorhídrico en el estómago hasta el más fuerte de los
superácidos.
Humphry Davy fue un humilde aprendiz de cirujano que se hizo famoso por
alentar a las personas bien vivas a inhalar gas hilarante. Nacido en Penzance,
Cornualles, con un inclinación literaria, Davy se hizo amigo de algunos de los
poetas románticos más renombrados del oeste de Inglaterra – Robert Southey y
Samuel Taylor Coleridge – pero fue en la química que hizo su carrera. Tomó un
trabajo como superintendente químico en Bristol, donde publicó el trabajo que
le garantizaría un puesto como conferenciante y, finalmente, un puesto de
profesor de química en la Royal Institution de Londres.
Las caricaturas del siglo 19 muestran a Davy entreteniendo a las audiencias en
sus conferencias con fuelle lleno de óxido nitroso – gas hilarante – aunque
propuso que el gas terapéutico se utilizara como anestésico. Fuera de sus
conferencias populares, Davy llevó a cabo un trabajo pionero en electroquímica
(ver página 94). Aunque no fue el primero en darse cuenta de que la electricidad
podía separar los compuestos en sus átomos componentes, hizo un buen uso de
la técnica al descubrir los elementos potasio y sodio. Además, probó una teoría
presentada por uno de los grandes nombres de la química, Antoine Lavoisier.
Lavoisier había muerto –en la guillotina– unos años antes, a manos de la
Revolución Francesa. Aunque se le recuerda por muchas ideas esclarecedoras,
como su sugerencia de que el agua está compuesta de oxígeno e hidrógeno, erró
en al menos una cosa: propuso que el oxígeno, el elemento que él mismo había
bautizado, era que daba acidez a los ácidos. Pero Davy sabía que no era así. Con
el uso de la electrólisis, separó el ácido muriático en sus elementos y vio que
sólo contenía hidrógeno y cloro. El ácido no contenía oxígeno. Encontrarás ácido
muriático en el estante de cualquier laboratorio de química, y es el mismo
ácido que, en tu estómago, ayuda en la digestión de los alimentos: el ácido
clorhídrico.
Mol
Los químicos tienen un curioso concepto de cantidad. No pocas veces, en lugar de simplemente pesarlo, quieren
saber exactamente cuántas partículas de esa cosa están presentes. Llaman a un cierto número de partículas – igual al
número de partículas en 12 g de carbono ordinario – un "mol". Así que un vaso de ácido etiquetado como 1M (1
molar) nos dice que hay 6,02 × 1023 de moléculas de ácido en cada litro. Por suerte no tienes que contar cada
partícula. Las sustancias reciben una "masa molar", el peso que equivale a un mol.
Hidrógeno, no oxígeno En 1810, Davy concluyó que el oxígeno no podía ser el
elemento que definió un ácido. Tuvo que pasar casi un siglo para que la primera
teoría del ácido verdaderamente moderna apareciera cortesía del químico
sueco Svante Arrhenius, quien eventualmente ganaría el Premio Nobel.
Arrhenius propuso que los ácidos eran sustancias que se disuelven en agua para
liberar hidrógeno, en forma de iones de hidrógeno cargados positivamente (H+).
También dijo que las sustancias alcalinas (ver "Bases", página 48) se disuelven
en agua liberando iones de hidróxido (OH–). Aunque la definición de bases de
Arrhenius fue revisada más tarde, su premisa central – que los ácidos son
donantes de hidrógeno – forma la base de nuestro conocimiento de los ácidos.
Ácidos débiles y ácidos fuertes Actualmente pensamos en los ácidos como
donantes de protones y las bases como receptores de protones. (Recuerde que,
en este contexto, un protón significa un átomo de hidrógeno que ha perdido su
electrón para formar un ion, por lo que esta teoría simplemente establece que
los ácidos dan iones de hidrógeno y que las bases los reciben). La fuerza de un
ácido es la medida de la capacidad de la molécula para donar sus protones. El
vinagre, o ácido etano (CH3COOH), que usted asperge en su ensalada es bastante
débil, porque en cualquier momento muchas de las moléculas todavía tendrán
sus protones unidos a ellos. Los protones se dividen constantemente y luego se
reúnen con la molécula principal, formando una mezcla en equilibrio (ver
página 38).
Voy a atacar la química como un tiburón. "
Samuel Taylor Coleridge, amigo poeta de Humphry Davy
Bases
En la escala de pH, la base se considera una sustancia con un pH superior a 7 – el punto medio de la escala, que
generalmente oscila entre 0 y 14 (aunque hay pHs negativos y otros por encima de 14). Una base disuelta en agua se
llama álcali.
Las sustancias alcalinas incluyen amoníaco y bicarbonato de sodio. Un estudio de 2009 realizado por investigadores
suecos encontró que las sustancias alcalinas, así como las sustancias ácidas como el jugo de fruta, pueden dañar los
dientes. Lo que hace que la lógica anticuada de cepillarlos con bicarbonato de sodio – para neutralizar los ácidos –
parezca algo anticuado. Debido a que la escala de pH funciona de manera logarítmica, cada aumento de un punto
aislado significa que una sustancia es diez veces más básica, y viceversa. Así, un pH base 14 es diez veces más básico
que uno de pH 13, y un ácido con pH 1 es diez veces más ácido que uno de pH 2.
El ácido clorhídrico de Davy (HCl), por otro lado, es realmente bueno donando
protones. Todo el ácido clorhídrico disuelto en agua se separa en iones de
hidrógeno e iones de cloro (Cl–) – en otras palabras, se ioniza por completo.
La fuerza de un ácido no tiene mucho que ver con su concentración. Si tenemos
exactamente el mismo número de moléculas de ácido disueltas en la misma
cantidad de agua, un ácido más fuerte, como el ácido clorhídrico, liberará una
mayor cantidad de sus protones que un ácido más débil; por lo tanto, usted
estará en una concentración más alta. Sin embargo, el ácido clorhídrico se puede
diluir en suficiente agua para que su acidez sea más pequeña que la del vinagre.
Los químicos miden la concentración de ácidos usando la escala de pH (ver
"Bases", arriba). Extrañamente, un pH más bajo significa una mayor
concentración de iones de hidrógeno – un ácido más concentrado se considera
más ácido y tiene un número de pH más bajo.
Superácidos Lo emocionante de los ácidos, como todo el mundo sabe, es que
puedes usarlos para disolver todo tipo de cosas: escritorios, verduras y, como se
popularizó en la serie de culto Breaking bad, un cadáver entero en una bañera.
La verdad, sin embargo, es que el ácido fluorhídrico (HF) no se quemaría
directamente a través del piso del baño o reduciría instantáneamente un cuerpo
de humus, como lo hizo en el programa de televisión, pero ciertamente le
dolería si lo sintió en su mano.
Si quieres un ácido realmente malo, puedes fabricarlo tomando ácido
fluorhídrico y haciéndolo reaccionar con algo llamado pentafluoruro de
antimonio. El ácido fluorosantimónico es tan ácido que va más allá del extremo
inferior de la escala de pH. Es tan violentamente corrosivo que tiene que ser
almacenado en teflón.
– un material muy resistente porque contiene algunos de los enlaces más
fuertes (enlace carbono-fluoruro) en toda la química. Este ácido se llama
"superácido".
Algunos superácidos corroen el vidrio. Extrañamente, sin embargo, los
superácidos carborán, que son algunos de los más potentes conocidos, se
pueden almacenar de forma segura en una botella de vidrio ordinaria. Esto se
debe a que no es la parte que Arrhenius identificó como ácida –el ion
hidrógeno– la que determina si un ácido es corrosivo. Es el otro componente. Es
el fluoruro sobrante en el ácido fluorhídrico que va a corroer el vidrio. En los
superácidos carborán, que son ácidos más fuertes, la parte sobrante es estable y
no reacciona.
La idea en síntesis:
Liberación de hidrógeno
12 Catalizadores
Algunas reacciones simplemente no ocurren sin ayuda.
Necesitan un pequeño empujón. Ciertos elementos y
compuestos pueden actuar como ayudantes para dar este
empuje, y se llaman catalizadores. En la industria, los
catalizadores son a menudo metales, y se utilizan para
conducir reacciones. Nuestro cuerpo también utiliza pequeñas
cantidades de metales – contenidos en moléculas llamadas
enzimas – para acelerar los procesos biológicos.
En febrero de 2011, los médicos del Hospital Prince Charles en Brisbane
examinaron a una mujer de 73 años con artritis que se quejaba de pérdida de
memoria, mareos, vómitos, dolores de cabeza, depresión y anorexia. Ningunos
de los síntomas aparecían ser relacionados con la artritis, o la prótesis de la
cadera que ella había hecho cinco años anterior. Después de algunas pruebas,
los médicos se dieron cuenta de que los niveles de cobalto de la mujer eran
altos. Resultó que la aleación de metal utilizada en su nueva cadera estaba
perdiendo cobalto, lo que resultó en sus síntomas neurológicos. El cobalto es un
metal tóxico. Causa urticaria en contacto con la piel y problemas respiratorios
cuando se inhala. En dosis altas, puede causar todo tipo de problemas. Pero en
realidad necesitamos cobalto para vivir. Al igual que otros metales de transición
(ver página 10), como el cobre y el zinc, es esencial para la acción de las enzimas
en el cuerpo. Su papel más crucial es en la vitamina B12, que se encuentra en la
carne y el pescado, y se utiliza para fortificar los cereales. El cobalto funciona
esencialmente como catalizador.
Ayuda ¿Qué es un "catalizador"? Probablemente hayas oído hablar de él en
relación con los convertidores catalíticos en los automóviles (ver "Fotocatálisis"
en la página 53), o en expresiones como "catalizador para la innovación".
Usted tiene una vaga idea de lo que significa desencadenar el comienzo de algo.
Pero para entender lo que realmente hace un catalizador químico, o una enzima
biológica (ver página 134), piense en ella como una partícula auxiliar. Si
realmente necesita pintar el techo, pero esto parece requerir demasiado
esfuerzo, puede abusar de la generosidad y las habilidades de un novio o un
compañero de piso para iniciar el proceso. Le dices que compre el tipo correcto
de pintura y rollo mientras trata de reunir energía para hacer que la pintura
suceda. Parece más fácil ahora que alguien está dando una mano.
Catalizador
El convertidor catalítico de un automóvil es la parte que elimina los contaminantes más peligrosos emitidos por las
fugas, o al menos los convierte en otros contaminantes menos dañinos. El rodio, un metal más raro que el oro, tiene
su principal aplicación en convertidores catalíticos. Ayuda a convertir los óxidos de nitrógeno en nitrógeno y agua. El
paladio se utiliza a menudo como catalizador para convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono. Así que
podemos obtener emisiones de dióxido de carbono, pero al menos no tendremos monóxido de carbono, que es
mucho más letal para las personas. En un convertidor catalítico, los reactivos son gases, por lo que, se dice, el
catalizador de rodio se encuentra en una etapa diferente (ver página 34) que los reactivos. Estos tipos de
catalizadores se denominan catalizadores heterogéneos. Cuando un catalizador está en la misma fase que los
reactivos, se denomina catalizador homogéneo.
El mismo tipo de cosas suceden en algunas reacciones químicas; simplemente
no pueden comenzar sin un poco de ayuda adicional. Al igual que su compañero
de piso que da una mano con la pintura, el catalizador hace que todo parezca
requerir menos esfuerzo. De hecho, el catalizador reduce la cantidad de energía
necesaria para iniciar una reacción: crea una nueva ruta para la reacción, de
modo que los reactivos no tienen ultrapas-Richard Schrock diseña catalizadores
metálicos eficientes para las reacciones de metatesis a una barrera de energía
tan grande. Como ventaja adicional, el catalizador no es consumido por la
reacción, por lo que puede ayudar muchas otras veces.
Sólo un poco en el cuerpo, los metales de transición son a menudo utilizados
por las vitaminas debido a sus propiedades catalizadoras. La vitamina B12 fue
durante mucho tiempo el misterioso factor que se adquirió al comer hígado – "el
factor hepático" – que podría curar la anemia en perros y personas. Ayudada
por el cobalto, esta vitamina cataliza una serie de reacciones diferentes que son
importantes en el metabolismo y la fabricación de glóbulos rojos en la sangre.
Su compleja estructura fue la primera, entre las metaloenzimas, en ser
descubierta por cristalografía de rayos X (ver página 90), en una serie de
análisis exhaustivos que le valieron a Dorothy Crowfoot Hodgkin el Premio
Nobel de Química en 1964. Otras enzimas que pueden transportar metales de
transición auxiliares incluyen la citocromo oxidasa, que utiliza cobre para
extraer energía de los alimentos en plantas y animales.
"El níquel parecía... poseen una notable capacidad
para hidrogenar el etileno sin... ser visiblemente
modificados, es decir, actuar como catalizador. "
Paul Sabatier, Premio Noble de Química, 1912
Solo se necesita la menor cantidad de cobalto para mantener los pocos
miligramos de vitamina B12 trabajando en su cuerpo. (Recuerde, se recicla).
Cualquier dosis más y usted comenzará a sentirse muy mal incluso. Cuando la
prótesis de la australiana fue reemplazada por partes de polietileno y cerámica,
comenzó a sentirse mejor en cuestión de semanas.
Duro y rápido Metales de transición no funcione como buenos catalizadores
solamente para las reacciones biológicas. Son buenos catalizadores, y punto. El
níquel, un metal de plata utilizado en la fabricación de monedas y piezas de
motor con alta eficiencia espectral, también puede impulsar reacciones que
hacen que las grasas se endurezcan, como la margarina. Estas reacciones de
hidrogenación añaden átomos de hidrógeno a moléculas que contienen
carbono, convirtiendo moléculas "insaturadas" (moléculas con enlaces
adicionales) en moléculas saturadas. Alrededor de la vuelta del siglo 20, el
químico francés Paul Sabatier se dio cuenta de que el níquel, el cobalto y el
hierro podrían ayudar a hidrogenar el acetileno insaturado (C2H2) formando
etano (C2H6). Comenzó a usar níquel, el más efectivo, para hidrogenar todo tipo
de compuestos que contienen carbono. Más tarde, en 1912, Sabatier ganó el
Premio Nobel por su trabajo en "hidrogenación en presencia de metales
finamente desintegrados". En ese momento, la industria alimentaria había
adoptado el níquel como catalizador para transformar el aceite vegetal líquido
en margarina endurecida. Crisco, una marca de grasa vegetal utilizada para
hornear, se convirtió en el primer producto que contiene grasa artificial.
El problema con el processo del níquel es que el catalizador produce también
grasas trans – contaminantes parcialmente hidrogenados, que son acusados de
causar problemas de salud, inclusive colesterol alto e infartos. A principoos de
la decada del 2000, los gobiernos comprendieron el problema y comenzaron a
comprobar la cantidad de grasas trans en los alimentos. El producto actual de
Crisco no contiene grasas trans.
Fotocatálisis
La fotocatálisis se refiere a las reacciones químicas que son dirigidas por la luz. La idea se ha empleado en ventanas
auto limpiables, que eliminan la suciedad con la luz solar. Un dispositivo aún más espacial es el fotocatalizador "gas
sclower" de la NASA, utilizado por los astronautas que plantan en el espacio para romper la sustancia química del
etileno, que causa la putrefacción.
No todos los catalizadores son metales de transición: numerosos elementos y
compuestos diferentes ayudan a acelerar las reacciones. Pero el Premio Nobel
de Química en 2005 fue otorgado debido a otro conjunto de reacciones dirigidas
por catalizadores metálicos: las reacciones de metástasis, que son importantes
en el desarrollo de fármacos y plásticos. Y el cobalto se está utilizando ahora en
química de vanguardia para extraer hidrógeno del agua (ver página 202), de
modo que pueda ser utilizado como combustible limpio.
La idea en síntesis:
Conductor de reacciones reutilizables
13 Redox
Muchas reacciones comunes son impulsadas por el intercambio
de electrones entre un tipo de molécula y otro. La roya y la
fotosíntesis en plantas verdes son ejemplos de este tipo de
reacción. Pero, ¿por qué las llamamos reacciones de "Redox"?
Aunque pueda parecer una secuencia de película de acción, la oxidorreducción
(redox) en realidad se refiere a un tipo de reacción, fundamental para la
química y varios procesos químicos en la naturaleza, como la fotosíntesis en las
plantas (ver página 150) y la digestión de los alimentos en las tripas. Es un
proceso que a menudo implica oxígeno, lo que puede explicar la parte "oxi" de la
oxidorreducción. Pero para entender realmente por qué estas reacciones se
llaman oxidorreducción, tenemos que pensar en las reacciones a lo que está
sucediendo con los electrones en ellas.
Gran parte de lo que sucede en las reacciones químicas se puede atribuir al
paradero de los electrones, las partículas cargadas negativamente que forman
nubes alrededor del núcleo de cada átomo. Ya sabemos que los electrones
pueden unirse a los átomos –pueden ser compartidos en enlaces que crean
compuestos químicos (ver página 22)– y cuando se pierden o adquieren
perturban el equilibrio de cargas, dando lugar a partículas cargadas positiva o
negativamente, también conocidas como iones.
Pérdida y ganancia Los productos químicos utilizan términos especiales para la
pérdida y ganancia de electrones. Cuando un átomo o molécula pierde
electrones, este proceso se denomina oxidación; si un átomo o molécula gana
electrones, se dice que sufre una reducción.
¿Por qué referirse a la pérdida de electrones como oxidación? ¿Es la oxidación,
de hecho, una reacción que involucra oxígeno? Bueno, a veces; y esto hace que
"oxidación" sea un término algo confuso. La roya, por ejemplo, es una reacción
entre el hierro, el oxígeno y el agua. Así que es una reacción de oxidación que
involucra oxígeno. Pero también proporciona un ejemplo para el otro tipo de
oxidación. Durante la reacción de oxidación, los átomos de hierro pierden
electrones, formando iones cargados positivamente. Iones de hierro. Así es
como los químicos mostrarían lo que sucede con el hierro (Fe) en esta reacción:
Fe → Fe2+ + 2e–
Estados de oxidación
Está bien decir que las reacciones de oxidorreducción implican transferencia de electrones, pero ¿cómo descubrimos a
dónde van los electrones y cuánto? Esto requiere saber algo sobre los estados de oxidación. Los estados de oxidación
nos revelan el número de electrones que un átomo puede ganar o perder al estar emparejado con otro átomo.
Comencemos con los compuestos iónicos: con los iones, la clave está en la carga. El estado de oxidación de un ion
hierro (Fe2+), en el que faltan dos electrones debido a la oxidación, es +2. Así que sabemos que está buscando otros
dos electrones. Fácil, ¿no es así? Es lo mismo para cualquier ion. En sal de cocina (NaCl), el estado de oxidación de Na
es +1, y el estado de oxidación de Cl es -1. ¿Qué pasa con los compuestos con unión covalente, como el agua? En agua,
es como si el átomo de oxígeno robara dos electrones de dos iones de hidrógeno separados para llenar su capa
externa, de modo que podemos considerar su estado de oxidación como –2. Muchos elementos de los metales de
transición, como el hierro, tienen diferentes estados de oxidación en diferentes compuestos, pero a menudo se puede
calcular hacia dónde van los electrones cuando conocen el estado de oxidación "normal" de un átomo. Esto es a
menudo (pero no siempre) definido por su posición en la Tabla Periódica.
ESTADOS COMUNES DE OXIDACIÓN
HIERRO (III), ALUMINIO
+3
HIERRO (II), CALCIO
+2
HIDROGENIO, SÓDIO, POTASIO
+1
ÁTOMOS INDIVIDUAIS (NO CARGADOS)
0
FLUOR Y CLORO
−1
OXIGENO AZUL
NITROGENO
−2
−3
"2e–" representa los dos electrones cargados negativamente que se pierden
cuando un átomo de hierro se oxida.
Estos dos significados de oxidación están realmente relacionados: el término
"oxidación" se expande para incluir reacciones que no involucran oxígeno.
Como arriba, los químicos describen un ion de hierro en cuanto al número de
electrones que perdió en comparación con su estado no sobrecargado. La
pérdida de dos electrones le da una carga positiva de 2+, con dos protones
cargados más positivamente, que los electrones cargados negativamente.
Hay más cosas que los marines deben hacer además
de eliminar el óxido. "
Matthew Koch, gerente del programa de prevención y control de la
roya del Cuerpo de Marines de los Estados Unidos
Reacción de dos mitades ¿Qué pasa con los electrones? No pueden
simplemente desaparecer. Para entender a dónde van, también debemos tener
en cuenta lo que está sucediendo con el oxígeno en este proceso de oxidación.
Mientras que el hierro está perdiendo electrones, el oxígeno está ganando
electrones (se está reduciendo) y uniéndose al hidrógeno para formar iones de
hidróxido (hidroxilos u OH–)
O2 + 2 H2O + 4e– → 4 OH–
Hay una reacción de oxidación y una reacción de reducción que ocurre
simultáneamente, y se pueden unir, así:
2 Fe + O2 + 2 H2O → 2Fe2+ + 4 OH+
Cuando la reducción y la oxidación ocurren al mismo tiempo, ¡hay
oxidorreducción! Las dos "mitades" de la reacción se conocen apropiadamente
como medias reacciones.
En caso de que te estés preguntando por qué todavía no tenemos óxido (óxido
de hierro), es porque los iones de hierro e hidroxilo todavía tienen que
reaccionar entre sí para formar iones de hidróxido (Fe(OH) 2),que luego
reacciona con agua y más oxígeno para hacer óxido de hierro hidratado (Fe2O3 ×
nH2O). La reacción de oxidorreducción antedicho es solamente parte de un
proceso más grande, de la oxidación de varias etapas.
¿Y qué? Saber cómo funciona el óxido es muy importante, de hecho, porque
cuesta miles de millones a industrias como la naviera y aeroespacial al año. La
Sociedad Americana de Ingenieros Navales organiza una conferencia anual,
llamada Mega Rust, para reunir a investigadores que trabajan en la prevención
de la corrosión.
Un ejemplo poderoso de oxidorreducción es lo que sucede en el Proceso Haber
(ver página 70), que es importante en la fabricación de fertilizantes o en una
simple batería. Si piensas en el hecho de que la corriente eléctrica de una
batería es una corriente de electrones, puedes imaginar de dónde vienen los
electrones. En una batería, fluyen de una "media celda" a otra: cada media celda
proporciona el entorno para una media reacción, con una liberando electrones
por oxidación y la otra aceptándolos por reducción. En el medio del flujo de
electrones se encuentra cualquier sistema que desee energizar.
Agentes oxidantes y reductores
En una reacción química, una molécula que arrastra electrones de otra molécula se llama agente oxidante – causa la
pérdida de electrones. Por lo tanto, tiene sentido que un agente reductor sea un donante de electrones: causa
reducción o ganancia de electrones. La lejía, el hipoclorito de sodio (NaOCl), es de hecho un potente agente oxidante.
Ella blanquea la ropa eliminando los electrones de los compuestos pigmentarios, cambiando su estructura y
destruyendo sus colores.
La idea en síntesis:
Dar y recibir electrones
14 Fermentación
Desde el vino neolítico hasta la col en escabeche, desde la
cerveza antigua hasta las delicias islandesas y la carne de
tiburón, la historia de la fermentación se entrelaza con la
historia de la producción de alimentos y bebidas humanas.
Pero como los arqueólogos han descubierto, hemos estado
explorando las reacciones de fermentación causadas por los
microbios desde antes de que supiéramos que los microbios
existían.
En 2000, Patrick McGovern, un graduado en química convertido en arqueólogo
molecular en la Universidad de Pensilvania, viajó a China para examinar
cerámica neolítica de 9.000 años de antigüedad. No le interesaba la cerámica en
sí, sino la escoria que se aferraba a ella. Durante los siguientes dos años, él y sus
compatriotas estadounidenses, chinos y alemanes sometieron a varias pruebas
fragmentos de cerámica de 16 frascos y recipientes de diversas bebidas
encontradas en la provincia de Henan. Cuando terminaron, publicaron sus
hallazgos en una importante revista científica, junto con descubrimientos de
líquidos fragantes que habían permanecido sellados durante 3.000 años dentro
de una tetera de bronce y jarra cubierta en dos tumbas diferentes.
La escoria proporcionó evidencia de la bebida fermentada más antigua
conocida, hecha de arroz, miel y frutas de árboles de espino, o uvas silvestres.
Hay similitudes entre las firmas químicas de los ingredientes y las del vino de
arroz moderno. En cuanto a los líquidos, el equipo los describió como "vinos" de
arroz o mijo filtrado, probablemente ayudados en el camino de la fermentación
por hongos que habrían roto el azúcar en el grano. Desde entonces, McGovern
ha afirmado que los antiguos egipcios habían estado elaborando cerveza
durante 18.000 años.
Prueba viviente La elaboración de cerveza es ciertamente una tradición
antigua, pero solo después del advenimiento de la ciencia moderna se ha
revelado cómo funciona este proceso. A mediados del siglo XIX, un pequeño
grupo de científicos formuló la "teoría de los gérmenes" de las enfermedades:
las enfermedades fueron causadas por microbios. Así como la mayoría de la
gente no creía que los organismos vivos causaran enfermedades, no se creía que
los organismos vivos tuvieran nada que ver con el proceso de fermentación
para la producción de alcohol. Aunque se habían utilizado durante años para
hacer cerveza y pan, e incluso estaban vinculados a reacciones que producían
alcohol, se consideraban ingredientes inertes, no organismos vivos. Pero Louis
Pasteur, el científico que inventó la vacuna contra la rabia y dio su nombre al
proceso de pasteurización, persistió en sus estudios sobre el vino y las
enfermedades.
"[La] levadura se añade a la bebida para que tenga
lugar; y pan para que se ensanche y crezca. "
Definición de levadura, Diccionario inglés, 1755
Con la invención de mejores microscopios, las visiones de la naturaleza de la
levadura habían comenzado a cambiar. Finalmente, el artículo de Pasteur de
1857 “Memoire sur la fermentation alcohol”, detalló sus experimentos sobre
levaduras y fermentación, y estableció firmemente que para que el alcohol se
hiciera por fermentación, las células de levadura tenían que estar vivas y
multiplicándose. Cincuenta años más tarde, Eduard Buchner ganó el Premio
Nobel de Química por descubrir el papel de las enzimas (ver página 134) en las
células, después de trabajar originalmente con enzimas que ordenan reacciones
productoras de alcohol en la levadura.
Burbuja y horneado La reacción que ahora asociamos con la fermentación es:
Azucar → (levadura) → etanol → dióxido de carbono
El azúcar alimenta la levadura, y las enzimas de la levadura actúan como
catalizadores naturales (ver página 50) que ordenen la conversión de azúcar de
frutas o granos en etanol –un tipo de alcohol (véase "Bebidas mortales" en la
página 60)– y dióxido de carbono. La misma especie de levadura (Saccharomyces
cerevisae), pero de una cepa diferente, se utiliza en la fabricación de cerveza.
Cada paquete que la cervecera añade a su mezcla contiene miles de millones de
células de levadura, pero también hay levaduras silvestres creciendo en granos y
frutas, incluyendo en la cáscara de manzana utilizada en la fabricación de sidra.
Algunos cerveceros tratan de cultivar estas cepas silvestres, mientras que otros
las evitan porque pueden producir sabores no deseados. Tanto la elaboración
de la cerveza como la elaboración del pan producen alcohol, pero durante la
fabricación del pan, el alcohol se evapora.
Es el producto secundario, el dióxido de carbono, el que le da la textura al pan:
las burbujas se quedan atascadas en la masa. Las burbujas, por supuesto,
también son la clave para una buena copa de champán. Cuando los enólogos
hacen vino espumoso, dejan escapar la mayoría de las burbujas, pero cerca del
final del proceso de fermentación, sellan las botellas y retienen las burbujas,
creando la presión que hará que el tapón salte. El dióxido de carbono retenido
en una botella de champán en realidad se disuelve en el líquido para formar
ácido carbónico. Es sólo cuando escapa en la efervescencia que se convierte en
dióxido de carbono de nuevo.
Bebidas mortales
Químicamente, un alcohol es una molécula que contiene un grupo OH. El etanol(C2H5OH) a menudo se considera
sinónimo de alcohol puro, pero hay muchos otros alcoholes. El metanol (CH 3OH) es el más simple, conteniendo un
solo átomo de carbono. También se conoce como "alcohol de madera" porque se puede producir calentando la
madera en ausencia de aire. El metanol es en realidad mucho más tóxico que el etanol y puede causar la muerte por
envenenamiento cuando se consume accidentalmente en bebidas alcohólicas. No hay una manera fácil de que sea
detectado por el consumidor, pero generalmente se produce en cantidades muy pequeñas en procesos de elaboración
de cerveza comerciales. La cerveza casera o las bebidas alcohólicas clandestinas son más peligrosas en este lugar. El
producto químico mata porque, cuando entra en el cuerpo, se transforma en ácido metanoico – o ácido fórmico – un
producto químico más comúnmente asociado con productos descamados o mordeduras de hormigas. En 2013, tres
australianos murieron de envenenamiento por metanol después de beber grapa casera. Irónicamente, una forma de
tratar el envenenamiento por metanol es beber etanol.
Alcohol y ácido No se equivoquen pensando que la fermentación solo ocurre
en la cerveza y el pan, o solo con levaduras (ver "Bacterias del ácido láctico",
derecha). Antes del refrigerador, la fermentación era una forma útil de
preservar el pescado. En Islandia, la carne de tiburón seca y fermentada,
conocida como kaestur hákarl, sigue siendo un manjar. Y también es famosa por
tener al famoso chef Gordon Ramsay ahogó. Aunque la fermentación a menudo
equivale a convertir el azúcar en alcohol, también puede significar convertirlo
en ácido. El chucrut que generalmente se come en Alemania y Rusia es un
producto fermentado: la col ha sido fermentada por bacterias y preservada por
conservación en el ácido que producen.
En los últimos años, los alimentos fermentados se han asociado con numerosos
beneficios para la salud. Los estudios han relacionado los productos lácteos
fermentados con la reducción del riesgo de enfermedades cardíacas, accidentes
cerebrovasculares, diabetes y muerte. Se cree que los microbios vivos en
productos fermentados benefician a las comunidades de bacterias que viven en
nuestros intestinos. Oficialmente, sin embargo, las pautas de salud son más
cautelosas, y tal vez con razón, porque todavía tenemos mucho que aprender
sobre el papel de las bacterias en nuestros intestinos.
Así que, si bien los alimentos saludables de hoy en día están muy lejos de hace
9.000 años, tienen algo en común: los microbios vivos involucrados en la
realización de las reacciones químicas que crean el producto final que nos da
agua (o induce el atragantamiento).
Bacterias del ácido láctico
En el yogur y el queso, las bacterias convierten el azúcar de la leche (lactosa) en ácido láctico. Las bacterias
responsables de esta transformación se conocen como bacterias del ácido láctico, y se han utilizado durante milenios
para fermentar nuestros alimentos. Una transformación similar ocurre en los músculos cuando metabolizan el azúcar
libre de oxígeno. La acumulación de ácido láctico produce la dolorosa sensación de ardor en los músculos cuando
hacemos ejercicios.
La idea en síntesis:
La reacción del pan y la bebida alcohólica
15 Craqueo
Hubo un tiempo en que el aceite solo servía para ser quemado
en viejos bulbos viejos fuera de moda. Ha sido un largo
camino desde entonces, y todo se debe al agrietamiento, el
proceso químico que sofoca el petróleo crudo en muchos
productos útiles y llena (y contamina) nuestro mundo
moderno, desde el petróleo hasta las bolsas de plástico.
Es gracioso pensar que nuestros coches obtienen energía de cosas muertas. El
petróleo, o gasolina, se compone básicamente de plantas y animales
prehistóricos que han sido triturados bajo las rocas durante millones de años
para producir petróleo, y luego sacados por perforación y transformados en
algo que podemos quemar para convertir en energía. La parte de este proceso
que puede parecer un poco misteriosa para aquellos que no están
familiarizados con la industria petrolera es el "convertido en algo".
El truco químico que convierte lo muerto que extraemos de debajo de las rocas
– petróleo crudo – en productos útiles se llama agrietamiento. Eso es mucho
más que combustible. Muchas de las cosas que usamos a diario son, de hecho,
productos de agrietamiento. Los artículos hechos de plástico (véase la página
162), por ejemplo, probablemente comenzaron en una refinería de petróleo.
Un mundo antes del agrietamiento En el siglo XIX, antes de que se inventara
el agrietamiento, el queroseno (ver "Jet fuel", página 64) era uno de los únicos
productos petrolíferos útiles. Las lámparas de queroseno eran la nueva y
elegante forma de iluminar las casas, aunque provocara numerosos incendios.
El combustible en sí se obtuvo destilando el aceite, calentado a una temperatura
específica y luego se esperaba que la fracción de queroseno hervirá y se
condense. La gasolina estaba entre las fracciones que se evaporaban con la
ebullición muy fácilmente, y a menudo se arrojaba a los ríos cercanos porque las
refinerías no sabían qué hacer con ella. Las innumerables posibilidades del
crudo permanecerían ocultas, pero no por mucho tiempo.
En 1855, un profesor de química estadounidense, Benjamin Silliman, que
siempre pidió una opinión sobre temas de minería y mineralogía, dio un
informe sobre el "petróleo de piedra" del condado de Venango, Pensilvania.
Algunas de las observaciones que hizo en su documento parecían profetizar el
futuro de la industria petroquímica. Silliman señaló que cuando se calentaba, el
aceite de piedra pesada se evaporaba lentamente en cuestión de días,
produciendo una sucesión de fracciones más ligeras que, según dijo, podrían
resultar útiles. Más tarde, un editor de American Chemist comentó que el
profesor había "anticipado y descrito la mayoría de los métodos que se han
adoptado desde entonces" en la industria petroquímica.
"... hay mucho espacio para apoyar la creencia de
que su empresa tiene una materia prima a partir de
la cual, a través de procesos simples y no costosos,
puede fabricar productos muy valiosos. "
Benjamin Silliman, en un informe a su cliente
¿Qué es el crack? Hoy, las fracciones más ligeras, como la gasolina –las que las
refinerías arrojaban a los ríos– son las que más valen. Lo que realmente
convirtió el aceite de roca en un gran problema fue la invención del
agrietamiento, primero, el agrietamiento térmico; a continuación, un nuevo
proceso de vapor y, por último, el desarrollo de un craqueo catalítico moderno,
impulsado por catalizadores sintéticos (véase la página 50).
Aunque los orígenes del agrietamiento no están del todo claros, las patentes
para el proceso de craqueo térmico se concedieron en Rusia en 1891 y en los
Estados Unidos en 1912. El término "agrietamiento" es casi una descripción
literal de lo que sucede en el proceso químico que representa: cadenas más
largas de hidrocarburos que se rompen en moléculas más pequeñas. El proceso
de craqueo permite que los productos recogidos de la destilación directa se
adapten a los requisitos del refinador. Aunque es posible obtener gasolina –
compuesta por moléculas con 5 a 10 átomos de carbono– simplemente
destilando aceite, con el agrietamiento podemos producir una mayor cantidad
de esta gasolina. La fracción de queroseno, por ejemplo, que contiene moléculas
con 12-16 átomos de carbono, se puede agrietar para producir más gasolina.
Los primeros procesos de craqueo produjeron una gran cantidad de coca, un
residuo de carbono que tenía que ser eliminado cada dos días. Cuando se
inventó el craqueo a vapor, la adición de agua representaba la coca, pero los
productos no coincidieron exactamente con la calidad requerida para que un
motor de aceite funcionara sin problemas. Este avance vino con la percepción
de que la división del petróleo en sus diversos productos podría intensificarse
mediante un catalizador. Inicialmente, los químicos utilizaron minerales de
arcilla llamados zeolitas, que contenían sílice y aluminio, hasta que
descubrieron cómo hacer versiones artificiales de estos minerales naturales en
el laboratorio.
Combustible para aviones
El queroseno, o parafina, es el aceite fino utilizado para encender las lámparas viejas. En algunas partes del
mundo, todavía se emplea en iluminación y calefacción, pero uno de sus usos modernos más importantes
es en el combustible para aviones. Los componentes del queroseno son moléculas de hidrocarburos que
contienen 12-16 átomos de carbono, lo que lo hace más pesado que la gasolina, menos volátil y menos
inflamable. Por eso es más seguro quemarlo en casa. No es un compuesto único, sino una mezcla de
diferentes compuestos de hidrocarburos de cadenas normales y estructura de anillo que hierven más o
menos a la misma temperatura. El queroseno se separa del petróleo crudo por destilación y agrietamiento,
al igual que la gasolina, pero comparativamente, las fracciones de gasolina hierven y se recogen a una
temperatura más baja. En 2014, los químicos anunciaron que fabricaban combustible para aviones –
queroseno– a partir de dióxido de carbono y agua, utilizando luz solar concentrada.
La luz solar
calentaba el dióxido de carbono y el agua para producir gas de síntesis (hidrógeno y monóxido de
carbono), que convertía en combustible a través de una ruta química bien conocida, llamada proceso
Fischer-Tropsch (ver "Combustibles sintéticos", en las páginas 66 y 202).
Fluido bombardero En el craqueo a vapor, los hidrocarburos a menudo
comienzan con enlaces simples y se rompen en moléculas más pequeñas que
contienen enlaces dobles. Esto proporciona que se puede utilizar para formar
nuevos compuestos químicos. Sin embargo, con el craqueo catalítico, los
hidrocarburos no solo se rompen, sino que se reorganizan, presentando
ramificaciones. Los hidrocarburos ramificados son los mejores combustibles
porque, en un motor de combustión, muchas moléculas normales hacen que el
combustible "golpee" el motor, lo que significa que no funcionará sin
problemas.
Poco antes de la Segunda Guerra Mundial, la primera estrella catalítica fue
construida en Marcus Hook, Pensilvania, dando a los Aliados acceso a
combustibles que la Luftwaffe alemana no tenía. Los 41 millones de barriles de
combustible superior procesados en la instalación supuestamente mejoraron la
maniobrabilidad de los aviones de combate aliados, dándoles una ventaja en el
aire.
Si bien el proceso catalítico da como resultado excelentes combustibles,
también es la clave de la industria química, ya que produce muchas de las
estructuras básicas que se utilizan para construir productos químicos de
importancia mundial, como el polietileno. Si el petróleo se agota, vamos a tener
que encontrar formas alternativas de generar estos productos. Los productores
ya están recurriendo a las plantas vivas –en lugar de a las que han muerto hace
mucho tiempo– para fabricar productos químicos. Una empresa alemana vende
pintura hecha de resina, una planta aromática utilizada en perfumes.
La torre de Shúyov
En la calle Shabolovka de Moscú hay una torre de radio de 160 metros de altura con un intrincado diseño diseñado y
construido por Vladimir Shukhov en la década de 1920. Shukhov fue una persona extraordinaria, construyendo el
primer y segundo oleoductos de Rusia, además de dar una mano en el proyecto de suministro de agua de Moscú.
Tiene el crédito de una patente inicial para el agrietamiento térmico, requerida antes de que el proceso fuera
patentado por los grandes rivales de los rusos, los estadounidenses. En 2014, la Torre Shukhov escapó por poco de la
demolición.
La idea en síntesis:
Hacer que el aceite funcione para nosotros
16 Síntesis química
¿Cuántos productos usas todos los días en tu hogar que
contienen compuestos sintéticos hechos por el hombre?
Incluso si te das cuenta de que los remedios y aditivos
presentes en muchos de los alimentos que consumimos son
productos de la industria química, es posible que no hayas
pensado en la elasticidad de tu ropa interior o en la tapicería
de tu sofá.
Piensa en todo lo que estás usando ahora. ¿Tienes alguna idea de qué está hecha
tu camisa o ropa interior? Examine las etiquetas: ¿Qué es la viscosa? ¿De dónde
viene el elastano? Ahora revise su gabinete de baño. ¿Cuáles son los
componentes de su pasta de dientes? ¿Su champú? ¿Y qué pasa con el
propilenglicol? Esto se vuelve aún más desconcertante cuando comienzas a
abrir gabinetes de cocina, retiras cajas de medicamentos (ver página 178) y
estudias los ingredientes en la parte posterior de un paquete de goma.
Es increíble pensar que muchos de los productos químicos que componen
nuestra ropa, alimentos, productos de limpieza y remedios han sido
desarrollados por los químicos sólo en el siglo pasado. Estos productos
químicos sintéticos se inventaron en un laboratorio y ahora se fabrican a escala
industrial.
La viscosa natural versus sintética, el rayón, fue la primera fibra sintética
producida por productos químicos. Sus fibras forman un tejido suave, similar al
algodón, que absorbe fácilmente el teñido, por no hablar del sudor. Un proceso
inicial para fabricarlo fue inventado a finales del siglo XIX. La celulosa proviene
de la madera triturada, a la que se aplican varios procesos químicos y físicos
que la transforman en migas de celulosa amarilla, xantato. El xantato se
descompone por el ácido durante la fabricación de la viscosa, dejando fibras
como las del algodón natural, que es celulosa casi pura. La viscosa y el algodón
a menudo se combinan en telas.
"Soy sólo un tipo que usa spandex y gira a la
izquierda muy rápidamente "
Olivier Jean, ganador de la medalla de oro olímpica en patines de
velocidad
Cualquier proceso que implique el uso de reacciones químicas para fabricar
algún producto específico y útil puede llamarse síntesis química. Los productos
naturales, como la celulosa, también se fabrican por reacciones químicas –en
este caso, utilizadas por las plantas–, pero los químicos tienden a pensar en
ellos como productos de biosíntesis (véase la página 146).
Combustibles sintéticos
La síntesis de Fischer-Tropsch es un proceso para la fabricación de combustible sintético a partir de diversas
reacciones de hidrógeno y monóxido de carbono. Los dos gases (conocidos juntos como "gas de síntesis") son
generalmente producidos por la transformación del carbón en un gas. Esto permite crear los combustibles líquidos
que normalmente asociaríamos con el petróleo (ver página 158) sin depender del petróleo. En Sudáfrica, Sasol ha
estado produciendo "combustibles sintéticos" a partir de carbón durante décadas.
A veces, los productos químicos fabricados sintéticamente son en realidad
copias de compuestos producidos en la naturaleza. En tales casos, el problema
más común es abaratar el producto o fabricarlo en grandes cantidades, en lugar
de crear algo que funcione mejor que el producto natural. Después de todo, la
naturaleza en general hace un buen trabajo. Por ejemplo, la base del compuesto
químico en el medicamento contra la gripe, Tamiflu, es el ácido shikimico,
producido en las semillas de la planta de la que obtenemos una especia china, el
anís estrellado. Pero como el suministro de anís estrellado es limitado, hay un
esfuerzo continuo por parte de los químicos para elaborar la droga desde cero.
Se han reportado varios métodos diferentes, pero cada uno necesita ser
evaluado en comparación con el costo de extraer los ingredientes iniciales de las
semillas.
La máquina de síntesis
Imagínense si los químicos no tuvieran que pasar por el complicado proceso de diseñar una serie de reacciones para
fabricar la molécula que desean. Imagínese si pudieran simplemente conectar la identidad de esta molécula en una
máquina que decidiría la mejor manera de realizar la reacción, luego seguir adelante y fabricarla. Qué revolución sería
esto para la planificación de medicamentos y nuevos materiales. Para el ADN, al menos, esta máquina ya existe. Las
máquinas de síntesis de ADN pueden producir extensiones cortas de ADN de cualquier secuencia deseada. Por
supuesto, hacer lo mismo para cualquier molécula presentará un desafío mayor, especialmente en términos de
potencia computacional. Una máquina de síntesis tendrá que planificar sus rutas sintéticas basadas en escaneos de
millones de reacciones diferentes a la velocidad del rayo, y comparar miles de millones de caminos posibles. A pesar
del escepticismo, se están haciendo serios esfuerzos. Por ejemplo, un equipo de investigadores británicos que
trabajaban en el proyecto "Dial-A-Molecule" asumió el gran desafío de hacer que la síntesis de cualquier molécula
fuera "tan fácil como un número de diagnóstico". Otro proyecto estadounidense ha construido un "Google químico"
que conoce 86.000 reglas químicas y utiliza algoritmos para encontrar la mejor ruta sintética.
Pantalones elásticos Otros productos sintéticos no tienen nada que ver con la
naturaleza. De hecho, sus propiedades "antinaturales" son exactamente lo que
los hace útiles para nosotros. Elastano es un gran ejemplo. Usted puede llegar a
conocerlo hoy en día como Lycra o spandex – el tejido elástico que se adhiere a
la piel, amado por los ciclistas. El gigante de la ropa Gap mezcla spandex y nylon
para hacer piezas de yoga, mientras que Under Armour StudioLux es una
combinación de spandex y poliéster. Hoy en día, no estamos impresionados con
todas estas fibras de nombre extravagante, pero la afluencia de spandex en el
mercado de la ropa en la década de 1960 fue una revolución.
Al igual que las moléculas de celulosa en las fibras de algodón, las moléculas de
cadena larga en spandex son polímeros que contienen los mismos bloques
químicos repetidos continuamente. La fabricación de bloques de construcción
de poliuretano requiere un conjunto de reacciones químicas, mientras que su
unión requiere otro. Tal vez por eso los científicos de Du-Pont tardaron unas
décadas en idear un proceso de fabricación viable. A diferencia de la fibra de
algodón, la "fibra K" resultante, como se la llamó inicialmente, tenía algunas
propiedades sorprendentes y valiosas. Las fibras de spandex pueden expandirse
hasta seis veces su longitud inicial y volver a la forma de origen. Son más
duraderos y soportan mayor tensión que el caucho natural. DuPont obtuvo un
producto de gran éxito, y las prendas de compresión de las damas de repente se
volvieron mucho más cómodas.
Columna vertebral de los productos químicos Ahora piensa de nuevo en tu
guardarropa, en tu gabinete en el baño y en sus gabinetes de cocina. Piense en
cuántos otros productos compran que contienen materiales o ingredientes que son el
resultado de años o décadas de investigación incansable realizada por químicos. El
número de reacciones químicas necesarias para llenar su casa de cosas es
impresionante.
Muchos productos de síntesis química se basan en el agrietamiento por aceite
(véase la página 62) como fuente fiable de productos químicos útiles. Si todavía
te estás preguntando qué es el polipropilenglicol, es el ingrediente contenido en
el champú que ayuda a que tu cabello absorba la humedad para mantenerse
suave, y está hecho con óxido de propileno, creado por una reacción entre el
producto químico que agrieta el propileno con el cloro. El óxido de propileno
también se utiliza en la fabricación de anticongelante y espuma para muebles y
colchones. Así que, si bien es posible que nunca haya oído hablar de él, la
demanda anual mundial de óxido de propileno es superior a 6 millones de
toneladas, no porque sea especialmente útil en sí mismo, sino porque es posible,
a través de la síntesis química, usarlo para hacer que numerosos productos sean
diferentes de la vida cotidiana.
Del mismo modo, muchos otros compuestos forman los huesos químicos a los
que se añade la carne de cada producto industrial. Desde los medicamentos
hasta los pigmentos, desde los plásticos hasta los pesticidas, desde los jabones
hasta los disolventes, solo por nombrar un producto, la industria química
probablemente esté presente en su fabricación.
La idea en síntesis:
Fabricación de productos químicos útiles
17 El proceso de Haber
El descubrimiento de un proceso barato para hacer amoníaco,
por Fritz Haber, fue uno de los avances más significativos del
siglo 20.
Henri Louis era hijo del ingeniero Louis Le Châtelier. Su padre, que estaba
interesado en los trenes de vapor y la producción de acero, invitó a muchos
científicos prominentes a su casa. Cuando era un niño pequeño que crecía en
París en la década de 1850, Henri Louis fue presentado a muchos químicos
franceses famosos. Debió sufrir alguna influencia de ellos, porque se propuso
convertirse en uno de los químicos más famosos de todos los tiempos, dando su
nombre a una ley maestra de la química, conocida como el Principio de Le
Châtelier (ver página 41).
El Principio de Le Châtelier describe lo que sucede en las reacciones reversibles.
Irónicamente, sin embargo, al tratar de realizar una de las reacciones
reversibles más importantes del planeta (ver "La reacción a la fabricación de
amoníaco", en la página 71), Le Châtelier hizo un desliz. Fracasó en el
experimento que le permitiría crear la sustancia que ahora está en el centro de
dos industrias globales: fertilizantes y armamentos.
Guerra de nitratos A veces los fertilizantes se describen como que contienen
"nitrógeno reactivo" porque el nitrógeno está en una forma en la que puede ser
absorbido por plantas y animales para su uso en la fabricación de proteínas.
Esto contrasta con todo el nitrógeno inerte (N 2) que flota en la atmósfera de la
Tierra. Pero a principios del siglo 20 el mundo había reconocido el potencial del
nitrógeno reactivo para los fertilizantes, y comenzó a importar el mineral salitre
natural, o nitrato de sodio o potasio (NaNO3 / KNO 3), de América del Sur para
aumentar la producción de cultivos. Se produjo una guerra por las tierras ricas
en nitrógeno, que fue ganada por Chile.
Mientras tanto, en Europa, había una necesidad urgente de asegurar una fuente
abundante de amoníaco en el suelo local. La transformación de N 2 común en
formas reactivas como el amoníaco (NH3)– "fijación" de nitrógeno –, requería
mucha energía y era un proceso costoso. En Francia, Le Châtelier abordó el
problema tomando sus dos componentes –nitrógeno e hidrógeno– y
haciéndolos reaccionar a alta presión. Ese experimento explotó y escapó por
poco matando a su asistente.
La reacción a la fabricación de amoníaco
La reacción reversible para hacer amoníaco es:
N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3
Se trata de una reacción de oxidorreducción (véase "Oxidorreducción", página 54). Además, es una reacción
exotérmica, lo que significa que pierde energía en su entorno y no necesita mucho calor para proceder. Puede
continuar muy alegremente a bajas temperaturas. Sin embargo, la producción de cantidades industriales de amoníaco
requiere calor. Aunque una temperatura más alta empuja la balanza (ver "Balance", página 38) ligeramente hacia la
izquierda, favoreciendo el nitrógeno y el hidrógeno, la reacción avanza mucho más rápido, lo que significa que se
puede fabricar más amoníaco en menos tiempo.
Algún tiempo después, Le Châtelier descubrió que esta disposición había
permitido que el oxígeno del aire entrara en la mezcla. Había estado muy cerca
de sintetizar amoníaco, pero es el nombre de un científico alemán, Fritz Haber, a
quien ahora asociamos con la reacción a la fabricación de amoníaco. Al
comienzo de la Primera Guerra Mundial, el amoníaco se había vuelto
importante por otra razón: podía usarse para fabricar explosivos de
nitroglicerina y trinitrotolueno (TNT). El amoníaco que Europa necesitaba como
fertilizante pronto fue consumido por el esfuerzo de guerra.
El Proceso haber si no fuera por la explosión casi mortal, Le Châtelier nunca
podría haber abandonado su trabajo con amoníaco. El Proceso haber - como se
le conoció - llegó a hacer uso de las teorías de la
le Châtelier sí mismo. La reacción importante en la síntesis de amoníaco forma
un equilibrio entre los dos reactivos (nitrógeno e hidrógeno) y el producto
(amoníaco). Según lo dispuesto en el Principio de Le Châtelier, la eliminación de
parte del producto altera el statu quo y alienta al equilibrio a trabajar para
restablecerse. Por lo tanto, en el Proceso Haber el amoníaco se elimina
constantemente para estimular aún más la producción de amoníaco.
Nitrogeno naturalmente fijado
La sal es un mineral naturral que contiene nitrógeno en forma reactiva o “fija”. Antes del
advenimiento del Proceso haber, otra fuente principal de nitrógeno reactivo era el guano
peruano, excremento recolectado de aves marinas que anidaban en la costa de Perú. A finales
del siglo 19, Europa importaba productos de salitre y guano como fertilizantes. Hay otras
maneras de fijar el nitrógeno. Los rayos convierten pequeñas cantidades de nitrógeno en
amoníaco. Los procesos iniciales para hacer amoníaco imitaban este proceso usando
electricidad, pero eran demasiado caros. Ciertas bacterias que viven en nódulos de plantas
leguminosas como tréboles, guisantes y frijoles también fijan nitrógeno. Por esta razón, los
agricultores a menudo practican la rotación de cultivos para replantar nutrientes eliminados
del suelo y hacerlo más fértil para el cultivo del próximo año. La plantación de trébol amarillo
(Melilotus officinalis) les da un "crédito de nitrógeno", lo que significa que no necesitarán
aplicar tanto fertilizante al año siguiente.
Haber utilizó un catalizador de óxido de hierro para acelerar su reacción. Aquí
está claro de nuevo que Le Châtelier no estaba lejos de la marca. En un libro
publicado en 1936, escribió que intentó usar hierro metálico. Haber también se
inspiró en el trabajo del teórico de la termodinámica Walther Nernst, que ya
había producido amoníaco en 1907. Pero Haber es quien sería recompensado
por sus esfuerzos. Después de obtener las primeras gotas de amoníaco de su
experiencia en el banco en 1909, su colega Carl Bosch ayudó a comercializar el
proceso (a veces conocido como el Proceso Haber-Bosch). Aproximadamente
una década más tarde, Haber ganaría el Premio Nobel de Química, pero esto se
convertiría en una decisión controvertida.
Se dice que el nitrógeno utilizado para fabricar fertilizantes ha duplicado la
producción de cultivos. En el siglo que sucedió tras el descubrimiento de Haber,
hasta cuatro mil millones de personas fueron alimentadas con productos
cultivados de acuerdo con la forma más eficiente y barata de fabricar amoníaco,
recibido con "pan del aire". Pero a pesar de que Le Châtelier pudo haber
deseado desesperadamente que la síntesis de amoníaco hubiera sido su
descubrimiento, al menos logró preservar su reputación. Hubo más de 100
millones de muertes en conflictos armados durante el siglo XX, y el Proceso
haber tuvo un interés en la mayoría de ellos.
"Dejé que el descubrimiento de la síntesis de
amoníaco se me escapara de las manos. Fue el
mayor fiasco de mi carrera científica. "
Henri Louis Le Châtelier
Haber no se hizo precisamente un favor. Debutó un ataque con gas cloro que
mató a miles de soldados franceses en Ypres en abril de 1915. Su esposa, que le
rogó que renunciara a su trabajo de armas químicas, se disparó unos días
después. Puede que Haber haya ganado un Premio Nobel, pero no se le recuerda
con mucho cariño. Le Châtelier, por su parte, es recordado por sus más nobles
esfuerzos por explicar los principios que regulan el equilibrio químico.
El amoníaco todavía se produce en grandes cantidades. En 2012, se fabricaron
más de 16 mil millones de kilos solo en los Estados Unidos. Los científicos
todavía están trabajando para comprender el impacto de todo este nitrógeno
reactivo que fluye de las granjas a los ríos y lagos.
La idea en síntesis:
Química que determina la vida y la muerte
18 Quiralidad
Dos moléculas pueden parecer casi idénticas, pero se
comportan de manera absolutamente diferente. Esta curiosa
peculiaridad de la química se atribuye a la quiralidad: la idea
de que algunas moléculas tienen imagen especular, o versiones
zurdas y diestras. Esto implica que para cada quiral químico
hay una versión que funciona como debería y otra que funciona
de manera completamente diferente.
Junta tus manos como si estuvieras orando, por no decir una oración, sino para
que puedas apreciar su asimetría. Su mano izquierda es la imagen especular de
su mano derecha – usted puede pensar que son exactamente los mismos, pero
en realidad son opuestos. No importa lo mucho que lo intentes, no puedes
arreglar tu mano izquierda para que se quede estrictamente como la derecha.
Incluso si la medicina moderna pudiera realizar trasplantes de manos perfectos,
no podría cambiarlos y hacer que funcionen de la misma manera.
Algunas moléculas son como las manos. Tienen versiones especulares que no se
pueden superponer. Todos los mismos átomos están presentes y,
superficialmente, la estructura se ve igual. Pero una versión es un reflejo de la
otra. El término técnico para estas versiones zurdas y diestras es enantiómeros.
Cualquier molécula que tenga enantiómeros se llama quiral.
Cualquier zurdo que haya intentado usar un par de tijeras diestras puede
hacerse una idea de la importancia de este hecho. La diferencia entre dos
enantiómeros de una molécula puede ser la diferencia entre un producto
químico que realiza la tarea para la que fue destinado... y no ejecutarlo. Los
combustibles, pesticidas, medicamentos e incluso proteínas en su cuerpo son
moléculas quirales.
Buenas versiones y malas versiones Hay toda una rama de la química
dedicada al desarrollo de productos químicos quirales que tienen la
"orientación" correcta.
Esencialmente, el objetivo de producir un producto químico comercial es
producirlo en cantidad suficiente para obtener un beneficio. Así que si las
reacciones a un nuevo fármaco, por ejemplo, resultan en una mezcla de
moléculas zurdas y diestras, pero solo funciona la versión zurda, la reacción se
puede optimizar aún más.
Más de la mitad de los medicamentos que fabricamos hoy en día son
compuestos quirales. Aunque muchos se producen y venden como mezclas que
contienen los dos enantiómeros, uno de los enantiómeros en general funciona
mejor. Los betabloqueantes, que se utilizan para tratar la presión arterial alta y
los problemas cardíacos, son un gran ejemplo. En algunos casos, sin embargo, el
enantiómero "incorrecto" puede ser dañino.
Mezclas racémicas
Las mezclas hechas de moléculas zurdas y diestras en cantidades más o menos iguales se llaman mezclas racémicas. A
veces estas mezclas se llaman "racemización". Así que cuando algunas de las moléculas de la talidomida de la droga
cambian de su único enantiómero para formar una mezcla, se dice que son "racemizados".
No puede haber un ejemplo más impactante de un enantiómero "malo" que la
talidomida, una droga notoria por su efecto en los bebés en el útero. El
medicamento, recetado como sedante cuando se lanzó en la década de 1950,
pronto se entregó a las mujeres embarazadas para ayudarlas a sobrellevar las
náuseas matutinas. Desafortunadamente, su versión especular era un
compuesto que causó defectos en el feto. Se estima que más de 10.000 bebés
nacieron con discapacidad debido a los efectos de la talidomida. Incluso hoy en
día hay batallas legales entre los fabricantes de medicamentos y los
consumidores.
Creación de imágenes en espejo Los intentos de hacer talidomida que
contiene solo la versión buena fallaron, ya que es capaz de cambiar entre
enantiómeros dentro del cuerpo (ver "Mezclas racémicas", arriba), lo que
resulta en una mezcla de versiones buenas y malas.
Algunos compuestos se pueden separar de sus contrapartes quirales, y también
es posible fijar las reacciones para que los productos contengan un solo
enantiómero. En 2001, dos químicos estadounidenses y un nacional japonés se
repartieron el Premio Nobel de Química por su trabajo sobre los catalizadores
quirales, que utilizaron para elaborar compuestos quirales, incluidos los
fármacos. El premio fue otorgado parcialmente a William Knowles por diseñar
reacciones que produjeron solo la versión "buena" de un medicamento para el
tratamiento del Parkinson, llamado dopa. Al igual que la talidomida, su
enantiómero es tóxico.
¿Cómo saber si un compuesto es quiral?
Dos moléculas que están hechas de los mismos átomos – pero dispuestas en diferente orden – se llaman isómeros.
Pero en los compuestos quirales, los dos isómeros tienen todos sus átomos dispuestos en el mismo orden. Son
prácticamente los mismos en todos los aspectos, excepto por ser reflejos el uno del otro. Entonces, ¿cómo se puede
mirar una molécula y saber si es quiral o no? La respuesta a esto es que una molécula quiral no tiene plano de
simetría. Si puedes dibujar una línea imaginaria a través del centro de la molécula y combinar los dos lados, algo
así como el recorte de un copo de nieve de papel , entonces no es un quiral. Recuerde, sin embargo, que las moléculas
son objetos tridimensionales, por lo que no es tan fácil como parece dibujar una línea a través del centro de la misma.
De hecho, puede ser muy difícil saber si una molécula es quiral simplemente mirando su estructura en papel. Para
moléculas complejas, puede ayudar a construir un modelo 3-D usando palillos de dientes y pequeños trozos de
arcilla de modelado. (Véase también "Azúcares y estereoisómeros", página 139.)
En las últimas décadas, las autoridades que aprueban drogas han estado más
atentas a los posibles problemas con los enantiómeros. Las industrias
farmacéuticas solían producir medicamentos que contenían mezclas de
moléculas zurdas y diestras, considerando indeseables las versiones
especulares menos efectivas. Ahora tratan de fabricar medicamentos que
contienen sólo enantiómeros únicos.
La vida sólo utiliza una mano La naturaleza, sin embargo, hace las cosas de
manera diferente. Cuando los químicos producen compuestos quirales en el
laboratorio, a menudo forman una cantidad aproximadamente igual de
moléculas zurdas y diestras. Pero las moléculas biológicas siguen un patrón
predecible de orientación. Los aminoácidos, que son los ladrillos del edificio de
proteínas, son la mayoría nore-izquierdos, mientras que los azúcares son
diestros. Nadie sabe exactamente por qué sucede esto, aunque los
investigadores que estudian los orígenes de la vida en la Tierra tienen diferentes
teorías al respecto.
Algunos científicos han sugerido que las moléculas inicialmente traídas por los
meteoritos a la Tierra podrían haber dado a la vida un pequeño empujón en el
planeta, a la derecha o a la izquierda. Se sabe que los meteoritos chocaron con la
Tierra transportando aminoácidos, por lo que es posible que cualquier ligero
exceso en las moléculas zurdas del meteorito fuera absorbido por compuestos
orgánicos presentes en los mares primordiales, justo cuando se estaban
formando las moléculas de vida. Pase lo que pase, parece probable que haya
habido algunos desequilibrios entre las moléculas zurdas y diestras, que se han
magnificado a lo largo de los años. Estoy seguro de que no podemos retroceder
en el tiempo para examinar esta teoría, por lo que no podemos decir con certeza
que la orientación para un lado en particular no se haya desarrollado más tarde,
cuando la vida se había vuelto más compleja.
La quiralidad en moléculas biológicas no es sólo una curiosidad. Nos trae de
vuelta a nuestra comprensión de los compuestos quirales sintéticos y sus
acciones como drogas. Los fármacos funcionan interactuando con moléculas
biológicas en nuestro cuerpo. Para que un medicamento tenga algún efecto,
primero debe ajustarse. Piense en ello como una mano que se desliza en un
guante – sólo el guante izquierdo entra fácilmente en la mano izquierda.
"La quiralidad llamó la atención de Alice mientras
reflexionaba sobre el mundo macroscópico que
vislumbraba a través del espejo... "
Donna Blackmond
La idea en sìntesis:
Moléculas especulares
19 Química verde
Las últimas décadas han sido testigos de la aparición de la
química verde, un enfoque más sostenible de la ciencia, que
reduce los relaves y alienta a los químicos a ser más
inteligentes sobre cómo proyectan sus reacciones. Y todo
comenzó cuando los tractores llegaron a un patio trasero en
Quincy, Massachusetts.
Paul Anastas creció en Quincy, Massachusetts, donde la casa de sus padres
ofrecía, en ese momento, una vista de los pantanos de Quincy. Esta vista fue
destruida por grandes empresas y grandes edificios de vidrio, inspirando a
Anastas a escribir un ensayo sobre los pantanos que le valió un Premio a la
Excelencia del presidente a la edad de 9 años. Unas dos décadas más tarde,
después de obtener su doctorado en química orgánica, comenzó a trabajar en la
Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), y fue entonces
cuando escribió su manifiesto a favor de un nuevo tipo de química más
inteligente y ecológica. Más tarde llegó a ser conocido entre los químicos como
el "padre de la química verde".
A la edad de 28 años, Anastas formuló el concepto de "química verde", que
consistía en reducir el impacto ambiental de los productos químicos, los
procesos químicos y la química industrial. ¿cómo? Básicamente, encontrar
formas más inteligentes y respetuosas con el medio ambiente de hacer ciencia,
reduciendo los relaves y reduciendo la cantidad de energía que los procesos
químicos necesitaban consumir.
Sabía que este concepto no sería bien
aceptado en la industria, por lo que lo vendió con el argumento de que trabajar
más inteligentemente significaría trabajar más barato.
Los 12 principios de la química verde En 1998, junto con el químico polaroid
John Warner, Anastas presentó sus 12 principios de la química verde. En
esencia son:
Desalación verde
El crecimiento de la población y la sequía son indicativos de que el agua es cada vez más escasa. Muchas ciudades de
todo el mundo tienen estaciones de desalinización para que parte de su agua potable pueda provenir de la extracción
de sal del agua de mar. Pero la eliminación de la sal es un proceso que requiere mucha energía, basado en forzar el
agua a través de una membrana delgada que contiene pequeños agujeros. La técnica se llama ósmosis inversa. La
fabricación de membranas especializadas utilizadas en ósmosis inversa a menudo implica una serie de productos
químicos, incluidos los disolventes. En 2011, uno de los ganadores de los premios Presidential Green Challenge fue
una empresa que desarrolló una forma de fabricar nuevas membranas de polímeros baratos, que podrían fabricarse
con productos químicos menos dañinos. Las membranas NEXAR de Kraton también están diseñadas para ahorrar
energía en las plantas de desalinización, y potencialmente podrían reducir los costos de energía a la mitad.
1. Producir la menor parte posible de los relaves
2. Diseña procesos químicos que hagan uso de cada molécula que
pongas en ellos
3.
4.
5.
6.
7.
8.
No use reactivos dañinos; no producir productos secundarios nocivos
Desarrollar productos nuevos y menos tóxicos
Use disolventes más seguros, y menos de ellos
Sea eficiente energéticamente
Utilizar materias primas que puedan ser reemplazadas
Diseñe reacciones que produzcan solo los productos químicos que
necesita
9. Hacer uso de catalizadores para aumentar la eficiencia
10. Desarrollar productos que se degraden de forma segura en la
naturaleza
11. Controlar las reacciones para evitar residuos y productos secundarios
peligrosos
12. Elija enfoques que minimicen accidentes, incendios y explosiones
Los 12 Principios se refieren a ser más eficientes con lo que se usa y crea, y a
valorar los productos químicos que son menos peligrosos para las personas y el
medio ambiente. Sentido común, se podría pensar. Pero para una industria
química, que ha estado haciendo las cosas de manera muy diferente durante
mucho tiempo, eso tiene que explicarse.
En la casa del presidente Anastas pasó rápidamente de humilde químico a jefe
de sección y, por lo tanto, a director de un nuevo Programa de Química Verde en
la EPA. En su primer año como director, propuso una serie de premios para
honrar los logros en el campo de la química verde, logros alcanzados tanto por
científicos académicos como por empresas. El propio presidente Bill Clinton
respaldó los premios como desafío presidencial de química verde, todavía están
en pleno apogeo.
"Vamos a saber si la química verde tuvo éxito
cuando la expresión 'química verde' desaparece
simplemente porque es la forma en que hacemos
química. "
Paul Anastas, citado en el New York Times.
En 2012, uno de los ganadores fue una empresa llamada Buckman International,
cuyos químicos presentaron una forma de hacer que el papel reciclado sea más
resistente sin grandes desperdicios de productos químicos y energía. Teniendo
en cuenta el artículo nueve de la lista de Anastas y Warner, adoptaron enzimas –
catalizadores biológicos – para llevar a cabo reacciones que producen fibras de
madera con la estructura estrictamente correcta. Evaluaron que las enzimas
podrían hacer que una sola fábrica de papel ahorrara un millón de dólares al
año, apoyando la teoría de que trabajar más inteligentemente significa trabajar
más barato.
Otros premios fueron otorgados a técnicas verdes de producción de cosméticos,
combustibles y membranas que purifican el agua salada. Mientras tanto,
Anastas fue cooptado por el propio Clinton y comenzó a trabajar con políticas
ambientales en el Departamento de Ciencia y Tecnología de la Casa Blanca. A la
edad de 9 años, se convirtió en el creador de su propio premio presidencial y
funcionario de la Casa Blanca, y tenía solo 37 años.
Futuro verde Según las cifras de la propia EPA, la cantidad de relaves químicos
peligrosos producidos en Estados Unidos cayó de 278 millones de toneladas en
1991 -cuando Anastas acuñó la expresión "química verde"- a 35 millones de
toneladas en 2009. Las empresas están empezando a prestar mayor atención a
su impacto en el medio ambiente. Pero no dejemos llevar – Anastas lo hizo muy
bien, presentó algunas grandes ideas y llegó a la Casa Blanca, pero los
problemas de las industrias no se resolvieron de un solo golpe. Ni mucho
menos. Muchos productos químicos importantes que forman la base de los
productos cotidianos todavía se fabrican refinando petróleo, que no es una
fuente renovable y puede ser altamente contaminante. Hay mucho más por
hacer.
La química verde sigue siendo un campo nuevo. Se espera que crezca
rápidamente – algunas estimaciones, a alrededor de $ 100 mil millones para el
final de la década. Pero Anastas no estará satisfecho hasta que haya pintado de
verde a toda la industria química. En una entrevista con la revista científica líder
en el mundo, Nature,en 2011, Anastas dijo que en veinte años su objetivo final
para la química es que domine completamente los principios de la química
verde. Cuando se logre este objetivo, la expresión “química verde" dejará de
existir por completo: la química verde simplemente será química.
La idea en sìntesis:
Química que no daña el medio ambiente
20 Separación
Ya sea separando las cuentas de café de su bebida de la
mañana, el aroma de jazmín de sus flores o la heroína de la
sangre en la escena de un crimen, hay pocas técnicas más útiles
en química que las que separan una sustancia de otra. En
holandés, la química se traduce como "el arte de la separación".
En cada programa de detectives en la televisión hay una parte donde los
forenses agitan y se a apodera de la escena del crimen. No vemos lo que hacen.
No sabemos lo que está pasando en el laboratorio, en el fondo. Todo lo que
sabemos es que llegan con sus trajes de la escena del crimen, desechables y muy
delgados, y unos minutos más tarde, el inspector detective está leyendo los
resultados en una hoja de papel. Crimen resuelto.
Sería realmente interesante saber el tipo de trabajo que se hizo en el
departamento forense. Una de las cosas en las que los científicos forenses son
expertos es en la separación química. Imagínese que regresan de una escena del
crimen especialmente mala. Sangre salpicada por todas partes y evidencia de
consumo de drogas. Una de las cosas que debe hacer es determinar quién estaba
usando qué drogas. Tienen las muestras de sangre, pero ¿cómo toman sus
medicamentos para que puedan averiguar de quién son? El problema con el que
realmente están lidiando es una versión mucho más complicada de recoger clips
de papel en un tazón de arroz. En este caso, las dos sustancias están húmedas y
no se pueden separar a mano.
Cromatografía Lo que los detectives forenses van a utilizar es invariablemente
algún tipo de técnica de cromatografía. En esencia, tratarán de conseguir que la
droga se adhiera a algo; la idea es que la droga se siente atraída por cualquier
material "pegajoso" mientras la sangre habita. Es un poco como usar un imán
para quitar los clips de papel del tazón de arroz. En terminología forense, la
droga, o el clip, es el análisis, la cosa que se está analizando.
Perfume y tinta En principio, cualquier cromatografía moderna es bastante
similar a las técnicas de separación utilizadas durante siglos en la industria,
como en la perfumería. El material pegajoso no tiene que ser sólido. Cuando los
perfumistas extraen el olor a jazmín de las flores de jazmín, por ejemplo,
utilizan productos químicos líquidos como el hexano. El punto importante es
que los compuestos de olor tienen una mayor afinidad con el líquido que otros
compuestos en las flores.
electroforesis
La electroforesis cubre una serie de métodos utilizados para separar moléculas, como proteínas y ADN, utilizando
electricidad. Las muestras se agregan a un gel o un fluido y las moléculas se separan de acuerdo con sus cargas
superficiales: las moléculas cargadas negativamente se mueven en la dirección del electrodo positivo, mientras que
las moléculas cargadas positivamente van al electrodo negativo. Las moléculas más pequeñas se mueven más rápido
porque enfrentan menos resistencia, por lo que los componentes también están separados por tamaño.
La mayoría de nosotros sabemos cromatografía porque en la escuela
obtenemos trozos de papel para separar pinturas o pigmentos de diferentes
colores, nuestros análisis. Dos pigmentos distintos tendrán diferentes
interacciones como el papel, y luego terminan formando puntos separados de
diferentes colores. El término "cromatografía" en sí mismo significa "escribir
con color". Uno de los primeros científicos en trabajar con técnicas
cromatográficas en la década de 1900 fue un botánico, que utilizó papel para
separar los pigmentos de colores de las plantas. Fue sólo en 1941, sin
embargo, que Archer Martin y Richard Synge combinaron métodos de
extracción líquido-líquido, como los utilizados en perfumería y cromatografía,
e inventaron la moderna "cromatografía de partición", utilizando un gel para
separar aminoácidos.
Si bien es cierto que la cromatografía tiene algunas similitudes con la
extracción, hoy en día la mayor probabilidad es que la técnica sea utilizada por
nuestros científicos forenses, porque puede separar mejor las pequeñas
cantidades de productos químicos: drogas, explosivos, residuos de fuego u otros
analitos.
Separar el trigo de la harina
Los métodos de separación son comunes en la industria de análisis de alimentos. Hay compañías que ayudan a los fabricantes de
alimentos a identificar productos químicos y otros cuerpos extraños que se han mezclado en sus productos, y encontrarlos implica
separarlos de otros ingredientes. Un problema es la contaminación de los productos que se venden como sin gluten, trigo o lactosa.
Incluso pequeñas cantidades de moléculas ofensivas pueden causar enfermedades en personas sensibles. Los analistas de
alimentos pueden utilizar técnicas de cromatografía para encontrar impurezas. Por ejemplo, en 2015, un estudio realizado por
químicos alemanes describió un nuevo método para identificar contaminantes de trigo en la harina de espelta (trigo rojo). El
problema con estos dos granos es que a menudo se cruzan para formar híbridos de trigo / espelta. En general, la espelta es más
fácil de digerir, pero los híbridos contienen genes de ambos y forman muchas de las mismas proteínas. Sin embargo, los
investigadores pudieron identificar una proteína, la gliadina, que era exclusiva del trigo. Mostraron que sería posible realizar
cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) en una harina de espelta para determinar si había trigo presente: la proteína de
gliadina, contaminante, se podía observar en el patrón de cromatograma. La misma técnica también podría utilizarse para clasificar
diferentes cultivos de sus proteínas similares al trigo y la espelta.
Avanzando En el experimento con tinta escolar, hay una fase llamada
estacionaria, que es el papel (el "magneto" o material pegajoso), y una fase
móvil, que es la tinta, porque se mueve sobre el papel. Aunque los laboratorios
forenses de hoy en día son más de alta tecnología, estas fases siguen recibiendo
los mismos nombres. Dos técnicas ampliamente utilizadas son la cromatografía
de gases y la cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC), que utiliza altas
presiones; los dos separarán drogas, explosivos y residuos de incendios. Incluso
se pueden acoplar directamente a espectrómetros de masas (véase la página
86), que pueden ayudar a los equipos forenses a identificar exactamente los
productos químicos en cuestión. Se puede reconocer la "firma" molecular del
análisis, como la heroína, por ejemplo.
Para confirmar la identidad de la persona con heroína en la sangre, los
científicos forenses también pueden utilizar la electroforesis capilar (ver
"Electroforesis", ver página 83), otra técnica de separación común. Aquí la
electricidad obliga al ADN (el análisis) a moverse a través de canales diminutos,
separándose en un patrón diferente dependiendo del perfil de ADN de la
persona. El perfil, o "huella digital de ADN", se puede comprobar en lugar de
una muestra de referencia, por ejemplo, de sangre o cabello. La verdadera
capacidad del científico forense es decidir qué técnicas utilizar y cuál es la mejor
manera de combinarlas. El resultado final puede ser la detección de heroína,
pero puede ser necesario tomar varias medidas de separación para llegar a un
punto en el que se detectará la droga.
Otras técnicas de separación Está claro que los forenses no son los únicos que
utilizan técnicas de separación, aunque parezcan ser las más encantadoras. Las
secciones son los métodos analíticos estándar. Otras técnicas que merecen
mención son la buena destilación antigua, que separa los líquidos en función de
sus puntos de ebullición (ver página 62), y la centrífuga, que utiliza una
máquina centrífuga para rotar y separar las partículas en función de sus
diferentes densidades. Es posible que esté comenzando a notar un patrón aquí:
todas las separaciones químicas funcionan simplemente aprovechando las
diferentes propiedades de los productos químicos que intentan separar. Para un
ejemplo final, piense en un filtro de café de papel, que separa físicamente los
gránulos café sólido del café líquido, una separación basada en el estado. La
filtración es también una técnica común en laboratorios de la química, aunque
los químicos puedan utilizar el vacío y las bombas para ayudar en el proceso.
Hay otros métodos de laboratorio que revelan a los químicos los componentes
de mezclas y compuestos.
"Incluso hoy en día, en los Países Bajos, la química
se llama 'scheikunde', o 'el arte de la separación'. "
Profesor Arne Tiselius, miembro del Comité Nobel de Química (1952)
La idea en síntesis:
Lo que las historias de detectives no enseñan
21 Espectros
Para la mayoría de nosotros, los espectros son gráficos
puntiagudos o irregulares confusos que aparecen en la sección
de resultados en los artículos científicos. Pero para el
observador entrenado, estos patrones revelan los intrincados
detalles de la estructura molecular de un compuesto. Uno de
los métodos utilizados para crear estas imágenes es también la
base de una técnica fundamental en el diagnóstico y
tratamiento del cáncer: la resonancia magnética (RM).
Cuando una persona con un tumor cerebral tendrá una resonancia magnética –
imágenes por resonancia magnética
–, se le pide que se acueste dentro de una máquina que contiene un imán muy
poderoso mientras este equipo crea una imagen de su cerebro. Esta imagen le
permitirá distinguir el tumor de los tejidos circundantes, y se utilizará para
definir la decisión de un médico en cuanto a cómo operar al paciente y cómo
hacerlo. Efectivamente, la máquina de RESONANCIA MAGNÉTICA entra en la
cabeza del individuo sin causar ningún dolor o causar daño interno. Todo lo
que tiene que hacer es acostarse, inmóvil, para no perturbar la imagen.
A menudo es necesario enfatizar el hecho de que la RMN no causa daño. Una de
las razones de esto es que desciende directamente de la resonancia magnética
nuclear (RMN), y cualquier cosa asociada con la palabra "nuclear"
comprensiblemente asusta a la gente. Ya sea con RMN o con RMN, el trabajo se
basa en una propiedad natural de ciertos átomos: sus funciones centrales como
pequeños imanes. Cuando se aplica un potente campo magnético, afecta el
comportamiento de los núcleos. Ajustando este comportamiento usando ondas
de radio, una máquina de RMN es capaz de extraer la información con respecto
al ambiente de los núcleos, y una máquina de MRI puede extraer la información
sobre el cerebro de un paciente.
Da NMR à MRI Paul Lauterbur, o químico que teve um papel instrumental tão
grande no desenvolvimento da MRI – e recebeu um Prêmio Nobel em 2003 por
seus esforços – era originalmente um especialista em NMR. Ele aprendeu a
técnica no Mellon Institute Laboratories nos anos 1950, enquanto estudava
para o seu PhD, e continuou trabalhando com isso durante um breve período no
exército norte- americano. Supostamente, ele era a única pessoa que sabia como
operar a nova máquina de NMR do Army Chemical Center. Foi por essa época
que a primeira máquina comercial de NMR – a Varian A-60 – foi desenvolvida
pela Varian Associates. Ela iria logo encontrar uso mais amplo na medicina.
Pruebas en recién nacidos
La espectrometría de masas es una de las técnicas utilizadas para analizar las sustancias químicas en la sangre de los
recién nacidos; puede identificar moléculas que son indicadores de enfermedades hereditarias. Por ejemplo, los
niveles altos de un aminoácido llamado citrulina sugieren que el bebé puede tener una enfermedad hereditaria
llamada citrulinemia, que hace que las toxinas se acumulen en la sangre y puede provocar vómitos, convulsiones y
supresión del crecimiento. Implicado en procesos metabólicos, la citrulina es también un marcador útil para la
artritis reumatoide. La citrulinemia es poco frecuente, pero puede llegar a ser letal rápidamente si no se trata desde
el principio. La espectrometría de masas es un método muy ágil y preciso para el análisis de muestras. También se
puede utilizar simultáneamente para detectar varios compuestos diferentes a la vez, de modo que la misma muestra
se puede utilizar para probar varias enfermedades
El elemento más utilizado para producir espectros de RMN fue el hidrógeno,
que está presente en el agua, por lo tanto, también en el plasma sanguíneo y las
células del cuerpo. Mediante el uso de núcleos de hidrógeno como imanes, rmn
puede obtener una imagen de la cabeza de un paciente. En 1971, Lauterbur fue
alertado de interesantes investigaciones sobre células tumorales, desarrolladas
por un médico. El contenido de agua dentro de una célula tumoral es diferente
del de una célula normal, y Raymond Damadian había demostrado que la RMN
podía distinguir entre los dos, aunque hizo su investigación en ratas y tuvo que
sacrificar a los animales para obtener sus espectros. Lauterbur no solo encontró
una manera de convertir los datos en una imagen (inicialmente indistinta), sino
que encontró una manera de hacerlo sin tocar un solo cabello del paciente.
"Antes del uso de RMN... [un químico] podría
literalmente pasar meses y años tratando de
determinar la estructura de una molécula. "
Paul Dirac, 1963
Para cuando Lauterbur ganó su Premio Nobel en 2003, la RMN había estado en
uso durante más de medio siglo y se había convertido en una de las técnicas
analíticas más importantes empleadas en los laboratorios de química de todo el
mundo. El hidrógeno es un átomo común en los compuestos orgánicos, y en un
espectro de RMN los protones muestran picos característicos que corresponden
a los núcleos de hidrógeno en diversos ambientes, en relación con otros átomos
en una molécula. La liberación gráfica de las posiciones de los átomos de
hidrógeno de un compuesto puede decir mucho acerca de su estructura a una
sustancia química orgánica – se puede utilizar para analizar las estructuras de
nuevos compuestos o identificar los que ya se conocen.
Picos de lectura Una molécula en un espectro de RMN forma un patrón, una
huella química que apunta a su identidad. Pero hay otros tipos de huellas
dactilares y, como en el RMN, su interpretación se basa en el reconocimiento de
ondas características, o picos, dentro de un espectro. En espectrometría de
masas, diferentes picos están relacionados con diferentes fragmentos
moleculares – iones – producidos cuando las moléculas son explotadas por un
haz de electrones de alta energía. La posición máxima a lo largo de la escala
muestra la masa o el peso de los fragmentos individuales correspondientes a
ese pico, mientras que la altura máxima indica el número de fragmentos. Esto
permite al investigador identificar los componentes de una sustancia
desconocida y, calculando cómo encajan los fragmentos, la estructura de la
molécula.
Análisis infrarrojo Otra técnica analítica importante es la espectroscopia
infrarroja (IR), que utiliza la radiación infrarroja para hacer que los enlaces
entre los átomos de una molécula se desboven más vigorosamente. Diferentes
enlaces químicos vibran de diferentes maneras, y un espectro infrarrojo
muestra una serie de picos relacionados con diferentes conexiones. Los enlaces
O-H en los alcoholes, por ejemplo, forman picos particularmente distintos,
aunque el espectro puede complicarse por las vibraciones de las conexiones
cercanas que interfieren entre sí. Al igual que en cualquier espectro, ir forma
una huella molecular que, junto con la experiencia correcta, se puede leer para
determinar la identidad de un compuesto químico.
El escándalo del espectro
En química, la prueba convincente de que se ha producido una reacción puede ser el punto crítico en un espectro de
RMN. Esta evidencia puede determinar si su artículo será publicado o no. Con tanto en juego, puede haber alguien
tentado a refinar la evidencia para que se ajuste a sus argumentos. En 2005, Bengü Sezen, química de la Universidad
de Columbia en los Estados Unidos, recogieron varios de sus artículos después de que se revelara que había cortado y
pegado los picos de los espectros de RMN para obtener los resultados que quería.
Estas técnicas de identificación molecular no sólo son empleadas por los
químicos que han mezclado sus abalorios. Se pueden utilizar para monitorear
reacciones químicas e identificar biomoléculas grandes con la precisión
suficiente para percibir un cambio en un solo aminoácido en una secuencia de
proteínas grande. La espectrometría de masas es ampliamente utilizada en el
descubrimiento de fármacos, pruebas de fármacos, detección de muestras
tomadas de recién nacidos para identificar ciertas enfermedades (ver "Pruebas
de recién nacidos”, página 87) y para rastrear contaminantes en productos
alimenticios.
La idea en síntesis:
Huellas dactilares moleculares
22 Cristalografía
Cualquier cosa que implique disparar rayos X
automáticamente tiende a sonar como ciencia ficción,
especialmente cuando estás usando equipos costosos para
hacerlo. La cristalografía está bastante incrustada en los
reinos de los hechos científicos, pero esto no la hace menos
impresionante.
No muy al sur de Oxford, Inglaterra, rodeado de campos verdes, hay un gran
edificio de plata shimmy. Desde la carretera, en las inmediaciones, puede
parecer un estadio deportivo, pero si alguna vez lo pasas, no te equivoques. En
el interior, los científicos están acelerando electrones a velocidades
inimaginables para generar haces de luz 10 mil millones de veces más brillantes
que el Sol. El edificio alberga Diamond Light Source, la instalación más cara
jamás construida en el Reino Unido.
Un poco como el Gran Colisionador de Hadrones, el Diamante es un acelerador
de partículas, solo que aquí las partículas no chocan, están enfocadas en
cristales con un diámetro de unas pocas milésimas de milímetro. Utilizando la
luz superbright de Diamond, los científicos pueden investigar el corazón de
moléculas individuales y revelar cómo los átomos están conectados entre sí.
Visión de rayos X El Diamante produce rayos X extremadamente potentes.
Descubierta por Wilhelm Röntgen en 1895, la radiografía es la base de dos
siglos de trabajo pionero en la comprensión de importantes estructuras de
moléculas biológicas, así como de fármacos e incluso materiales de última
generación que se están desarrollando para paneles solares, construcciones y
purificación de agua. La teoría es simple: los patrones formados cuando los
rayos X son esparcidos por una sustancia revelan cómo los átomos en las
moléculas están dispuestos en tres dimensiones. El patrón de dispersión se
interpreta a partir de una serie de puntos que muestran dónde los rayos X
golpean un detector. La práctica, sin embargo, no es nada sencilla. La técnica,
llamada cristalografía de rayos X, depende de la existencia de cristales perfectos
, arreglos de moléculas claramente ordenados. No todas las moléculas forman
cristales perfectos con facilidad. El hielo y la sal se forman, pero hay que
fomentar moléculas grandes y complejas, como las proteínas.
Dorothy Crowfoot Hodgkin (1910-1994)
Hodgkin es recordado como uno de los científicos destacados del siglo XX. Además, fue ponente, superior querida en
tu laboratorio, donde una de tus estudiantes seria la futura primera ministra británica, Margaret Thatcher, Rector de
la Universidad de Briston durante muchos años y partidario de causas humanitarias. Tu hombre apareciste elevado
en los sellos británicos.
Puede tomar años, e incluso décadas, sólo para descubrir cómo crecen los
cristales perfectos. Tal fue el caso de la química israelí Ada Yonath cuando
decidió intentar hacer cristales de ribosoma. El ribosoma es la máquina de
fabricación de proteínas que produce proteínas en las células; está presente en
todos los seres vivos, incluidos los microbios, lo que significa que el
conocimiento de su estructura tendría valor en la lucha contra innumerables
enfermedades peligrosas. El problema es que los propios ribosomas están
formados por muchas proteínas diferentes y otras moléculas, correspondientes
a cientos de miles de átomos en total y una estructura notablemente compleja.
Métodos del cristal A partir de finales de la década de 1970, Yonath intentó
durante más de diez años cristalizar los ribosomas de varias bacterias para
poder bombardearlos con rayos X. Cuando finalmente logró tener suficientes
cristales buenos, los patrones producidos por los rayos no eran fáciles de
interpretar y la resolución de las imágenes era bastante baja.
Fue sólo en el año 2000, después de tres décadas y con la colaboración de otros
científicos con los que finalmente compartió un Premio Nobel, que sus imágenes
finalmente se volvieron lo suficientemente nítidas como para revelar la
estructura del ribosoma a nivel atómico. No dejaba de ser un triunfo. Cuando
empezó, nadie creía que esto se pudiera hacer. Recientemente, las compañías
farmacéuticas han utilizado las estructuras dadas por Yonath y sus colegas para
tratar de diseñar nuevos medicamentos que puedan derrotar a las bacterias
resistentes a los medicamentos.
Ada Yonath, sin embargo, no fue la primera mujer en dedicar toda una carrera a
la cristalografía. De hecho, el campo de la cristalografía de rayos X fue
explorado, a partir de la década de 1930, por Dorothy Crowfoot Hodgkin, quien
resolvió las estructuras cristalinas de muchas moléculas biológicas importantes,
incluyendo el colesterol, la penicilina, la vitamina B12 y, después de ganar el
Premio Nobel, la insulina. Aunque obstaculizada por el dolor de la artritis
reumatoide desde que tenía 24 años, trabajó incansablemente para refutar a
aquellos que dudaban de ella. Estudió la penicilina durante la Segunda Guerra
Mundial, en un momento en que la técnica era todavía nueva y vista con recelo
por otros investigadores. Se sabe que al menos uno de sus colegas químicos de
la Universidad de Oxford se burló de la estructura que propuso, una estructura
que más tarde resultaría correcta. La estructura la resolvió en apenas tres años,
mientras que la insulina le llevó más de treinta.
Detección de rayos X
Hoy en día, los científicos son capaces de recopilar información estructural de cristales una
fracción del tamaño de los que Hodgkin trabajó en la década de 1940. Esto se debe a que ahora
es posible generar rayos X mucho más potentes. Los rayos X son generados por electrones de
alta velocidad zumbando en un acelerador de partículas. Estos electrones producen pulsos de
radiación electromagnética a los que nos referimos como rayos X. Es un tipo de radiación
electromagnética similar a la luz visible, pero con una longitud de onda mucho más corta. La luz
visible no se puede utilizar para estudiar estructuras a nivel atómico porque su longitud de
onda es demasiado larga: cada onda es más larga que un átomo y, por lo tanto, no se propagará.
Durante el experimento, los cristales se montan en la parte superior del equivalente de una
cabeza de alfiler y se mantienen fríos mientras se someten a rayos X. La dispersión de rayos X
se conoce como difracción, y el patrón que producen en el detector se llama patrón de
difracción.
Pasando a lo digital En la época de Hodgkin todo se hacía con película
fotográfica: los rayos X golpeaban el cristal y se extendían sobre una placa
fotográfica que ella colocaba detrás. Los puntos en la película formaron el
patrón que ella esperaba revelaría la estructura a nivel atómico. Hoy en día la
cristalografía de rayos X se realiza a través de detectores digitales, por no hablar
de aceleradores de partículas realmente potentes, como Diamond Light Source,
y computadoras capaces de manejar todos los datos y cálculos difíciles
requeridos en la solución de estructuras. Fue Hodgkin quien hizo campaña por
las computadoras en Oxford después de que las usara en la Universidad de
Manchester como ayuda para resolver la estructura de la vitamina B12. Pero
hasta entonces tuvo que usar su formidable cerebro para calcular matemáticas
complejas.
"Si esa es la fórmula de la penicilina, voy a dejar la
química y cultivar setas. "
John Cornforth, químico, con respecto a la fórmula (correcta) de
Hodgkin
Parece que la cristalografía de rayos X y sus partidarios se han convertido en
activos. Algunos científicos pueden haber dudado ocasionalmente de su uso,
pero desde la década de 1960 las técnicas cristalográficas han resuelto las
estructuras de más de 90.000 proteínas y otras moléculas biológicas (ver página
12). La cristalografía de rayos X es la técnica más fiable para estudiar la
estructura a nivel atómico. A pesar de que ahora está bien establecido, todavía
hay problemas inherentes que superar. El crecimiento de cristales perfectos
nunca es fácil, por lo que los científicos han estado trabajando en formas de
estudiar cristales menos que perfectos. Y sesenta años después de que Hodgkin
comenzara sus largos estudios sobre la insulina, los científicos de la NASA han
logrado una visión más clara de los cristales que los crean en el espacio,
cristales mucho más altos que pueden crecer en el entorno de microgravedad
de la estación espacial internacional.
La idea en síntesis:
Revelación de las estructuras de moléculas
individuales
23 Electrólisis
A finales del siglo XIX se inventó la batería y los químicos
comenzaron a experimentar con la electricidad. En poco
tiempo, estaban utilizando una nueva técnica llamada
electrólisis para descomponer sustancias y descubrir nuevos
elementos. La electrólisis también se ha convertido en una
fuente de productos químicos como el cloro.
En 1875, un médico estadounidense inventó un método para destruir las células
ciliadas con el fin de eliminar las pestañas encarnadas de sus pacientes. Él llamó
a esta técnica "electrólisis", y todavía se utiliza hoy en día para eliminar el
cuerpo no deseado. Sin embargo, este método de depilación tiene muy poco que
ver con una técnica de electrólisis igualmente pionera que también se utilizó en
1875 en el descubrimiento del elemento metálico plateado thaium (Ga). A
menos que por una cosa – y la punta está en el nombre – las dos técnicas
requieren electricidad.
En 1875 este segundo tipo de electrólisis había existido durante medio siglo o
más, y había revolucionado la química del siglo XIX. La electrólisis también ha
tenido un gran impacto en el campo de la salud pública, convirtiéndose
finalmente en el método utilizado para extraer el cloro de la salmuera (el cloro
es el desinfectante utilizado para limpiar las piscinas y mantener nuestros
manantiales de agua potable libres de enfermedades). En ese momento, sin
embargo, la electrólisis era probablemente más conocida como el método que
Humphry Davy, el renombrado científico y profesor de la Royal Institution,
había utilizado para separar toda una serie de elementos comunes, incluidos el
sodio, el calcio y el magnesio, de sus compuestos (véase la página 46).
La división del agua, Aunque Davy fue el experimentador más famoso de la
electrólisis, el mérito de este invento es de un químico poco conocido, llamado
William Nicholson, y su amigo, el cirujano Anthony Carlisle, en 1800. Estaban
fascinados por algunas experiencias que el pionero del tambor, Alessandro
Volta, había completado más a principios de ese año, y estaban tratando de
reproducirlas. En ese momento, la "batería" de vuelta era solo una pila de discos
de metal y trapos húmedos atados con cables. Intrigados al ver que las burbujas
de hidrógeno aparecían cuando un cable de la batería tocaba una gota de agua,
tomaron los cables y los colocaron a cada lado de una tubería de agua. El
resultado fueron burbujas de oxígeno en un extremo e hidrógeno en el otro.
Utilizaron electricidad para romper los enlaces entre las moléculas de agua,
dividiéndolas en sus partes componentes.
Chapado con plata y oro
En el revestimiento con plata u oro, la electrólisis se utiliza para formar una capa delgada de un metal más caro sobre
uno más económico. El objeto metálico funciona como uno de los electrodos en lo que se llama "celda electrolítica".
Puede hacer colocando una cuchara, sosteniendo una taza y una batería, y sumergiéndola en un poco de cianuro de
plata disuelto en agua. La cuchara se convierte en el electrodo negativo, y los iones de plata, cargados positivamente
en el agua, se sienten atraídos por ella. Para mantener la fuente de iones de plata, un pedazo de plata se utiliza como
el electrodo positivo. De hecho, la plata se transfiere de un electrodo a otro. Del mismo modo, el oro se puede
conectar a un cable y se utiliza para la joyería de la capa o una caja de teléfono inteligente, por ejemplo. La solución
en la que se sumergen los electrodos se llama electrolito.
Nicholson era un exitoso orador, escritor y traductor, que ya había fundado su
propia revista de divulgación científica, no tenía ninguna duda de dónde
publicaría sus resultados. El Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the
Arts, cariñosamente conocido como Nicholson's Journal, pronto presentó un
artículo anunciando el umbral de una nueva era de la electroquímica.
Electroquímica La pila volta fue adoptada y adaptada – al final resultó ser algo
así como una batería moderna – y pronto los científicos estaban utilizando la
electrólisis para todo tipo de química interesante. Davy aisló calcio, potasio,
magnesio y otros elementos, mientras que su rival sueco, Jöns Jakob Berzelius,
trabajó en la división de varias sales disueltas en agua. En química, una sal
significa un compuesto hecho de iones cuyas cargas se cancelan entre sí. En la
sal de cocción – cloruro de sodio – los iones de sodio tienen una carga positiva y
los iones de cloro se cargan negativamente. El sodio también puede formar una
sal de color amarillo brillante con iones de cromato (CrO –4). Aunque parece
mucho más emocionante que el de la sal de mesa, el cromato de sodio es tóxico
y no comestible.
"La gran pregunta con respecto a la descomposición
del agua... se deriva de una poderosa confirmación
de los primeros experimentos publicados por el Sr.
Nicholson y el Sr. Carlisle... "
John Bostock en el Nicholson Journal
Esto nos recuerda claramente nuestra comprensión moderna de cómo funciona
realmente la electrólisis, porque trata completamente de los iones (ver "Iones",
página 21). Cuando una sal se disuelve en agua, se disocia en sus iones positivos
y negativos. En electrólisis, estos iones positivos y negativos son atraídos a
electrodos con cargas opuestas. Los electrones entran en el circuito en el
electrodo negativo, de modo que los iones de plata, positivos (ver "Chapado con
plata y oro", página 95), por ejemplo, recogen electrones para formar una capa
de átomos de plata neutros. Mientras tanto, los iones negativos atraídos por el
otro electrodo hacen lo contrario: pierden su exceso de electrones para
volverse neutros.
Ciertas sales, como la sal de mesa estándar, contienen iones de sodio, que,
aunque están cargados positivamente como los iones de plata, son más
reactivos. Por lo tanto, cuando los iones de sodio se separan del cloro, se unen
inmediatamente a los iones hidroxilo (OH– ) en el electrolito de agua y forman
hidróxido de sodio
En lugar de que el electrodo negativo atraiga iones de sodio, atrae iones de
hidrógeno, que recogen electrones y se liberan en burbujas como el hidrógeno
gaseoso.
Revolución limpia La misma configuración forma la base para toda una
industria de producción de cloro por electrólisis. Básicamente, pasar una
corriente eléctrica a través del agua de mar y se puede recoger el cloro. El
producto secundario, el hidróxido de sodio, también conocido como sosa
cáustica, se puede combinar con aceite para hacer jabón.
A medida que la electroquímica progresó en el siglo 19, los científicos se
volvieron cada vez más conscientes de los problemas de las enfermedades
transmitidas por el agua. Hasta mediados de siglo, se pensaba que
que el cólera se contrajo al respirar el miasma del "mal aire". Sin embargo,
durante un brote de cólera en Londres en 1854, John Snow demostró que la
gente estaba siendo infectada por el agua sucia de una bomba en el Soho, y lo
hizo anotando los casos en un mapa, y por lo tanto se estableció como uno de
los primeros epidemiólogos.
Electricidad
La "pila voltaica", inventada por Alessandro Volta, proporcionó el primer suministro uniforme de electricidad. Antes de
ella, las botellas de Leiden forradas de chapa metálica se utilizaban para atrapar y almacenar la electricidad descargada
por una chispa de un generador de electricidad estático alimentado por manivela. Las botellas se llenaron de agua, o
incluso cerveza, para almacenar electricidad, hasta que los científicos se dieron cuenta de que en realidad era la chapa,
no el líquido, lo que almacenaba la carga.
En pocas décadas, el cloro producido por electrólisis se estaba utilizando como
desinfectante para proteger a las personas de los microbios en su agua potable.
La sustancia se utilizó por primera vez para tratar el suministro de agua de
Jersey City en los Estados Unidos. El cloro también se utiliza en lejías y en
muchos medicamentos e insecticidas. Hoy en día, las burbujas de hidrógeno
formadas en la electrólisis del agua salada a menudo se recogen y se utilizan en
las pilas de combustible para generar aún más electricidad.
La idea en síntesis:
La electricidad disocia los compuestos químicos
24 Microfabricación
Puede tener docenas, o incluso cientos, de chips de
computadora en su hogar, y si bien cada uno de ellos es una
hazaña increíble de ingeniería, también es el resultado de
algún progreso químico importante. Fue un químico quien
esbozó los primeros modelos en tabletas de silicio, y aunque
los chips de hoy pueden ser mucho más pequeños que hace
cincuenta años, la química del silicio sigue siendo la misma.
Pocas tecnologías han tenido un impacto tan profundo en la sociedad y la
cultura humanas como el chip de silicio. Nuestras vidas se rigen por
computadoras, teléfonos inteligentes y una multitud de otros dispositivos
electrónicos alimentados por circuitos integrados: chips o microchips. La
miniaturización de circuitos y dispositivos electrónicos literalmente puso el
poder de la computación en todos nuestros bolsillos, dando forma a la forma en
que experimentamos el mundo de hoy.
Sin embargo, uno de los avances químicos esenciales, que condujo al desarrollo
del chip de silicio, a veces se minimiza. Los relatos históricos nunca dejan de dar
crédito a Jack Kilby de Texas Instruments –quien más tarde ganó el Premio
Nobel de Física– como inventor del circuito integrado; y se refieren
repetidamente a los Laboratorios Bell (Laboratorios Bell), donde se fabricaron
los primeros transistores. Pero el químico de los Laboratorios Bell Carl Frosch y
su entrenador, Lincoln ("Link") Derick, a menudo solo reciben la más breve de
las menciones.
Estudiante de primer año Frosch Tal vez eso se deba a que no sabes mucho
sobre Frosch. Muy poco se ha escrito sobre su carrera temprana o su vida
personal. Fue reconocido como un talento científico a una edad temprana - una
imagen granulada en blanco y negro de un reflexivo Frosch de 21 años aparece
en la segunda edición de marzo de 1929 de la Gaceta Schenectady de Nueva
York, junto con un anuncio de "Guisantes tamizado mohicanos extra elegantes".
El artículo que acompaña a la foto anuncia su elección a la fraternidad científica
honoraria Sigma XI, el "más alto honor" que se puede otorgar a un estudiante de
ciencias, pero luego las cosas permanecieron discretas durante más de una
década.
En 1943, Frosch estaba trabajando para los Laboratorios Bell en sus
laboratorios químicos en Murray Hill. Un colega, Allen Bortrum, lo recuerda
como un hombre modesto, aunque también debería tener una vena competitiva
porque Frosch aparece en la edición de junio de Bell Laboratories Record
recibiendo un trofeo por la puntuación más alta en la liga de bolos de Murray
Hill. Cinco años más tarde, Los laboratorios Bell introdujeron el primer
transistor, hecho de germanio. Las pequeñas versiones de estos interruptores
electrónicos en miniatura terminarían abarrotadas en chips de computadora
modernos por millones y miles de millones, pero estos estarían hechos de
silicio. Fueron Frosch y Derick, un ex piloto de combate, quienes hicieron el
descubrimiento que dio a Silicon Valley su nombre.
Fabricación de chips
Uno de los primeros patrones simples que Frosch registró en sus tabletas fue "THE END". En términos básicos, el
proceso de idear un circuito integrado, o un chip de computadora, es un poco como la impresión combinada con la
fotografía. De hecho, era una tecnología de grabación utilizada anteriormente para hacer patrones en placas de
circuito impreso que se adaptaban para transferir diseños a inserciones de silicio. Ahora puede grabar modelos muy
complejos y utilizar varias máscaras en el mismo inserto de silicio.
Ideas instantáneas En la década de 1950, los transistores se fabricaban
mediante un método llamado proceso de difusión, en el que los dopantes –
productos químicos que alteran las propiedades eléctricas de una sustancia– se
introducían por difusión en gases en tabletas extremadamente delgadas de
germanio o silicio a temperaturas muy altas. En ese momento todavía había algo
así como un circuito integrado. En los Laboratorios Bell, Frosch y Derick se
centraron en mejorar el método de difusión. Ya estaban trabajando con silicio,
ya que el germanio era propenso a defectos, pero no tenía el mejor equipo, y
Frosch estaba constantemente quemando tabletas de silicio.
Dopaje
El silicio tiene cuatro electrones en su capa externa. En un cristal de silicio, cada átomo de silicio comparte estos
cuatro electrones con otros cuatro átomos de silicio, un total de cuatro pares compartidos por átomo. El fósforo tiene
cinco electrones en su capa externa, de modo que cuando se añade como dopante, proporciona un electrón "libre" que
vaga alrededor del cristal de silicio y puede llevar una carga. Este tipo de dopaje crea el llamado silicio "tipo n" – los
transportadores de carga son electrones (carga negativa). El otro tipo es "p-dopaje" – p es igual a la carga positiva.
Aquí, la carga es transportada por la ausencia de electrones. Esto puede parecer un concepto extraño, pero piense que
el boro – un dopante de tipo n – tiene un electrón menos que el silicio en su capa externa. Esto significa que hay una
falla, o "agujero" de electrón, en la estructura del cristal donde debería haber un electrón. Los agujeros con cargas
positivas también pueden transportar carga al aceptar electrones.
Sus experimentos consistieron en poner un pellet en un horno y dirigir una
corriente de gas hidrógeno que contenía un dopante. Un día, Derick regresó al
laboratorio y descubrió que el flujo de hidrógeno había encendido sus tabletas.
Al inspeccionarlos, sin embargo, se sorprendió al descubrir que eran brillantes y
brillantes: había habido una fuga de oxígeno en el horno, lo que provocó que el
hidrógeno se quemara y generara vapor. El vapor había reaccionado con silicio,
produciendo una cubierta vidriada de dióxido de silicio. Esta capa de dióxido de
silicio no es exclusiva de la fotolitografía – el método también se utiliza para
fabricar chips de silicio.
Lava y repeticiones En la fotolitografía, el patrón para el circuito integrado está
grabado en la capa de dióxido de silicio que, a su vez, está cubierta por el
llamado fotorresistor, una capa fotosensible; además de eso, viene una máscara
que contiene un patrón repetido, de modo que se pueden hacer muchos chips a
la vez. Debajo de la máscara, las áreas expuestas del fotorresistor reaccionan a
la luz y se pueden lavar para revelar el patrón transferido. Este patrón se graba
en la capa brillante de dióxido de silicio debajo.
Lo que Frosch y Derick se dieron cuenta fue que podían usar la capa de dióxido
de silicio para proteger una tableta del daño en el proceso de difusión a alta
temperatura, así como definir las regiones que querían puntear. El dopaje de
boro y fósforo (ver "Dopaje" en la página anterior) no puede cruzar la capa de
dióxido de silicio, pero al registrar las ventanas en la capa, fue posible
transportar la difusión del dopaje a puntos muy específicos. En 1957, Frosch y
Derick publicaron un artículo en el Journal of the Electrochemical Society
detallando sus hallazgos y llamando la atención sobre el potencial para hacer
"patrones de superficie precisos".
As empresas de semicondutores rapidamente se interessaram pela ideia. Elas
estavam tentando fazer múltiplos transistores a partir de pastilhas isoladas.
Então, apenas um ano mais tarde, Kilby inventou o circuito integrado – um
dispositivo em que todos os componentes eram feitos simultaneamente a partir
de um segmento de material semicondutor. Esse “chip”, na verdade, tinha base
no germânio; entretanto, uma camada de dióxido de germânio não funciona
como barreira, de modo que, no fim, foi o silício que se popularizou. Hoje,
padrões extremamente complexos são projetados em computadores e
transferidos para pastilhas de silício usando o método da máscara de óxido. Em
1965, o fundador da Intel, Gordon Moore, previu que o número de componentes
num chip de computador iria dobrar a cada ano, mais tarde revisando sua
previsão para cada dois anos. Graças aos progressos na fotolitografia,
conseguimos manter el paso, después de haber superado la marca de mil
millones de componentes en 2005.
El silicio en sí es sin duda el ingrediente principal,
seguido por su óxido natural único, sin el cual poco
de la floreciente industria de semiconductores ni
siquiera comenzaría a existir. "
Nick Holonyak, Jr., inventor de LED
La idea en síntesis:
Química del silicio en todos los teléfonos
inteligentes
25 Autoensamblaje
Las moléculas son demasiado pequeñas para ser vistas bajo
microscopios ordinarios, por lo que los científicos están
limitados a su propio ingenio para manipularlas con
instrumentos comunes. Lo que pueden hacer, en cambio, es
rediseñar las moléculas para que puedan organizarse. Las
estructuras auto ensambladas se pueden utilizar para crear
dispositivos y máquinas en miniatura, directamente desde las
páginas de los libros de ciencia ficción.
Si tuvieras que fabricar tu propia cuchara, ¿cómo lo harías? ¿Cuál sería tu primer
instinto? ¿Tratarías de encontrar una pieza de metal, tal vez una rama de árbol,
y la batería o tallar hasta que esté en la forma correcta? Esa, tal vez, sería la
forma más obvia, pero no sería la única manera. Un método alternativo –
aunque inicialmente pueda parecer más tedioso – sería recolectar cientos de
pequeñas raspaduras de metal, o astillas de madera, y unirlas en forma de
cuchara.
La primera forma es lo que los químicos llaman el enfoque "de arriba hacia
abajo". Tomas un volumen de material y tallas algo con él, en la forma y el
tamaño que deseas. El segundo modo es exactamente lo contrario, "de abajo a
arriba". En lugar de recortar el volumen de material, se trabaja a partir de
piezas más pequeñas. Es cierto que la segunda forma parece ser una inmensa
molestia; sin embargo, imagínese si, en lugar de poner todas las piezas juntas, se
unieran por su cuenta. Eso facilitaría mucho las cosas.
Funciona como magia Eso es básicamente lo que sucede en el autoensamblaje
molecular, solo que en una escala mucho más pequeña. En la naturaleza, nada se
hace de arriba hacia abajo. Madera, hueso, seda de araña: todos estos materiales
se ensamblan, molécula por molécula, y se forman espontáneamente. En la
formación de la membrana externa de una célula, por ejemplo, las partículas
lipídicas que forman la membrana se organizan en una capa que se convierte en
una envoltura para la célula.
Si pudiéramos de alguna manera encontrar formas de hacer las cosas que se
auto ensamblan de abajo hacia arriba, como en la naturaleza, sería magia, como
una secuela en una película de Harry Potter en la que, con una palabra mágica y
un pase de varita, todo vuela en su lugar. Podríamos construir componentes de
computadora molécula por molécula, chips tan pequeños que el poder de
computación de la NASA cabría en su teléfono celular (bueno, casi). Podríamos
fabricar equipos médicos capaces de entrar en nuestro cuerpo para afeitarnos
las arterias, diagnosticar cáncer o depositar un medicamento directamente en el
sitio de una infección.
Monocapas autoensambladas
Las monocapas autoensambladas son capas con el grosor de una molécula que se forman de forma ordenada en la
superficie. El efecto se utilizó por primera vez en la década de 1980 para ensamblar alquilsilano, y luego moléculas de
alcanetiol en una superficie. La molécula de azufre en la molécula de alcanetiol tiene una fuerte afinidad por el oro,
por lo que se pegará a una superficie de oro. Tallando el resto de la molécula es posible crear películas delgadas con
diversas sustancias químicas. Por ejemplo, los anticuerpos o el ADN pueden vincularse haciendo que las películas
sean útiles para el diagnóstico médico.
Todo esto puede parecer forzado, pero algunas de estas cosas ya están
sucediendo. En laboratorios de todo el mundo, los científicos están logrando
idear esquemas de autoensamblaje en los que las partículas se unen por su
propia voluntad. Tales partículas son guiadas al sitio por moldes o patrones
hechos por técnicas "de arriba hacia abajo" más tradicionales, o las estructuras
que fueron diseñadas para formar están realmente codificadas en las propias
partículas. Estos esquemas son a menudo el diseño de aquellos que trabajan en
el campo de la nanotecnología (véase la página 182). Las moléculas
autopropulsadas se pueden utilizar para crear capas extremadamente delgadas
de materiales especializados y dispositivos extremadamente delgados. Los
materiales y estructuras que están haciendo los nanotecnólogos están a una
escala diminuta – en la millonésima parte de una casa milimétrica – por lo que,
comparativamente, hace más sentido para construirlos, molécula por molécula,
que para utilizar materiales e instrumentos gigantescos.
Doblar como el origami Por supuesto que no quieres hacer una cuchara de
tamaño normal de esa manera, pero si quisieras hacer una cuchara de tamaño
nanodimensionado, ese sería definitivamente el camino a seguir. Los científicos
de la Universidad de Harvard en los Estados Unidos han hecho algo aún mejor.
En 2010 crearon lo que el químico jefe William Shih llamó "pequeños cuchillos
del ejército suizo" de moléculas autoensambladas, buscadas en la propia
naturaleza utilizando cepas de ADN (ver página 142) que se doblaban en
estructuras tridimensionales. Aunque se llamaban cuchillos del ejército suizo,
estas estructuras eran más como pequeñas estructuras de tiendas de campaña,
con anclas y grapas que proporcionaban una fuerza y rigidez increíbles. Los
científicos pudieron hacer exactamente las estructuras que querían diseñando
el código de ADN para que las moléculas solo se duplicaran de una manera
determinada.
Autoensamblaje en cristales líquidos
Las moléculas en las pantallas de televisión más modernas están en un estado de cristal líquido (véase la
página 26), en el que hay un cierto grado de disposición regular combinado con un flujo similar a un
líquido. Las moléculas están dispuestas naturalmente de cierta manera, pero la aplicación de un campo
eléctrico cambia su almacenamiento para controlar lo que vemos en una pantalla. Los científicos han
identificado muchos materiales naturales que se comportan como cristales líquidos y se autoensamblan.
Por ejemplo, se considera que los materiales que componen las cutículas duras de ciertos insectos y
crustáceos están formados por autoensamblaje líquido-cristalino. Las nuevas formas de manipular el
almacenamiento de estas sustancias pueden ser interesantes para la creación de nuevos materiales. En un
estudio de 2012, científicos canadienses demostraron que mediante el uso de cristales de celulosa
producidos a partir de madera de abeto, fueron capaces de formar una película iridiscente capaz de cifrar
información segura bajo diferentes condiciones de iluminación. Otro estudio utilizó celulosa líquidocristalina para fabricar una pequeña "máquina de vapor" impulsada por la humedad. La humedad cambió
el almacenamiento de los cristales en una correa de película de celulosa, provocando la tensión que tiraba
de la rueda para hacerla girar.
Lejos de ser el primer ejemplo de ingeniería a nanoescala utilizando ADN, el
equipo había construido su estudio a partir del trabajo de otros, practicando el
arte de lo que se llama ampliamente "origami de ADN". Si bien puede no haber
un uso obvio para las diminutas estructuras de tiendas, la analogía con el
origami da algunas pistas sobre el nivel de posibilidades. De exactamente la
misma manera que un pedazo de papel se puede doblar en un hermoso pájaro o
un escorpión contundente, el ADN tiene la versatilidad para adoptar cualquier
forma o estructura, siempre y cuando su planificador pueda codificar este
dibujo en una secuencia de ADN.
Shih y su equipo son bioingenieros. Trabajan con material biológico y tratan de
resolver problemas biológicos. Por lo tanto, planean desarrollar sus estructuras
de alambre para su uso en el cuerpo humano, aprovechando su
biocompatibilidad. Por ejemplo, la fuerza y rigidez de estas estructuras pueden
ser útiles en medicina regenerativa, en la reparación o sustitución de tejidos y
órganos dañados, y para marcos de tejidos hechos en el laboratorio. Mientras
tanto, los científicos con capacitación electrónica están utilizando otros
materiales para desarrollar esquemas de autoensamblaje para pequeños
sensores electrónicos de bajo costo.
Arte en la ciencia Como método, el autoensamblaje puede funcionar como
magia, pero se necesita un científico muy capacitado para que funcione.
Estrictamente hablando, la parte de autoensamblaje no es un método en sí
mismo. Es algo que sucede después de todo el trabajo duro ya se ha hecho. El
verdadero arte es diseñar moléculas, materiales y dispositivos para que se
autoensamblan. Los científicos no solo están haciendo cucharas, sino que están
diseñando materiales que harán las cucharas ellos mismos.
"Esa es la diferencia entre construir estructuras a
nanoescala, molécula por molécula, usando el
equivalente de nanopacks, y dejar que las moléculas
hagan lo que mejor hacen, autoensamblarse... "
John Pelesko
La idea en sìntesis:
Moléculas que se organizan
26 El laboratorio en un chip
La tecnología laboratorio en un chip tiene el potencial de
cambiar la forma en que funciona la medicina al ofrecer
exploraciones in situ para todo, desde la intoxicación alimentaria
hasta el ébola, que se pueden hacer sin ningún conocimiento
especializado. Ya es posible realizar cientos de experimentos al
mismo tiempo en un chip mínimo, lo suficientemente pequeño
como para caber en el bolsillo.
Vas al médico con algún misterioso problema estomacal y esperas en vano que
no diga esas terribles palabras, "necesitas hacerte una prueba de heces". Sí, en
algún momento de la vida la mayoría de nosotros probablemente tendremos
que recoger nuestros propios residuos en una botella de plástico y hacer una
entrega embarazosa a la clínica. Por suerte, una vez que lo hayas entregado, se
llevará directamente al laboratorio y nunca tendrás que volver a verlo. En un
futuro no tan lejano, sin embargo, su médico podrá analizar la muestra justo
delante de usted y dar los resultados en 15 minutos.
En 2006, investigadores estadounidenses que trabajaban en uno de los
proyectos financiados por los Institutos Nacionales de Salud informaron que
desarrollaba una "tarjeta entérica desechable" que podía distinguir microbios
como E. coli y Salmonella haciendo una serie de pruebas paralelas en una
muestra de heces, todo en un solo microchip. El dispositivo usaría anticuerpos
para detectar moléculas en la superficie de un microbio, y luego extraer y
analizar su ADN.
Pareces increíblemente inteligente, incluso si es un poco repugnante. Pero la
tarjeta entérica no es un caso aislado. Las llamadas "pruebas de atención
puntual" pueden ser las próximas grandes noticias en el cuidado de la salud, y
muchas de ellas se basan en la tecnología de laboratorio en un chip. Ya existen
dispositivos para diagnosticar ataques cardíacos y monitorear el recuento de
células T en pacientes con VIH. Los chips de diagnóstico baratos podrían algún
día desempeñar un papel crucial en el control de las epidemias. La gran ventaja
de usar uno de estos chips es que no tiene que tener ninguna experiencia, es una
experiencia automatizada que cabe en la palma de su mano. Todo lo que un
médico tiene que hacer es agregar una pequeña cantidad de su muestra e
insertar la tarjeta en un lector de tarjetas.
Trabajo detectivesco
Por rápido que sea, el análisis en chip de productos químicos también podría ser útil para aclarar delitos, por
ejemplo, analizando el fraude de drogas o identificando ingredientes dañinos en casos de manipulación de alimentos.
Un dispositivo de laboratorio en un chip podría realizar una prueba para muchas drogas ilícitas diferentes o, en el
deporte, para sustancias prohibidas, y proporcionar una respuesta en minutos.
Microchip encuentra ADN El concepto de laboratorio en un chip surgió cuando
los científicos comenzaron a darse cuenta de que podían secuestrar la
tecnología convencional de fabricación de microchip (ver página 98) para crear
versiones miniaturizadas de experimentos de laboratorio estándar. En 1992,
investigadores suizos demostraron que podían realizar una técnica de
separación común llamada electroforesis capilar (ver página 84) en un
dispositivo de chip. En 1994, el equipo del químico Adam Woodley en la
Universidad de California, Berkeley, Estados Unidos, ya estaba separado el ADN
en pequeños canales en un chip de vidrio, y poco después usó chips para
realizar la secuenciación del ADN. Hoy en día, la secuenciación de ADN en chips
de vidrio y polímeros se ha convertido quizás en la aplicación más importante
de la tecnología lab-on-a-chip, con chips capaces de secuenciar cientos de
muestras en paralelo y producir resultados en minutos.
La secuenciación en un chip no es una tarea fácil. Por lo general, implica una
técnica llamada reacción de la polimerasa en cadena (PCR), que la biología
molecular ha estado utilizando durante varios años. La reacción depende de
calentar y enfriar el ADN repetidamente. Para lograr esto en un chip, las
muestras en los canales deben calentarse o forzarse a pasar a través de cámaras
de reacción sucesivas, cada una con un volumen total de una milésima de
milímetro, a diferentes temperaturas. Un área clave de la tecnología de
laboratorio en un chip se conoce como microfluídica. Debido a los pequeños
volúmenes de líquido involucrados, la mayoría de los dispositivos de chips de
diagnóstico se basan en microfluidos.
El internet de la vida
Es posible que hayas oído hablar del "internet de las cosas", un concepto inspirado en la idea de que
vivimos en un mundo de dispositivos cada vez más inteligentes, que podrían estar conectados en una sola
red. Los teléfonos inteligentes, los refrigeradores, los televisores e incluso los perros con microchips
podrían integrarse en la red, a través de sus microchips.
Actualmente, los investigadores de QuantuMDx, una compañía con sede en Newcastle-upon-Tyne,
Inglaterra, están planeando un "internet de la vida", que integraría los datos producidos por dispositivos de
laboratorio en un chip en todo el mundo. Sugieren que los datos de secuenciación de ADN recopilados en
dispositivos de chip podrían ser "geoetiquetados", lo que significa que podrían ser mapeados a una
ubicación geográfica específica. Esto daría a los epidemiólogos acceso a niveles de detalle sin precedentes
para rastrear las enfermedades en tiempo real. Podrían monitorear la malaria, rastrear la evolución del
virus de la influenza, ayudar a predecir brotes de ébola, identificar nuevas cepas de tuberculosis
resistentes a los medicamentos y, con suerte, usar toda esta información para ayudar a prevenir la
propagación.