Elementos químicos

Química orgánica. Tabla periódica. Carbono. Alcalinos. Alcalinoterros. Oxígeno. Metales. Gases nobles

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Análisis de los elementos de la tabla periódica

Grupo i a: los metales alcalinos

Los metales alcalinos, litio ( li ), sodio ( na ), potasio ( k ), rubidio ( rb ), cesio ( cs ) y francio ( fr ), son metales blandos de color gris plateado que se pueden cortar con un cuchillo. Presentan densidades muy bajas y son buenos conductores de calor y la electricidad; reaccionan de inmediato con el agua, oxigeno y otras substancias químicas, y nunca se les encuentra como elementos libres ( no combinados) en la naturaleza. Los compuestos típicos de los metales alcalinos son solubles en agua y están presentes en el agua de mar y en depósitos salinos. Como estos metales reaccionan rápidamente con él oxigeno, se venden en recipientes al vacio, pero por lo general se almacenan bajo aceite mineralo queroseno. En este grupo los más comunes son el sodio y el potasio.

Grupo ii a: los metales alcalinoterreos

Entre los elementos del grupo ii a. Se encuentran el berilio ( be ), magnesio ( mg ), calcio ( ca ), estroncio ( sr ), bario ( ba ) y el radio ( ra ). Estos metales presentan puntos de fusion mas elevadosque los del grupo anterior, sus densidades son todavía mas bajas, pero son algo mas elevadas que la de los metales alcalinos comparables. Son menos reactivos que los metales alcalinos. Todos los los metales alcalinoterreos poseen dos electrones de valencia y forman iones con doble carga positiva ( 2 + ).

El calcio ocupa el quinto lugar en abundancia; alrededor del 4 % de la corteza terrestre es calcio o magnesio. El carbonato de calcio es el compuesto que forma la greda, la piedra caliza y la calcita. La cal, el cemento, lso huesos y los depositos de conchas marinas son ricos en calcio. El magnesio metalico se emplea para polvo de iluminación instantánea, bombillas fotograficas, y en aleaciones de aluminio, en especial para aviones y proyectiles. Casi todo el " agua dura "contiene iones calcio y magnesio, el berilio es costoso, pero las aleaciones de este metal se emplean en herramientas que no producen chispas, en resortes y electrodos para soldadura por puntos. El berilio y sus compuestos son toxicos. Los compuestos de bario son extensamente en pigmentos blancos. El radio es radiactivo.

 

Grupo iii a:

 

El primer elemento del grupo iii a es el boro ( b ), un metaloide con un punto de fusion muy elevado y en el que predominan las propiedades no metalicas. Los otros elementos que comprenden este grupo son: aluminio ( al ), galio ( ga ), indio ( in ), y talio (tl ), que forman iones con una carga triple positiva ( 3 + ). La densidad y las características metalicas aumentan conforme se incrementa él numero atomico de este grupo.

El boro no sé encuntra libre en la naturaleza, pero es el elemento fundamental del borax. Este compuesto se emplea como suavizante de agua y en agente de limpieza. Desde el punto de vista químico, el boro se comporta mas como el metaloide silicio que como el aluminio metalico.

El aluminio se encuentra adyacente a dos metaloides en la tabla periódica, pero en sus propiedades predominan las de tipo metalico. El aluminio es un buen conductor de calor y la electricidad, y es un metal dúctil que se emplea en alambres ligeros. Es el metal que más abunda en la corteza terrestre ( 8 %), pero es demasiado activo para encontrarse libre en la naturleza. Se utiliza por ejemplo en aeronaves, alambre de trasmisión electrica, motores, automóviles, utensilios de cocina, pigmentos para pinturas y papel aluminio.

El galio se funde a 29.8  c, solo un poco arriba de la temperatura ambiente, la demanda de este metal va en aumento; tiene aplicaciones nuevas en semiconductores de estado sólido para computadores y celdas solares. El indio es muy blando; entre otras cosas, se emplea en transistores y recubrimientos de espejos. El talio y sus compuestos son toxicos.

Grupo iv a: la familia del carbono.

El carácter metalico aumenta de arriba hacia abajo en el caso de los elementos carbono ( c), silicio ( si ), germanio ( ge ), estaño ( sn ), y plomo ( pb ). Las diferencias en la posición cristalina de los atomos de carbono explican la dureza resbaladiza del grafito negro. A las formas distintas de un mismo elemento, como estas, se les llama alótropos. A mediados de la decada de 1980 sé descubrio una nueva forma alotropica del carbono, con 60 atomos dispuestos en un patron parecido a la superficie de un balon de fútbol soccer a estas esferas de carbono 60 se les suele dar el nombre de buckybolas. El carbono vegetal es una forma alotropica no cristalina ( o quizas microcristalina) del carbono; no presenta un patron atomico definido. Además de los dos oxidos de este elemento, dióxido de carbono ( co2 ) y monóxido de carbono (co) el carbon esta presente en mas de 8 millones de compuestos. Entre los compuestos organicos ( que contienen carbono) estan las sustancias naturales presentes en todos los seres vivos. Todos los productos del petroleo y los sintéticos que van de los plásticos a las fibras y medicamentos, son tambien compuestos organicos.

El silicio, el segundo miembro de este grupo, es un metaloide en el que predominan las propiedades no metalicas. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre ( 26%) pero no se encuentra como elemento libre, la arena de cuarzo, que es dióxido de silicio, se emplea en la producción de vidrio y cemento. El silicio posee un lustre metalico gris. Este metaloide ha ejercido un impacto enorme en la tecnología moderna, pues se emplea silicio extremadamente puro en la manufactura de semiconductores y chips de computadora. El carborundo es carburo de silicio, un compuesto de silicio y carbono que se utiliza en herramientas de corte y esmerilado. El germanio es tambien un semiconductor metaloide y participa en miles de aplicaciones electrónicas.

 

 

 

Grupo v a:

Entre los elementos del grupo v a estan los no metales nitrógeno (n) y fósforo (p) , lso metaloides arsénico (as) y antimonio ( sb), y el metal pesado bismuto (bi). Como se ve, en este grupo hay un cambio total en apariencia y propiedades de arriba hacia abajo.

El nitrógeno gaseoso diatómico ( n2 ) constituye el 78 % del aire en volumen. Tanto el nitrógeno como el fósforo son fundamentales para la vida. El nitrógeno es un elemento indispensable para los aminoácidos que componen todas las proteinas. Las moléculas de nitrógeno del aire no son muy reactivas, pero ciertas bacterias del suelo pueden " fijar" el nitrógeno al convertir el elemento en amoniaco, que en esa forma puede ser incorporado por las raices de las plantas. En escala industrial, el nitrógeno y el hidrógeno gaseosos se combinan para producir amoniaco gaseoso, nh3 que se utiliza como fertilizante y tambien en la manufactura de acido nitrico y diversos explosivos.

El fósforo es un solido reactivo que no se encuentra libre en la naturaleza. Una de las formas alotropicas del fósforo es un material rojo púrpura no cristalino que alguna vez se utilizo para fabricar cerillas. Otra forma alotropica, de formula p4 presentan una apariencia cerosa cristalina de color amarillento y es preciso mantenerla bajo el agua para evitar su combustión espontánea con el oxigeno del aire. El fósforo se emplea en la fabricación de cerillas, bombas de humo, balas trazadoras plaguicidas y otros muchos productos. Este elemento es fundamental para todas las celulas vegetales y animales.

El arsénico es un metaloide en el que predominan las propiedades no metalicas. Tanto el elemento como sus compuestos son toxicos, en parte porque el primero puede imitar casi por completo el comportamiento químico del fósforo, pero el arsénico es incapaz de funcionar como el fósforo en los tejidos vivos, y tiene resultados letales. Ciertos insecticidas y funguicidas agrícolas contienen arsénico. El elemento tambien se utiliza en aplicaciones de semiconductores e en laseres.

El antimonio es un metaloide en qel que predominan las propiedades metalicas. El elemento es quebradizo y escamoso, con lustre metalico. Se emplea para aumentar la dureza del plomo destinado a las baterias de automóvil, en cubiertas para cable y en balas trazadoras. Ciertos compuestos de antimonio se usan en pigmentos para pinturas , en esmaltes cerámicos y en agentes para incombustibilizar.

El bismuto es el unico metal verdadero en este grupo. Se utiliza para hacer aleaciones como el peltre, y aleaciones de bajo punto de fusion que se emplean en fusibles eléctricos y sistemas de aspersión contra incendios. Ciertos compuestos de bismuto se usan en polvos faciales y cosméticos.

Grupo vi a:

Los elementos del grupo vi a, conocidos como la familia del grupo del oxigeno, comprenden al oxigeno (o), azufre (s), selenio (se), telurio (te) y polonio (po). Aunque todos ellos tienen seis electrones de valencia, sus propiedades varian de no metalicas a metalicas en cierto grado, conforme aunmenta el numero atomico.

El oxigeno gaseoso, o2 es fundamental para la vida; es necesario para quemar los combustibles fosiles y obtener asi energia, y se requiere durante el metabolismo urbano para quemar carbohidratos. En ambos procesos, los productos secundarios son dióxido de carbono y agua. El oxigeno constituye el 21 % en volumen del aire y el 49.5 % en peso de la corteza terrestre.

La otro forma alotropica del oxigeno es el ozono, cuya formula es o3 es mas reactivo que el oxigeno ordinario y se puede formar a partir de oxigeno en un arco electrico, como el descargador a distancia de un motor electrico, tambien se puede producir ozono por la accion de la luz ultravioleta sobre el oxigeno; esto explica el aroma " fresco del aire durante las tormentas electricas".

El azufre es el segundo elemento no metal del grupo. A temperatura ambiente es un solido amarillo palido que se encuentra libre en la naturaleza. Lo conocían los antiguos y se le menciona en el libro del genesis como piedra de azufre. Las moléculas de azufre contienen ocho atomos de azufre conectados a un anillo; su formula es s8 . El azufre tiene una importancia especial en la manufactura de neumáticos de hule y acido sulfurico, h2so4 . Otros compuestos de azufre son importantes para blanquear frutos y granos.

El selenio es un no metal que presenta interesantes propiedades y usos. La conductividad de este elemento aumenta con la intensidad de la luz. A causa de esta fotoconductividad, el selenio se a utilizado en los medidores de luz para camaras fotograficas y en fotocopiadoras, pero la preocupación que origina su toxicidad ha hecho que disminuya su uso. El selenio tambien puede convertir la corriente electrica alterna en corriente directa; se ha utilizado en rectificadores, como los convertidores que se usan en los radios y grabadores portátiles, y en herramientas electricas recargables. El color rojo que el selenio imparte al vidrio lo hace util en la fabricación de lentes para señales luminosas.

El telurio, tiene aspecto metalico, pero es un metaloide en el que predominan las propiedades no metalicas. Se emplea en semiconductores y para endurecer las placas de los acumuladores de plomo y el hierro colado. Se presenta en la naturaleza en diversos compuestos, pero no es abundante. El polonio es un elemento radiactivo poco comun que emite radiación alfa y gama; su manejo es muy peligroso. Los usos de este elemento se relacionan con su radiactividad, y fue descubierto por marie curie, quien le dio este nombre en honor a su natal polonia.

Grupo vii a: los halogenos.

Comprenden el fluor (f), cloro (cl), bromo (br), yodo (i), y astatino (at). El nombre de la familia halogeno provienen de las palabras griegas que significan " formadores de sales". Cada atomo de halogeno tiene siete electrones de valencia. Como elementos , los alogenos son todos diatomicos, tienen dos a tomos por molécula y son demasiado reactivos como para encontrarse libres en la naturaleza.

El primer halogeno, el fluor es un gas amarillo palido, que es el elemento con mas carácter no metalico de todos. Tienen una fuerte tendencia a ganar un electrón para formar iones fluoruro, f . Tanto la madera como el hule arden en forma espontánea en fluor gaseoso. El fluor se emplea en la producción de compuestos con carbono llamados fluorocarbonos, como el freon-12, ccl2f2 , que se utiliza como refrigerante en aparatos de aire acondicionado. El teflón es un fluorocarbono que es un polimero; tiene unidades moleculares de dos atomos de carbono y cuatro atomos de fluor que se repiten miles de veces en largas cadenas. Los compuestos de fluor tambien se utilizan para prevenir la caries dental y en ciertos lubricantes.

El cloro es un gas amarillo verdoso de olor irritante, que reacciona con casi todos los elementos. En concentraciones elevadas es muy venenoso, pero es bajas concentraciones puede salvar vidas: se emplea para purificar el agua potable, se emplea en la producción de papel, textiles, blanqueadores, medicamentos, insecticidas, pinturas, plásticos y muchos otros productos de consumo.

El bromo es el unico elemento no metalico que es liquido a temperatura ambiente. Este liquido reactivo de color rojo sangre con un vapor rojo, es picante y venenoso; se debe manejar con extremo cuidado. El elemento se obtiene principalmente procesando salmuera extraida de los pozos de arkansas y michigan. Tambien se puede obtener bromo del agua de mar, pero esto ya no constituye una fuente importante del elemento. El bromo se utiliza en la producción de sustancias químicas para fotografia, colorantes y retardantes de flama, y en la manufactura de un amplia variedad de otras sustancias químicas, incluso productos farmacéuticos.

A temperatura ambiente el yodo es un solido cristalino de color gris metalico. Cuando se calienta, el yodo solido se sublima, es decir se transforma, directamente del estado solido al gaseoso sin pasar por el estado liquido. El vapor de yodo presenta un hermoso color violeta brillante. El yodo que es menos abundante que otros halogenos, se obtiene de pozos de salmuera que hay en los campos petroleros de california y luisiana. El elemento esta presente tambien en ciertos vegetales marinos, como las algas, los compuestos de yodo se utilizan en productos químicos para fotografia y tambien en ciertos medicamentos. El cuerpo humano necesita un poco de yodo para elaborar la hormona tiroxina.

Todos los isótopos del astatino son radioctivos. Se cree que la cantidad total de este elemento, existe en la corteza terrestre, es menor que 30 gr. (una onza). Muestras minúsculas de este inestable elemento se sintetizaron por primera vez en la universidad de california, berkeley, en 1940.

Grupo viii a: los gases nobles.

Esta familia incluye al helio (he), neon (ne), argon (ar), cripton (kr), xenon (xe) y radon (rn). Los gases nobles existen en forma de atomos gaseosos monoatómicos (solos) que no tienden a participar en reacciones con otros elementos.

Todos loa gses nobles poseen un nivel energético externo lleno por completo de electrones (dos en el helio y ocho en todos los demas). Esta distribución estable de electrones explica la naturaleza no reactiva de estos elementos. Alrededor del 1 % de la atmósfera de la tierra es argon, y los otros gases nobles estan presentes en cantidades muy pequeñas. A excepcion del helio, que se extrae de pozos de gas natural, estos elementos se separan del aire licuado.

Durante la decada de 1890, el químico escoses sir william ramsey y sus colaboradores, descubrieron la existencia de todos estos elementos excepto el helio y el radon. Cunado janssen, astrónomo, empleaba un espectroscopio par estudiar un eclipse de sol en 1868, observo una nueva linea en el espectro. Se concluyo que el sol tenia un elemento aun no descubierto que mas tarde recibio el nombre de helio, derivado de la palabra griega helios, que significa el " sol". El primer descubrimiento de la presencia de helio en la tierra tuvo lugar en 1895, cuando ramsey encontro una muestra de mineral de uranio producia helio gaseoso. El radon es un gas radioactivo descubierto en 1900 por friedrich dorn, fisico quien encontro que se producia este elemento durante la descomposición radioactiva del elemento radio.

Debido a su baja densidad u naturaleza no inflamable, el helio se utiliza para inflar globos y dirigibles (zepelines), y para mantener bajo presion el combustible liquido de los cohetes saturno. La propiedad que distingue a los gases nobles como grupo, es su calidad de "inertes". Por ejemplo, el helio y el argon se emplean en la soldadura del arco y en procesos metalúrgicos, para evitar la reaccion de los materiales con el oxigeno y el nitogeno del aire. Las bombillas de luz y los tubos fluorescentes se llenan con una mezcla de argon y nitrógeno, que provee una atmósfera inerte para prolongar la vida del filamento. El cripton es mas costoso, pero se utiliza para aumentar la eficiencia y brillantes de ciertas bombillas de lampara de mano y de aditamentos de destello electrónico que se emplea en fotografia. La brillante luz naranja-rojiza de los anuncios de neon se produce cuando se hace pasar una corriente electrica a travez de un tubo que contiene gas neon a baja presion. La naturaleza no reactiva de los gases nobles los hace muy valiosos.

Metales de transicion.

Los metales de transición se localizan en la parte central de la tabla periódica y se les identifica con facilidad mediante un numero romano seguido de la letra "b" en muchas tablas. No hay que olvidar, sin embargo, que ciertas tablas periódicas emplean un sistema distinto de rotulos , en el que los primeros grupos de metales de transición estan marcados como grupos "a" y los dos ultimos grupos de metales de transición se identifican como grupos "b". Otras tablas no emplean la desingnacion de "a" o "b".

En general, las propiedades de los metales de transición son bastantes similares. Estos metales son mas quebradizos y tienen puntos de fusion y ebullición mas elevados que los otros metales. Las densidades, puntos de fusion y puntos de ebullición de los metales de transición aumentan primero y luego disminuyen dentro de cada periodo, conforme aumenta el numero atomico. Esta tendencia es mas notoria en los metales de transición del sexto periodo. Los metales de transición son muchos menos reactivos que los metales alcalinos y alcalinoterreos. Asi, aunque los metales alcalinos, como el sodio o el potasio, nunca se encuentran libres en la naturaleza, si se ha podido encontrar muestras relativamente puras de varios metales de transición, como oro, plata, hierro y manganeso.

Los metales de transición pueden perder dos electrones de valencia del subnivel s mas externo, además de electrones d retenidos con poco fuerza en el siguiente nivel energético mas bajo. Asi un metal de transición en particular, puede perder un numero variable de electrones para formar iones positivos con cargas distintas. Por ejemplo, el hierro pueden formar el ion fe2+ o el ino fe3+ se dice que el hierro tienen numeros de oxidación +2 y +3. Muchos compuestos de metales de transición presentan un colorido brillante gracias a un numero variable de electrones no aparedos.

El cobre, la plata y el oro se les llama metales de acuñación. Los tres son buenos conductores de calor y electricidad. El cobre tiene un color rojizo característico, que poco a poco se oscurece conforme reacciona el metal con el oxigeno y los compuestos de azufre del aire. El cobre se emplea de manera extensa en aplicaciones electricas, monedas, tubería para agua y en aleaciones muy conocidas como el laton, el bronce y la plata sterling.

La plata con un brillante lustre metalico, es el mejor conductor tanto de calor como de la electricidad. Se emplea en monedas, joyeria, contactos eléctricos, circuitos impresos, espejos, baterias, y productos químicos para fotografia. El oro es el mas maleable y dúctil de los metales. Es blando, pero por lo general contiene cantidades pequenas de otros metales para hacer aleaciones que son mas resistentes. El oro no reacciona con el aire ni con la mayor parte de las ustancias químicas.

Entre otros metales de transición familiares estan el cromo, hierro cobalto, niquel y zinc, del cuarto periodo de la tabla periódica. Estos metales se emplean mucho en diversas herramientas y en aplicaciones relacionadas. El hierro es el cuarto elemento mas abundante y es el metal menos costoso. Las aleaciones del hierro, conocidas como acero, contienen cantidades pequeñas de metales como cromo, manganeso y niquel, que le dan resistencia, dureza y durabilidad. El hierro que esta cubierto con una delgada capa de zinc se dice que esta galvanizado. Algo asi como la tercera parte de todo el zinc que se produce de emplea para galvanizar alambre, clavos y metal laminado. El zinc es importante en la producción de laton, pilas secas y fundiciones a troquel para objetos automotrices y de ferretería.

Metales de transición internos.

Las dos filas de la parte inferior de la tabla periódica se concocen como metales de transición internos. Localiza el lantano con el numero atomico 57. La serie de elementos que siguen al lantano ( los elementos con numero atomico del 58 al 71) se conocen como los lantanidos. Estos elementos tienen dos electrones externos en el subnivel 6s, mas electrones adicionalesen el subnivel 4f. De manera similar, la serie de elementos que siguen al actino (lodselementos con numero atomico del 90 al 103) se conocen como actinidos, que tienen dos electrones externos en el subnivel 7s, mas electrones adicionales en el subnivel 5f. En el pasado, a los elementpos de transicion internos se les llamaba "tierras raras" , pero esta no era una buena clasificacion, pues la mayor parte no son tan raros como algunos otros elementos son, sin embargo muy difícil de separar.

Los lantanidos y actinidos poseen subniveles f parcialmente ocupados. Tienen propiedades tan similares que resulta difícil separarlos químicamente, aunque los metodos mas nuevos han permitido bajar los costos de purificación. Estos metales, a diferencia de los metales de transición, son blandos y maleables. Se emplean en piedras de encendedores de cigarrillos, lamparas de arco de carbono, laseres, agentes colorantes para el vidrio y compuestos que producen el intenso color rojo que se requiere para los cinescopios de televisión.

Elementos transuranicos.

El uranio, con el numero atomico 92, pertenece a la serie de los actinidos y tiene mas protones que cualquier otro elemento presente en la naturaleza. En 1940 se sintetizo un nuevo elemento con 93 protones en la universidad de california en berkeley. Este elemento, llamado neptunio, es el primer miembro de los elementos sintéticos con numeros atomicos mayores de 92. A estos elementos se les llama transuránicos, y todos ellos son radioactivos. El plutonio tambien se sintetizo en 1940; en la actualidad se produce como un producto secundario de reactores nucleares. Hasta ahora se han producido 16 elementos transuránicos; algunos de ellos son bastante estables, en tanto que otros sufren con facilidad una desintegración radioactiva. Los nombres de los elementos del 95 al 103 se derivaron de lugares y científicos importantes. Los elementos del 95, 97 y 98 recibieron su nombre en honor de america, berkeley y california, respectivamente. Los elementos con numeros atomicos 96, 99, 100, 101, 102, y 103 fueron bautizados , respectivamente , en honor a los curie, albert einstein, enrico fermi, mendeleev, alfred novel y ernest lawrence (inventor del ciclotron). En 1994 se propuso formalmente que el elemento 106 se llamara seaborgio (sg) en honor de glenn t. Seaborg, por su trabajo con los elementos transuránicos.

El equipo que se requiere para producir nuevos elementos transuránicos se ha vuelto mas complejo, pero no hay razon para dudar de que sinteticen elementos adicionales, o de que se encuentren nuevos usos para los elementos naturales y sintéticos.

 POLARIDAD MOLECULAR.

La polaridad de una molécula depende de:

El tipo de enlace.

La geometría molecular.

Las geometrías moleculares que podemos observar son:

Lineal como la que presenta la molécula CO2, angular como la que presenta la molécula H2O, Piramidal como la que presenta el NH3, Trigonal plana como la que presenta el compuesto BF3, y Tetraédrica como la que presenta el CH4.

A continuación con ayuda de una tabla resumimos la información ya citada.

Cuando una molécula presenta polaridad puede ser atraída por campos magnéticos o ser soluble en solventes polares. De acuerdo a esta información podemos encontrar moléculas polares y no polares. Como ejemplos de moléculas no polares podemos mencionar: CH4,CO2, CCl4, BF3, y como moléculas polares podemos mencionar: H2O, HCl, NH3 La molécula CH4 es no polar por su geometría pero polar por la diferencia de electronegatividad la cual tiene un valor de: 0.4. La molécula de bióxido de carbono presenta características similares es decir sus enlaces son covalentes polares por la diferencia de electronegatividad la cual tiene un valor de 1.0, pero por su geometría es una molécula no polar.

Geometría. Pares de e-

alrededor del

átomo central. Ejemplos. Imagen.

Lineal. 2 BeH2,

HF,CO2

Trigonal Plana. 3 BF3

Tetraédrica. 4 CH4

Piramidal. 4 NH3

Angular. 4 H2O

GEOMETRIA MOLECULAR

La geometría tridimensional de las moléculas está determinada por la orientación relativa de sus enlaces covalentes. En 1957 el químico canadiense Ron Gillespie basándose en trabajos previos de Nyholm desarrolló una herramienta muy simple y sólida para predecir la geometría (forma) de las moléculas.

La teoría por él desarrollada recibe el nombre Teoría de Repulsión de los Pares de Electrones de Valencia (TRPEV) y se basa en el simple argumento de que los grupos de electrones se repelerán unos con otros y la forma que adopta la molécula será aquella en la que la repulsión entre los grupos de electrones sea mínima.

Para la TRPEV grupos de electrones pueden ser:

• un simple enlace

• un doble enlace

• un triple enlace

• un par de electrones no enlazante

Para predecir la geometría de una molécula necesitamos conocer solamente cuantos grupos de electrones están asociados al átomo central para lo cual debemos escribir la fórmula de Lewis de la molécula.

Luego simplemente nos preguntamos como los grupos de electrones se distribuirán espacialmente de modo que la repulsión entre ellos sea mínima.

Es importante recordar que la geometría de la molécula quedará determinada solamente por la distribución espacial de los enlaces presentes y no por la posición de los pares electrónicos no enlazantes, los que si deberán ser tenidos en cuenta en el momento de determinar la disposición espacial de todos los grupos electrónicos, sean enlaces o no.

Por ejemplo la molécula de H2S tiene la siguiente fórmula de Lewis:

En ella podemos identificar 4 grupos de electrones: dos enlaces simples y dos pares de electrones no enlazantes.

Para minimizar las repulsiones entre ellos adoptarán una geometría tetraédrica, colocándose cada grupo en el vértice de un tetraedro que tiene como centro al átomo de azufre. Sin embargo a la hora de determinar la geometría de la molécula, la misma sólo queda determinada por la distribución de los enlaces, por lo que la geometría del H2S será angular.

Note que el ángulo HSH es menor que 109.5°, el ángulo de un tetraedro regular. Esto se debe a la mayor repulsión generada por el mayor volumen de los pares de electrones no enlazantes.

En la tabla se muestran las distintas geometrías que adoptan las moléculas dependiendo de la cantidad de grupos elctrónicos y enlaces que presentan.

Para visualizar las estructuras tridimensionales que se muestran en la tabla, es necesario instalar el plugin CHIME, para lo cual utilice como username la dirección cef@bilbo.edu.uy o si lo desea regístrese como nuevo usuario (es gratis!!)

Total átomos + pares no

enlazantes alrededor

del átomo central Atomos Pares no enlazantes Geometría Ejemplos

2 2 0 Lineal CO2

3 3

2 0

1 Trigonal plana

Angular BCl3

SO2

4 4

3

2 0

1

2 Tetraédrica

Pirámide trigonal

Angular SiF4

PH3

H2S

5 5

4

3

2 0

1

2

3 Bipirámide trigonal

Balancín

Forma "T"

Lineal PF5

SCl4

IF3

XeF2

6 6

5

4 0

1

2 Octaédrica

Pirámide b.cuadrada

Cuadrada plana SiF6-2

IF5

ICl4-

Para el científico ahora parece casi imposible de imaginarse como la ciencia sería si los conceptos de átomo y de la molécula no fuesen introducidos. Sin embargo, al principio de este siglo era absolutamente posible que un buen químico tuviera serias dudas com respecto a la viabilidad de este modelo. La propuesta de la teoría atómica publicada por Dalton en su libro, "A New System of Chemical Philosophy, en 1808, no dejó de recibir objeciones por parte de la comunidad científica de la época. Los químicos como Ostwald desarrollaron estudios sin mencionar inclusive cualquier teoría que pudiese hacer pensar en la posibilidad de la existencia de átomos o de moléculas.

Con los descubrimientos de las radiaciones y de los electrones al final del siglo XIX se hizo posible imaginar y mismo empezar a medir acontecimientos que sugerian la posibilidad de discontinuidad en la materia. El famoso experimento de Rutherford, la hipótesis de la cuantización de la energia por la teoria de la radiación del cuerpo negro de Plank, la confirmación de ésta por el efecto fotoeléctrico y la dispersión Compton, el princípio de dualidad onda-partícula de De Broglie, experimentalmente comprobado por la difracción de los electrones y algunos otros hechos experimentales que fueron resolvidos admitiéndose que existía una discontinuidad en la materia y en la energia. El resultado de todas estas informaciones culminó con la creación en 1927 del modelo atómico de Schrödinger.

Con la aceptación de la existencia de los átomos, no fue muy difícil aceptarse la existencia de las moléculas, como entidades que pueden definirse como agrupaciones específicas de átomos, unidos por intensas fuerzas de interacción electrostática. La característica más importante para ser destacada es que cada molécula se comporta como una unidad independiente de la otra, esto es, ella conserva las propiedades del sistema. Este tipo de consideración es bastante viable cuando observamos sistemas gaseosos. Pero, a medida que condensamos la materia, es decir, a medida que hacemos con que las moléculas se encuentren más próximas una de las otras, se intensifican una serie de interacciones inter-moleculares que producen desviaciones en algunas propiedades químicas y físicas com respecto al estado gaseoso.

Dos preguntas aparecen cuando pensamos en las moléculas. La primera corresponda a las fuerzas que mantienen unidos el grupo limitado de átomos, es decir, ¿porqué las moléculas muestran composición atómica constante? La segunda dice al respecto de la necesidad de saber si la distribución de los átomos en la molécula es un factor importante, o en palabras más simples, ¿la geometria molecular representa un papel importante en las propiedades de los sistemas macroscópicos?

importante en las propiedades de los sistemas macroscópicos? Con el experimento de Rutherford la hipótesis de la naturaleza eléctrica de los átomos fue enfatizada, siendo estos constituidos por partículas con carga positiva, negativa y partículas sin carga. Por consiguiente, las fuerzas de interacción serian de naturaleza eléctrica, lo que contestaria la primera pregunta muy superficialmente.

Para responder a la segunda, utilizaremos algunas informaciones experimentales. Vamos a suponer que tenemos tres compuestos A, B y C que presentan las propiedades siguientes:

Molécula Ponto de Fusión (oC) Ponto de Ebullición (oC)

A -126,0 97,0

B -86,0 82,5

C - 10,8

Estos datos sugieren que los tres compuestos son diferentes. Haciendo un análisis elemental de A, B y C observaremos que las moléculas de los tres compuestos presentan la misma composición: 3 átomos de carbono, 8 átomos de hidrógeno y 1 átomo de oxígeno. Con la información de que los tres compuestos son constituidos por los mismos tipos y número de átomos y que sus propiedades son completamente diferentes, podemos concluir que el factor responsable por esa diferencia de propiedades proviene de los diferentes arreglos geométricos de los átomos en las tres moléculas. Esto es exatamente lo que se observa: A y B son compuestos caracterizados actualmente como alcoholes y C corresponde a un éter. Su distribución grosera puede ser dada por las siguientes representaciones:

A H3C-CH2-CH2OH

B H3C-HCOH-CH3

C H3C-CH2-O-CH3

Para tener mayor conocimiento de como varian las propiedades macroscópicas con el arreglo geométrico de los átomos, seria necesario que conociesemos las longitudes y ángulos de enlace de cada molécula y en este trabajo, lo que intentaremos mostrar es exactamente como esto es realizado, o mejor, las técnicas experimentales que nos permiten medir esas magnitudes.

TIPOS DE ENERGIA

Energía: Se define como la capacidad de efectuar un trabajo. Trabajo es el producto de una fuerza.

T = F x d

W = F x d

Todas las energías producen un trabajo, es decir una fuerza en una distancia. Los químicos definen el trabajo: como el cambio de energía producida por un proceso.

Energía radiante o solar.

Principal fuente de energía de la tierra. La energía solar calienta la atmósfera y la superficie terrestre. También influye en la fotosíntesis y el clima.

Energía térmica. Es la energía asociada con el movimiento aleatorio de los átomos y las moléculas. Se calcula a partir de las mediciones de temperatura. Cuando más vigoroso es el movimiento de los átomos y las moléculas una muestra de materia estará más caliente y su energía térmica será mayor. Recordar ejemplo de la tina y taza de café dadas en clases.

Calor. Es la energía contenida en los movimientos moleculares. La energía que hace que el termómetro registre una temperatura o un cambio de temperatura.

Energía química. Es una energía que se almacena dentro de las unidades estructurales de las sustancias. Depende del tipo de constitución de los átomos que forman esa sustancia.

Una reacción química libera, almacena y convierte la energía en otro tipo de energía.

Energía potencial.

Formula

E.P = m x h

m = masa

h = altura

Es la energía disponible en función de la posición de un objeto.

En la energía química se considera como energía potencial porque está relacionada con la posición relativa y el acomodo de los átomos en una sustancia determinada.

Cuando se hace ejercicio la energía química almacenada en el cuerpo se convierte en energía cinética.

Energía cinética. Es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo según su velocidad.

E.C = 1/2 m x v2

m = masa

v = velocidad

Cambios energéticos en las reacciones químicas. En la combustión del gas natural y petróleo lo más importante es la energía térmica que se libera y no el agua y el dióxido de carbono que se forman. Casi todas las reacciones absorben o producen energía en forma de calor.

Calor (q). Es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas.

Flujo de calor. Con frecuencia se habla de flujo de calor desde un objeto caliente hacia un objeto frío.

Calor por si solo implica transferencia de energía. Se habla de "calor absorbido" y "calor liberado" para describir los cambios energéticos que ocurren durante un proceso.

Termoquímica. Es el estudio de los cambios de calor en las reacciones químicas.

Entonces, para analizar los cambios de energía asociados a las reacciones químicas, llamaremos sistema a la parte específica del universo que nos interesa.

Para los químicos, los sistemas incluyen sustancias que están implicadas en los cambios químicos y físicos. Ejemplo: en un experimento de neutralización ácido-base el sistema puede ser el recipiente que a la vez contiene 50 ml. de HCl al cual se le agregan 50 ml. de NaOH.

Alrededores: son el resto del universo externo al sistema.

Tipos de sistemas:

Sistema abierto: intercambia masa y energía por lo general en forma de calor, con sus alrededores.

Sistema cerrado: permite la transferencia de energía (calor) pero no de masa.

Sistema aislado: no permite la transferencia de masa y energía.

Proceso exotérmico. Es cualquier proceso que sede calor, es decir que transfiere energía térmica a sus alrededores.

Tipos de Energía

La energía se presenta en muchas formas, aunque por regla general las energías que más consumimos son de dos tipos, la química y la eléctrica. La energía química es la que hace funcionar nuestros coches, motos, camiones, barcos y aviones, y la extraemos de combustibles fósiles como el petróleo, el gas o el carbón, o bien fabricando combustibles a partir de otras energías. La energía eléctrica es la que consumimos en casa y nos llega a través de una red eléctrica que cubre casi todo el planeta. Para producir esa energía existen centrales que la fabrican a partir de combustibles fósiles, energía solar, hidráulica, eólica, térmica, atómica, etc.Vemos pues que si bien la Naturaleza crea muchos tipos distintos de energía, nosotros las usamos todas de unas pocas formas distintas, y si al encender una bombilla durante una hora consumimos 100 watios, nadie nos puede asegurar de dónde han salido esos watios, si de un generador termosolar, una central nuclear, un generador eólico o una central hidroeléctrica. Aunque en último término, todos esos tipos de energía han tenido un mismo origen: El Sol. El Sol calienta grandes masas de aire produciendo vientos que generan energía eólica. Evapora el agua de los mares para formar nubes que, al condensarse en las montañas generan ríos que son embalsados para producir energía hidroeléctrica.

Hace que las plantas conviertan materia mineral extraída del suelo por las raíces en materia viva, capaz de formar leña, carbón y petróleos. Incluso la energía atómica tiene su origen en el Sol, si pensamos que todos los elementos existentes más pesados que el hidrógeno, el uranio entre ellos, han tenido su origen en el interior de una estrella, no nuestro Sol precisamente, pero quizás un abuelo del Sol que nació, brilló durante mucho tiempo y explotó para que de sus cenizas, y de otros muchos soles destruidos, se formasen nuevos soles, pero esta vez con planetas sólidos que pudiesen albergar vida. Pero aunque todas las energías tengan el mismo origen, no todas se usan ni actúan de la misma forma. Las energías fósiles, por ejemplo, contaminan el medio ambiente con humos, cenizas y desechos industriales que destruyen la vida allí donde son vertidos accidental o intencionadamente. Es la contaminación química, que en los dos últimos siglos ha provocado la extinción de muchas especies animales y vegetales debido a las emisiones de gases contaminantes como el CO2 y que contribuyen al cambio climático que parece estar produciéndose en la Tierra. También la energía atómica utiliza un combustible que es peligroso para la vida y deja unos residuos que son mortales. Es la contaminación radiactiva, capaz de provocar mutaciones en los genes de las personas y que puede amenazar la supervivencia de muchas especies. Por último, hay muchas energías que no se pueden usar directamente, sino que debemos transformarlas para que nos sean útiles.Así, la velocidad del viento o el cauce de los ríos se convierten en energía eléctrica que en esa forma sí pueden llegar a nuestros hogares. Pero en todas las transformaciones de un tipo de energía en otro se producen pérdidas de eficiencia. Esas pérdidas provocan una disipación de calor, es decir si la eficiencia de una transformación es del 90%, significa que el diez por ciento de la energía original se pierde, convertida en calor.

Es la contaminación térmica que, junto con la contaminación química, contribuye al cambio climático. Puesto que el origen de todas las energías es el Sol, y su destino en casi todos los casos es acabar en nuestros enchufes, da la impresión de que lo mejor y más eficiente debería ser transformar la energía solar directamente en electricidad. En realidad no es así. Más del noventa por ciento de la energía mundial se produce a partir del carbón, el petróleo y el gas natural, precisamente las tres fuentes de energía que están a punto de agotarse.

La mayor parte de estas fuentes energéticas se usan como combustible para el transporte y la calefacción, el resto se usa para convertir agua en vapor, que se hace pasar por una turbina, que hace girar una dinamo para producir electricidad.

Del resto de la energía que se consume en el mundo, la mitad se produce a partir de plantas nucleares, (que calientan agua para convertirla en vapor que... etc) que tras demostrar en varias ocasiones lo peligrosas que pueden resultar para la humanidad, hoy en día se están desmantelando en muchos países del mundo.

Otra cantidad importante es producida a partir de presas hidroeléctricas, y sorprendentemente esta resulta ser una de las fuentes de energía más eficientes, ya que más del noventa y cinco por ciento de la energía cinética del agua durante su caída se convierte en electricidad. (Es lógico, porque mueven una turbina sin necesidad de calentar el agua ni convertirla en vapor).

Por desgracia hay muy pocos países que tengan ríos suficientes para autoabastecerse de energía, y aunque una presa no contamina, requiere unas instalaciones costosas y destruye el ecosistema del río allí donde se instala. (Simplemente pensemos en los peces marinos que desovan en los ríos. Con una presa en su camino no podrían ir a desovar a donde sus antepasados han desovado desde hace millones de años). Vista la situación, es lógico que cada vez haya más investigaciones acerca de fuentes de energía alternativa.Y estas investigaciones se extienden como una rosa de los vientos en todas direcciones, buscando una fuente abundante que pueda abastecer de energía barata a toda la humanidad antes de que se agoten las actuales. Las centrales geotérmicas intentan aprovechar las altas temperaturas del interior de la Tierra para convertir agua en vapor.Una central eólica instala molinos de viento en la cima de montañas o en extensas llanuras, no para moler trigo ni para sacar agua de un pozo, sino para mover directamente una turbina, con lo que resulta ser otra fuente energética bastante limpia.Se han ensayado centrales que separarían una extensa laguna del mar, para que al subir o al bajar la marea la laguna se alimente o desagüe por un estrecho canal moviendo una turbina. Hemos dejado para el final dos formas de energía basadas en el Sol.

La energía termosolar consiste en reflejar la luz solar mediante espejos hacia un horno donde se hace hervir el agua en una tubería. El gas al expandirse hace mover una turbina produciendo electricidad.En una versión doméstica se hace circular agua por el interior de un radiador plano pintado de negro y cubierto con un cristal. El agua del interior de la tubería puede calentarse hasta más de sesenta grados, tal como un coche en el hipermercado, y es almacenada en un termo para disponer de agua caliente sin consumir energía. La energía fotovoltaica consiste en convertir directamente la luz del Sol en corriente eléctrica. Para ello se usan capas superpuestas de silicio con distintas concentraciones de impurezas que, al capturar fotones de luz solar producen cargas eléctricas que hacen circular los electrones. Todas estas centrales han dado un resultado más o menos desigual. Todas son caras, requieren un mantenimiento caro y gran extensión de terreno. La eficiencia de cada tipo de central es muy variable, ya hemos dicho que la más eficiente es la hidroeléctrica. La nuclear en cambio apenas llega a un cinco por ciento de eficiencia. Por cada Kw. que envía a la red eléctrica, veinte se pierden convertidos en calor. Más eficientes resultan la energía eólica, la termosolar y la fotovoltaica, pero con dos inconvenientes: En los tres casos hacen falta instalaciones muy extensas y en los tres casos se depende de los caprichos del clima. En realidad estos tres medios de producir energía se podrían instalar a pequeña escala en los tejados de los edificios con lo que se conseguiría reducir en gran cantidad lo que pagamos a las compañías eléctricas. Lo ideal sería vivir en el campo, poner un generador eólico en una esquina de la parcela, instalarse una placa termosolar en el tejado para tener agua caliente y cubrir el resto del tejado de placas fotovoltaicas para producir energía eléctrica. Las placas fotovoltaicas que se fabrican hoy en día producen unos ciento cincuenta watios por metro cuadrado.

En un mes hay 720 horas, de las que 360 son de día. Durante la mitad de esas 360 horas, el sol está tan bajo en el cielo que su potencia es inferior a la mitad que a medio día. En resumen, es como si sólo dispusiéramos de 180 horas a pleno rendimiento.

La producción total de energía resulta ser de 180h X 150W/m² = 27 Kwh./m² En el mes de Junio, una familia normal viene a consumir unos 250 Kwh. al mes, es decir que con diez metros cuadrados de paneles solares habría de sobra para abastecerse de corriente eléctrica.En diciembre el consumo de esa familia normal viene a duplicarse, pero en una casa en el campo preparada de forma conveniente, con placas termosolares, suelo radiante y electrodomésticos de bajo consumo, el incremento no tiene que ser tan elevado.Ademas, en invierno hay menos horas de sol que en verano, por lo que en previsión de problemas es conveniente aumentar un poco la superficie de paneles solares. Quince metros estaría bien. El resto de las necesidades energéticas se compensará con el generador eólico: en invierno hay muchas más horas de viento que en verano. Hay un grave inconveniente: Los molinos y las placas fotovoltaicas son caras (las termosolares no son caras, y es una magnífica inversión para quien quiera tener agua caliente durante diez meses al año sin consumir un solo watio).Como la energía no se produce a las mismas horas a las que se ha de consumir, se necesita disponer de baterías, y como la electricidad generada por las placas fotovoltaicas es continua, necesitamos un inversor que la conviertaen corriente alterna. Y las baterías también son caras.

El resultado es que una instalación particular que conjunte estos tres medios podría ser autosuficiente pero con una inversión de entre dos y tres millones de pesetas. El estado, aquí en España, por lo menos, subvenciona el cuarenta por ciento de la inversión, pero aún así, el período de amortización de la instalación superaría los diez años.En definitiva, las instalaciones particulares de autoabastecimiento eléctrico, tienen sentido para quien tenga una casa en el campo. Quien viva en las ciudades, la mayoría de nosotros, no puede recurrir a estos medios de producción de energía, por lo que tendremos que seguir comprando la energía a las compañías eléctricas. Pero esto es si pensamos sólo en la superficie de la Tierra. ¿Qué pasaría si instaláramos los paneles solares en el espacio? En el espacio los paneles podrían estar siempre orientados hacia el Sol, captando la máxima potencia las veinticuatro horas del día. No hay nubes, ni lluvia ni viento, por lo que los paneles están siempre limpios conservando el cien por cien de su eficacia.Cierto que habría que enviar la energía a la Tierra, y, de entre varios sistemas posibles, el más eficiente es la transmisión de energía en forma de rayo de microondas. Mientras no avancemos en el estudio de la conversión fotovoltaica, la luz se seguirá convirtiendo en electricidad con una eficiencia del 15%. El 85% restante se convierte en calor, pero como estamos en el vacío del espacio ese calor se disipa sin provocar ningún tipo de contaminación térmica en la Tierra. Con la electricidad se genera un rayo de microondas que se envía a la Tierra donde una antena receptora capta ese rayo y lo vuelve a convertir en electricidad.La eficiencia de estas dos últimas conversiones, electricidad-microondas y microondas-electricidad es de más del 70%, es decir, menos del treinta por ciento de la energía se transformaría en calor.Para asegurarnos de que el satélite solar esté siempre sobre la antena receptora, se debe colocar en una órbita geoestacionaria, a 36.000 Km de altura.Una vez rehechos todos los cálculos teniendo en cuenta que el tiempo de exposición al sol no es de un 25% que en la Tierra, sino el 100% y que no hay nubes ni polvo ni atmósfera, llegamos a la conclusión de que un satélite solar de menos de un Km² de superficie puede generar tanta energía como una extensión de 10 Km² en la superficie de la Tierra, extensión que, como vimos antes, sería suficiente para una ciudad de un millón de habitantes, eliminando de paso todos los problemas planteados por la contaminación térmica.Para captar la energía enviada desde el espacio, construiremos una antena que cubra una extensión de cinco Km². Esta antena no generará apenas calor residual, y el terreno bajo ella puede seguir siendo útil para la agricultura.

Para una ciudad de diez millones de habitantes se necesitarían diez kilómetros cuadrados de paneles solares en el espacio, pero la antena receptora construida en la superficie de la Tierra no tiene por qué ser más grande, la misma antena de 5 Km² puede recibir más cantidad de energía e incluso rayos de microondas de varios satélites solares al mismo tiempo.Colocando sesenta satélites de cien kilómetros cuadrados cada uno en órbita, abasteceríamos de energía electrica a toda la población mundial sin que hubiera que consumir más combustibles contaminantes.

Las centrales nucleares podrían ser cerradas, las centrales hidroeléctricas recuperadas para la naturaleza, las minas de carbón cerradas. La energía será mucho más barata, tanto que se podrá llevar con muy poco costo a los lugares más recónditos del planeta para ponerla al servicio de todos los pueblos.En fin, cada vez hay más gente convencida de que construir satélites solares en órbita podría resolver en un plazo sorprendentemente corto los problemas energéticos de la Humanidad.

Producto de solubilidad

Constante que indica en una disolución saturada de un electrolito poco soluble el producto de las concentraciones de los iones, elevada cada una a un exponente igual al coeficiente estequiométrico con el que aparecen en la ecuación de disociación. Incluso las sustancias más insolubles tienen alguna solubilidad, de modo que una sal insoluble en contacto con el líquido de donde ha sido precipitada está en equilibrio con sus iones, que se depositan continuamente sobre la superficie del sólido, a la vez que de éste pasa a la disolución. La constante que mide este equilibrio es el producto de solubilidad. Así, sólo pueden existir en disolución concentraciones de los iones que permitan que el producto de solubilidad permanezca constante. Para que una sal precipite, el producto de las concentraciones de los iones elevadas a sus coeficientes estequiométricos ha de ser mayor que su producto de solubilidad.

Velocidad y mecanismos de las reacciones químicas

En algunos casos, como en la combustión, las reacciones se producen de forma rápida. Otras reacciones, como la oxidación, tienen lugar con lentitud. La cinética química, que estudia la velocidad de las reacciones, contempla tres condiciones que deben darse a nivel molecular para que tenga lugar una reacción química: las moléculas deben colisionar, han de estar situadas de modo que los grupos que van a reaccionar se encuentren juntos en un estado de transición entre los reactivos y los productos, y la colisión debe tener energía suficiente (energía de activación) para que se alcance el estado de transición y se formen los productos. Las reacciones rápidas se dan cuando estas tres condiciones se cumplen con facilidad. Sin embargo, si uno de los factores presenta cierta dificultad, la reacción resulta especialmente lenta. La velocidad de la reacción aumenta en presencia de un catalizador, una sustancia que no resulta alterada o se regenera, por lo que el proceso continúa. La mezcla de gases hidrógeno y oxígeno a temperatura ambiente no explota, pero si se añade platino en polvo la mezcla explosiona al cubrirse la superficie del platino con el oxígeno adsorbido. Los átomos de platino alargan los enlaces de las moléculas de O2, debilitándolos y rebajando la energía de activación. Los átomos de oxígeno reaccionan rápidamente con moléculas de hidrógeno, colisionando contra ellas y formando agua y regenerando el catalizador. Las fases por las que pasa una reacción constituyen el 'mecanismo de reacción'. La velocidad de la reacción puede modificarse no sólo con catalizadores, sino también mediante cambios en la temperatura y en las concentraciones. Al elevar la temperatura se incrementa la velocidad a causa del aumento de la energía cinética de las moléculas de los reactivos, lo que provoca un mayor número de colisiones por segundo y hace posible la formación de estados de transición. Con el aumento de la concentración se consigue incrementar la velocidad de la reacción, al aumentar el número y la velocidad de las colisiones moleculares.

Equilibrio químico

A medida que la reacción tiene lugar, disminuye la concentración de los reactivos según se van agotando. Del mismo modo, la velocidad de la reacción también decrece. Al mismo tiempo aumentan las concentraciones de los productos, tendiendo a colisionar unos con otros para volver a formar los reactivos. Por último, la disminución de la velocidad de la reacción directa se equipara al incremento de la velocidad de la reacción inversa, y cesa todo cambio. El sistema está entonces en 'equilibrio químico', en el que las reacciones directa e inversa tienen lugar a la misma velocidad. Los cambios en sistemas en equilibrio químico se describen en el principio de Le Châtelier, que debe su nombre al científico francés Henri Louis Le Châtelier. Según este principio, cualquier intento de cambio en un sistema en equilibrio provoca su reacción para compensar dicho cambio.

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Elementos químicos

Por Lon J. Mathias

Mucho antes de que existieran los plásticos y los polímeros sintéticos, remontándonos a los mismos orígenes de la tierra, la naturaleza se valía de los polímeros naturales para hacer posible la vida. No pensamos en los polímeros naturales de la misma manera que lo hacemos con los polímeros sintéticos, porque no podemos adjudicárnoslos como maravillas de nuestra propia ingenuidad y las compañías químicas no los pueden vender en busca de grandes ganancias. Sin embargo, eso no hace que los polímeros naturales sean menos importantes; de hecho, en muchos sentidos, son más importantes.

Los polímeros naturales incluyen al ARN y al ADN, vitales en genes y en los procesos de la vida. Por cierto, el ARN mensajero es el que hace posible la existencia de las proteínas, los péptidos y las enzimas. Las enzimas colaboran en la química interior de los organismos vivientes y los péptidos conforman algunos de los componentes estructurales más interesantes de la piel, el cabello e inclusive los cuernos de los rinocerontes. Entre otros polímeros naturales se encuentran incluidos los polisacáridos (azúcares) y los polipéptidos como la seda, la queratina y el cabello. El caucho natural es también un polímero natural, constituido sólo por carbono e hidrógeno. Veamos más de cerca cada una de las principales familias de polímeros naturales.

Polisacáridos

ADN y ARN

El ARN y el ADN contienen estructuras poliméricas basadas en unidades de azúcares. Esto los convierte en polisacáridos, aunque en el caso del RNA y el DNA existen grupos perfectamente ordenados unidos a las unidades de azúcares, que les confieren a dichos polímeros sus particularidades tan especiales.

Madera y Papas

Otra familia de polisacáridos incluye al almidón y la celulosa. El almidón es un polisacárido de alto peso molecular. Alimentos como el pan, el maíz y las papas se encuentran llenos de almidón. El almidón puede tener hasta 10.000 unidades de azúcar unidas entre sí. El modo en que se encuentran enlazadas estas unidades, ya sea en forma lineal o con algunas de ellas formando ramificaciones, determina el tipo de almidón o polisacárido (más adelante ampliaremos detalles). Otro importante miembro de la familia de los polisacáridos es la celulosa. Es el principal polímero constituyente de las plantas y los árboles. La madera es principalmente celulosa. Este polímero es distinto al almidón. (Haga clic aquí para descubrir más.) El almidón es soluble en agua caliente y con él pueden hacerse útiles objetos. La celulosa, por otra parte, es altamente cristalina y prácticamente no se disuelve en nada. El algodón es una forma de celulosa que empleamos en casi toda nuestra ropa. El hecho de que sea insoluble en agua caliente es importante. De lo contrario, nuestra ropa se disolvería al lavarla. La celulosa posee también otra fantástica propiedad que hace posible que se vuelva lisa y achatada cuando la humedecemos y le pasamos una plancha caliente por encima. Esto hace que nuestra ropa de algodón se vea elegante (al menos por un tiempo) pero no obstante permite una fácil limpieza cada vez que la lavamos.

¡Quitina: El Polímero de los Amantes de los Mariscos Dentro Suyo!

Otro miembro de los polisacáridos es la quitina. Constituye el caparazón de los langostinos, camarones, cangrejos, langostas de mar y otros crustáceos. Es rígida, insoluble... y en cierto modo flexible. Hasta ahora no hemos logrado hacer polímeros sintéticos que posean esta maravillosa combinación de propiedades. Tampoco hemos descubierto qué hacer con la quitina, si bien empleamos la celulosa para un montón de aplicaciones químicas y para fabricar papel, casas de madera, calzado de madera, etc. Existe un gran campo de investigación acerca de los usos de la quitina para diferentes cosas y quizás algún día podamos hacer ropas o plásticos a partir de ella. Es un área de investigación sumamente importante desde el momento en que se emplean polímeros naturales que provienen de deshechos o recursos renovables. (¿Usted sabe cuántos camarones pierden anualmente sus caparazones para nosotros?)

Químicamente la quitina es poli(N-acetilglucosamina). Aquí está su estructura:

Aprendemos de la Naturaleza

A medida que usted vaya observando más de cerca a cada miembro de estas familias de polímeros naturales, recuerde ésto: la naturaleza nos ganó de mano, ¡y cómo! Uno de nuestros trabajos como científicos es averiguar cómo la naturaleza hace un determinado trabajo, así podemos imitarla. Por ejemplo, una vez que averiguamos por qué la seda poseía esas asombrosas propiedades, fuimos capaces de hacer seda sintética en forma de nylons. Aún nos queda un largo camino por recorrer, sin embargo, antes de que podamos hacer ARN y ADN sintéticos, lo cual conducirá a la vida sintética. Quizás nunca lleguemos a eso y sólo nos quedemos averiguando cosas que nos conduzcan a una variedad de importantes desarrollos en polímeros sintéticos y otras áreas, incluyendo la medicina y la bioquímica. Esto plantea la importante cuestión de que la ciencia es como la vida. No se relaciona sólo con una cosa, sino con un conjunto. La ciencia de polímeros no es la única ciencia e inclusive puede no ser la ciencia más importante (¡aunque en los negocios nos guste pensar eso!). Es una de las áreas que nos pueden ayudar a comprender y emplear el conocimiento que obtenemos a partir del estudio de la naturaleza. En ese sentido, desarrollamos tecnología.

(Nota: Sólo para aclarar esta eterna cuestión de ciencia y tecnología, digamos que ambas cosas son diferentes. La ciencia es el acto de recoger conocimiento mediante la observación y la experimentación. La tecnología es poner este conocimiento en acción. Ejemplo: mediante la ciencia aprendemos que los gases calientes se expanden. Luego, mediante la tecnología, empleamos el principio de expansión de los gases calientes para fabricar un motor a nafta que pueda hacer arrancar un auto. ¿Ve cómo funciona?)

Proteínas y Polipéptidos

Proteínas

Las proteínas fueron los primeros ejemplos de poliamidas (una palabra elegante para el nylon). Ambos comparten muchos rasgos en común, pero son muy distintos en su estructura y en sus propiedades físicas. Son similares en el sentido de que ambos contienen enlaces amida en la cadena principal. Las amidas provienen de los ácidos carboxílicos y las aminas, a través de la pérdida de agua. (Para más detalles, haga clic aquí.) El segmento molecular amida es muy particular en su estructura y en las interacciones intermoleculares. Debido a la hibridación del nitrógeno, el carbono y el oxígeno del grupo amida, el segmento es básicamente plano. Más importante aún, el hidrógeno unido al nitrógeno y el oxígeno del carbonilo pueden originar una fuerte interacción denominada enlace por puente de hidrógeno. Por esta razón, los grupos amida se unen entre sí, de modo de formar fuertes asociaciones que le confieren propiedades inusuales a los polímeros que los contienen. Este tipo de interacción también es discutido en la sección de los nylons y es la similitud clave entre las poliamidas naturales y sintéticas.

La diferencia entre cómo la naturaleza hace los nylons y cómo los hacemos nosotros, es notable. Nosotros partimos especialmente de moléculas que tienen muchos grupos CH2 en su estructura. La sección de los nylons muestra las estructuras del nylon 6 y el nylon 6,6, dos de las poliamidas sintéticas más comunes. Estas poseen cuatro, cinco, o seis grupos CH2 entre las unidades amida. La naturaleza, no obstante, es mucho más económica, ya que eligió emplear un único átomo de carbono entre grupos amida. Lo que la naturaleza realiza en forma diferente, es sustituir este carbono con una gran cantidad de grupos y distintos segmentos funcionales.

Esto resulta en dos propiedades clave. En primer lugar, los segmentos individuales y la molécula entera son ópticamente activos, o quirales. Esto significa que son como los guantes: sólo hay una versión derecha y una izquierda. Por alguna razón, la naturaleza eligió emplear sólo la versión izquierda de los aminoácidos que son sintetizados por las plantas y los animales. El hecho de que sea empleado sólo uno de los dos isómeros conduce a algunas consecuencias estereoquímicas asombrosas. Por ejemplo, los polipéptidos naturales pueden formar estructuras helicoidales, mientras que los nylons no. Las conformaciones helicoidales incrementan la estabilidad de los polipéptidos naturales. ¿Sabía usted que ciertas bacterias pueden sobrevivir en agua caliente? Esto es porque sus polímeros naturales han sido estabilizados por esas estructuras helicoidales. La figura de abajo muestra una de ellas, llamada ð-hélice. Los pequeños segmentos de esas estructuras helicoidales son los que la naturaleza emplea para moldear las enzimas en ciertas formas, de modo que puedan realizar su magia catalítica. Por ejemplo, un segmento flexible ovillado al azar puede estar conformado por dos segmentos ð-hélice, de modo de poder reaccionar en algún sustrato.

Enzimas

Las enzimas son unos de los principales tipos de polipéptidos y son cruciales para la vida en la tierra. Todos los organismos vivientes emplean enzimas para hacer, modificar y cortar los polímeros que hemos discutidos aquí. Las enzimas son catalizadores destinados a trabajos específicos. Con gran frecuencia, cada enzima realiza sólo un tipo de tarea o una sola clase de molécula. Esto significa que debe haber montones de enzimas diferentes, todas constituidas por distintas combinaciones de aminoácidos unidos de modos únicos en los polipéptidos, para realizar todas las tareas que cualquier organismo viviente necesita. Sabemos que cada criatura sobre la tierra posee cientos o aún miles de enzimas diferentes para realizar lo que la misma requiere. Lo realmente extraño es que cada una de las enzimas tiene que estar constituida por otras enzimas. Esto conduce a mecanismos de control sumamente complicados: no tenemos ni la más mínima idea (en la mayoría de los casos) de cómo y cuándo la naturaleza decide qué enzimas son necesarias, ni cómo éstas son activadas o desactivadas. Estamos comenzando a descubrirlo y el estudio de estos sistemas constituye una importante parte de la bioquímica y la biología.

Recorriendo el Camino de la Seda

Uno de los polipéptidos exclusivos que empleamos desde los comienzos dado a sus excelentes propiedades fue la seda. La seda fue descubierta por los chinos, mucho antes del nacimiento de Cristo. Está constituida por diminutas orugas tratando de hilar capullos para su transformación en mariposas. Nosotros les robamos la seda a las orugas, lo cual las deja sin hacer nada. La seda es hilada para formar fibras. Las agrupaciones de delgados polímeros individuales conducen a un material más resistente. Esta es la forma en la que hacemos sogas, por medio de débiles hebras individuales unidas entre sí, de modo tal de que el conjunto sea flexible y resistente. Por tratarse de un polipéptido, la estructura de las moléculas de seda es inusual. Posee montones de glicina, un aminoácido no sustituido. Los segmentos de glicina son capaces de formar cadenas planas extendidas que pueden empaquetarse perfecta y apretadamente. Esto le confiere a la seda su particular resistencia y su lustrosa flexibilidad. Estas propiedades exclusivas, especialmente en los climas cálidos y húmedos, hizo que la seda dominara el comercio en el oriente durante siglos. El comercio de la seda entre China y Japón controló la economía de las civilizaciones en esa región por mucho más tiempo del que cada país quiere admitir. Inclusive en Estados Unidos, la seda fue importante antes de la Segunda Guerra Mundial, para la fabricación de medias. Cuando fue luego empleada para hacer cuerdas de paracaídas, las mujeres norteamericanas se vieron sumamente disgustadas. Esto provocó que las compañías químicas se pusieran a sintetizar seda artificial, el nylon, para hacer medias de nylon y así permitir que las mujeres mantuvieran sus pies tibios y los hombres volvieran a luchar en sus guerras.

Otra diferencia esencial entre los polipéptidos y los nylons es la forma en la que están constituidos. Los humanos hacemos toneladas de nylons por día en inmensas plantas químicas, donde se unen moléculas simples en grandes cantidades, para dar productos que deseamos o necesitamos. La naturaleza es mucho más cuidadosa y concisa en cómo hacer las cosas. Por cada organismo viviente que fabrique una enzima, debe estar involucrada otra enzima u otras especies activas. La síntesis siempre involucra un patrón o un registro de cómo se unen los aminoácidos individuales para dar el polímero final. Este patrón o mapa, es el ARN mensajero (mARN). El mensaje que lleva, obviamente, es cómo la enzima involucrada en la fabricación del péptido debe hacer el polipéptido. Cada aminoácido es conducido a la enzima por una molécula portadora y es activado para la incorporación por una diversa secuencia de reacciones. La enzima agrega un aminoácido por vez, de acuerdo a lo indicado por el mARN. Este es un proceso lento y tedioso, y lleva mucho tiempo. A veces la enzima se frustra esperando el aminoácido correcto y en su lugar, coloca uno equivocado. Para compensarlo, la enzima retrocede ocasionalmente para verificar su trabajo. Si ha cometido un error, comienza un proceso de remoción del aminoácido equivocado para insertar el correcto. Los humanos nunca hacemos ésto. Si cometemos un error, simplemente rompemos todo y lo tiramos.

Nuestras Limitadas Capacidades

Estamos comenzando a comprender cómo la naturaleza agrupa estas moléculas y hemos encontrado la forma de hacerlo nosotros mismos. Sin embargo, no somos muy buenos en ésto y no podemos lograr que las grandes moléculas varíen de modo eficiente. La razón es que si cometemos un error, arruinamos toda la molécula y no sabemos cómo repararla. El instrumento que fue empleado para fabricar análogos sintéticos de polipéptidos se llama "sintetizador de péptidos". Dicho instrumento está construido alrededor de diminutas hebras de polímero que unimos al primer aminoácido que deseamos colocar en nuestra cadena polipeptídica. (Esto se denomina Método de Síntesis de Merrifield. El empleo de hebras poliméricas fue una idea sumamente creativa y Robert Merrifield ganó el premio Nobel por ésto, allá en los años '50). Podemos tomar un aminoácido activado, similar a lo que emplea la naturaleza y unirlo por medio de un enlace amida. Repetimos este proceso una y otra vez, tratando de que esta reacción se verifique en todo momento, en cada molécula y en cada hebra. A veces no somos muy afortunados y perdemos algún aminoácido. Esto quiere decir que algunos de los polipéptidos tienen unidades faltantes, lo cual siempre conduce a mezclas de productos buenos y malos, en los cuales los primeros pueden ser los minoritarios. Esto empeora cuanto más grande sea el polipéptido que estamos tratando de hacer y es uno de los principales problemas que tenemos en la fabricación de polipéptidos. Si pudiéramos descubrir cómo volver atrás y revisar cada una de nuestras adiciones, corrigiendo los errores que vayamos cometiendo, quizás podríamos hacer un trabajo tan bueno como el de la naturaleza. Quizás.

Usted probablemente se esté preguntando porqué querríamos hacer el mal trabajo de fabricar análogos sintéticos que la naturaleza realiza tan bien (y si no se lo está preguntando, de todos modos coopera). Existen muchas razones, una de las cuales es simplemente descubrir cómo lo hace la naturaleza. Otra es averiguar porqué los péptidos y las enzimas trabajan de la forma en que lo hacen. No siempre es claro para nosotros, meros mortales, porqué una secuencia dada de aminoácidos hace que un polipéptido asuma una cierta forma o estructura. Estas estructuras son cruciales para saber cómo los polipéptidos hacen el trabajo que la naturaleza les encomendó. A veces, cuando comprendemos el modo en que la naturaleza une estas moléculas, podemos hacer análogos sintéticos que cumplan la misma función, pero que sean más fáciles de fabricar. Esto ha conducido al desarrollo de nuevas drogas y al tratamiento de algunas enfermedades genéticas.

La naturaleza también hace cosas en forma diferente a nosotros, sintetizando polipéptidos en agua. La mayor parte de nuestras síntesis, de hecho, no emplean agua. Sintetizamos nuestras poliamidas en tóxicos solventes orgánicos. Esto nos ocasiona un problema: ¿qué hacemos con los solventes orgánicos cuando terminamos la síntesis? A veces los incineramos, pero más frecuentemente, intentamos reciclarlos. En primer lugar, no sólo se están cotizando cada vez más caros (comparados con la económica agua que tenemos en todas partes, o en casi todas) sino que debemos responsabilizarnos de su reciclado, purificación y ubicación final. Un ejemplo de cómo la naturaleza emplea el agua en este sentido y que ni siquiera hemos averiguado aún, es la producción de seda de araña. Las arañas tejen sus telas a partir de soluciones de polipéptidos en agua. Estas soluciones pasan a través de la diminuta glándula hilandera de la araña y son rápidamente extendidas para formar las telarañas que todos hemos visto y a veces en las que nos hemos enredado. Lo realmente extraño es que una vez que estas telarañas se forman, ya no son solubles en agua. Si tan sólo pudiéramos averiguar cómo las arañas hacen primero la seda en agua y luego tejen sus telas a partir de la misma, podríamos hacer nylon de la misma forma. Esto nos ahorraría muchos problemas de tratamiento de residuos... y dinero. Esta es un área de investigación básica donde necesitamos mucha ayuda; quizás usted pueda pensar algo que podríamos probar.