jueves, 12 de diciembre del 2019 Fecha
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Cosas que nos gusta conocer

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física-química    ~    Comentarios Comments (0)

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En una supernova, en orden decreciente tenemos la secuencia de núcleos H, He, O, C, N, Fe, que coincide bastante bien con una ordenación en la tabla periódica que es:

H, He, (Li, Be, B) C, N, O… Fe

¿Apreciáis la maravilla? Las estrellas brillan en el cielo para hacer posible que nosotros estemos aquí descubriendo los enigmas del universo y… de la vida inteligente.

Pero está claro que todo el proceso estelar evolutivo inorgánico nos condujo desde el simple gas y polvo cósmico a la formación de estrellas y nebulosas solares hasta los planetas, la Tierra en particular, en cuyo medio ígneo describimos la formación de las estructuras de los silicatos, desplegándose con ello una enorme diversidad de composiciones, formas y colores, asistiéndose, por primera vez en la historia de la materia, a unas manifestaciones que contrastan con las que hemos mencionado en relación al proceso de las estrellas.

Desde el punto de vista del orden es la primera vez que nos encontramos con objetos de tamaño comparables al nuestro, en los que la ordenación de sus constituyentes es el rasgo más característico.

Al mismo tiempo nos ha parecido reconocer que esos objetos, es decir, sus redes cristalinas “reales”, almacenan información (memoria) que se nos muestra muy diversa y que puede cobrar interés en ciertos casos, como el de los microcristales de arcilla, en los que, según Cairns-Smith, puede incluso llegar a transmitirse.

Porque, ¿qué sabemos en realidad de lo que llamamos materia inerte? Lo único que sabemos de ella son los datos referidos a sus condiciones físicas de dureza, composición, etc; en otros aspectos ni sabemos si pueden existir otras propiedades distintas a las meramente físicas.

¿No os hace pensar que nosotros estemos hechos, precisamente, de lo que llamamos materia inerte?

Pero el mundo inorgánico es sólo una parte del inmenso mundo molecular. El resto lo constituye el mundo orgánico, que es el de las moléculas que contienen carbono y otros átomos y del que quedan excluidos, por convenio y características especiales, los carbonatos, bicarbonatos y carburos metálicos, los cuales se incluyen en el mundo inorgánico.

Según he podido explicar en muchos otros trabajos, los quarks u y d se hallan en el seno de los nucleones (protones y neutrones) y, por tanto, en los núcleos atómicos. Hoy día, éstos se consideran como una subclase de los hadrones.

La composición de los núcleos (lo que en química se llama análisis cualitativo) es extraordinariamente sencilla, ya que como es sabido, constan de neutrones y protones que se pueden considerar como unidades que dentro del núcleo mantienen su identidad. Tal simplicidad cualitativa recuerda, por ejemplo, el caso de las series orgánicas, siendo la de los hidrocarburos saturados la más conocida. Recordad que su fórmula general es , lo que significa que una molécula de hidrocarburo contiene n átomos de carbono (símbolo C) y (2n+2) átomos de hidrógeno (símbolo H).

El número de protones y neutrones determina al elemento, desde el hidrógeno (el más simple), al uranio (el más complejo), siempre referido a elementos naturales que son 92; el resto son artificiales, los conocidos transuránicos en cuyo grupo están el einstenio o el plutonio, artificiales todos ellos.

Los núcleos, como sistemas dinámicos de nucleones, pertenecen obviamente a la microfísica y, por consiguiente, para su descripción es necesario acudir a la mecánica cuántica. La materia, en general, aunque presumimos de conocerla, en realidad, nos queda mucho por aprender de ella.

Hablemos un poco de moléculas.

El número de especímenes atómicos es finito, existiendo ciertas razones para suponer que hacia el número atómico 173 los correspondientes núcleos serían inestables, no por razones intrínsecas de inestabilidad “radiactiva” nuclear, sino por razones relativistas. Ya antes me referiría a las especies atómicas, naturales y artificiales que son de unos pocos millares; en cambio, el número de moléculas conocidas hasta ahora comprende varios millones de especímenes, aumentando continuamente el número de ellas gracias a las síntesis que se llevan a cabo en numerosos laboratorios repartidos por todo el mundo.

Una molécula es una estructura con individualidad propia, constituida por núcleos y electrones. Obviamente, en una molécula las interacciones deben tener lugar entre núcleos y electrones, núcleos y núcleos y electrones y electrones, siendo del tipo electromagnético.

Debido al confinamiento de los núcleos, el papel que desempeñan, aparte del de proporcionar la casi totalidad de la masa de la molécula, es poco relevante, a no ser que se trate de moléculas livianas, como la del hidrógeno. De una manera gráfica podríamos decir que los núcleos en una molécula constituyen el armazón de la misma, el esqueleto, cuya misión sería proporcionar el soporte del edificio. El papel más relevante lo proporcionan los electrones y en particular los llamados de valencia, que son los que de modo mayoritario intervienen en los enlaces, debido a que su energía es comparativamente inferior a la de los demás, lo que desempeña un importante papel en la evolución.

Desde las moléculas más sencilla, como la del hidrógeno con un total de 2 electrones, hasta las más complejas, como las de las proteínas con muchos miles de ellos, existe toda una gama, según decía, de varios millones.  Esta extraordinaria variedad de especies moleculares contrasta con la de las especies nucleares e incluso atómicas.

Sin entrar en las posibles diferencias interpretativas de estas notables divergencias, señalaré que desde el punto de vista de la información, las especies moleculares la poseen en mucho mayor grado que las nucleares y atómicas.

Dejando aparte los núcleos, la información que soportan los átomos se podría atribuir a la distribución de su carga eléctrica, y en particular a la de los electrones más débilmente ligados. Concretando un poco se podría admitir que la citada información la soportan los orbitales atómicos, pues son precisamente estos orbitales las que introducen diferencias “geométricas” entre los diferentes electrones corticales.

La fporma en que son ocupados los electrones de un átomo en su estado fundamental o bosal ocuparán los niveles de más baja energía posible, de acuerdo con el Principio de excliusión de Pauli. Por tanto, para escribir la configuración electrónica de un elemento, se deben seguir ciertas reglas.

Justamente esa información es la que va a determinar las capacidades de unión de unos átomos con otros, previo el “reconocimiento” entre los orbitales correspondientes. De acuerdo con la mecánica cuántica, el número de orbitales se reduce a unos pocos. Se individualizan por unas letras, hablándose de orbitales s, p, d, f, g, h. Este pequeño número nos proporciona una gran diversidad.

La llamada hibridación (una especie de mezcla) de orbitales es un modo de aumentar el número de mensajes, esto es, la información, bien entendido que esta hibridación ocurre en tanto y en cuanto dos átomos se preparan para enlazarse y formar una molécula. En las moléculas, la información, obviamente, debe abarcar todo el edificio, por lo que en principio parece que debería ser más rica que en los átomos. La ganancia de información equivale a una disminución de entropía; por esta razón, a la información se la llama también negantropía.

En términos electrónicos, la información se podría considerar proporcionada por un campo de densidad eléctrica, con valles, cimas, collados, etc, es decir, curvas isoelectrónicas equivalentes formalmente a las de nivel en topografía. Parece razonable suponer que cuanto más diverso sean los átomos de una molécula, más rica y variada podrá ser su información, la información que pueda soportar.

La enorme variedad de formas, colores, comportamientos, etc que acompaña a los objetos, incluidos los vivientes, sería una consecuencia de la riqueza en la información que soportan las moléculas (y sus agregados) que forman parte de dichos objetos. Ello explicaría que las moléculas de la vida sean en general de grandes dimensiones (macromoléculas). La inmensa mayoría de ellas contiene carbono. Debido a su tetravalencia y a la gran capacidad que posee dicho átomo para unirse consigo mismo, dichas moléculas pueden considerarse como un esqueleto formado por cadenas de esos átomos.

El carbono no es el único átomo con capacidad para formar los citados esqueletos. Próximos al carbono en la tabla periódica, el silicio, fósforo y boro comparten con dicho átomo esa característica, si bien en un grado mucho menor.

 

“Los ladrillos básicos de la vida flotan en el espacio: son moléculas orgánicas, forjadas en el interior de frías y espesas nubes de gas y polvo. Materiales que, gracias a los ciclos vitales de las estrellas, terminan desparramándose por todas partes, “contaminando” el medio interestelar. Y con un poco de suerte, pueden incorporarse a la materia prima que dará origen a nuevos soles y planetas. Durante las últimas décadas, los telescopios y radiotelescopios han detectado la presencia de estas estructuras, basadas en el carbono, en varios rincones de nuestra galaxia. Sin embargo, también se han descubierto distintas clases de moléculas orgánicas en nuestra vecindad más inmediata: hay montones de cometas, asteroides y satélites del Sistema Solar salpicados por esos compuestos químicos. Son los mismos que, día a día, y sin que nos demos cuenta, “llueven” sobre la Tierra, a bordo de partículas rocosas y meteoritos. Y todo indica que esa lluvia orgánica fue tremendamente más intensa durante la violenta infancia del planeta, hace más de 4000 millones de años. Es más, el primigenio aporte cósmico podría extenderse –vía cometas- incluso al agua, socia inseparable de la biología.”

“Las primeras pistas sobre la presencia de moléculas orgánicas cósmicas llegaron en 1937, con la detección (mediante espectroscopia) de combinaciones simples de átomos de hidrógeno y carbono en masas gaseosas del medio interestelar. El siguiente hito se hizo esperar, pero valió la pena: a fines de los ´60, y mediante técnicas de radioastronomía, se descubrieron moléculas de agua y amoníaco (NH3). La cosa iba tomando color. Sin embargo, había un problema: la radiación ultravioleta de las estrellas difícilmente permitiría la formación de moléculas más complejas. Por lo tanto, si efectivamente existían, esas moléculas debían forjarse en ambientes protegidos. Y qué mejor que buscarlas en el interior de las densas, opacas y frías nubes de hidrógeno molecular (H2) que se esconden en las grandes nebulosas. Allí, los átomos de oxígeno, carbono, o nitrógeno (forjados en el interior de estrellas que, al morir, los devolvieron al espacio) pueden combinarse tranquilamente con los de hidrógeno, formando un amplio repertorio de moléculas, entre ellas, largas cadenas de hidrocarburos (combinaciones de hidrógeno y carbono), y todo un surtido de nitrilos (formados por carbono y nitrógeno), compuestos que son especialmente importantes desde el punto de vista biológico (ciertos nitrilos, por ejemplo, pueden reaccionar con agua líquida, dando lugar a aminoácidos, los bloques químicos que forman parte de las proteínas y ácidos nucleicos). “

Acordáos de cuando publiqué  aquella noticia de que Astrónomos de la NASA habían logrado descubrir las esquivas moléculas de carbono en el espacio, conocidas por los especialistas como “Buckyball”.  Las Buckyball son moléculas que tienen la forma de un balón de fútbol y fueron observadas por primera vez en un laboratorio hace ahora cerca de 30 años. Su nombre se debe a que su forma recuerda a las cúpulas geodésicas diseñadas por el arquitecto Buckminster Fuller,  las que se caracterizan por círculos entrelazados en la superficie de una esfera parcial.

Lo dicho, la Naturaleza nunca dejará de asombrarnos.

emilio silvera

La necesidad agudiza la imaginación

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física-química    ~    Comentarios Comments (0)

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La fuerza nuclear débil nos habla de materiales que, de manera natural, emiten radiación y se desintegran. Al pensar en la desintegración me ha traído a la memoria aquellos libros de Asimov que nos explicaba cuestiones de ciencia y nos decía existen materiales que se desintegran de manera natural y que son materiales fértiles, o que sin serlo, se pueden transformar en otros que sí lo son.

Al hablar de material fértil me estoy refiriendo a núclidos que pueden absorber neutrones formar material fisible. El uranio-238, por ejemplo, absorbe un neutrón para formar uranio-239, que se desintegra en plutonio-239. Este es el de conversión que la imaginación del hombre hace que ocurra en un reactor reproductor.

File:LMFBR schematics.png

Lo explicaré con más detalles: El Reactor Reproductor Rápido es un reactor de neutrones rápidos diseñado producir combustible generando más material fisible del que consume. El FBR es uno de los tipos posibles de reactores reproductores.

Veámos: El uranio-235 es un combustible práctico, es decir, los neutrones lentos son capaces de que el uranio-235 se fisione, o lo que es lo mismo, se rompan sus átomos en dos, produciendo neutrones lentos, que a su vez inducen otras fisiones atómicas. El uranio-233 y el plutonio-239 son también combustibles nucleares prácticos por las mismas razones.

Desgraciadamente, el uranio-233 y el plutonio-239 no existen en natural sino en trazas mínimas, y el uranio-235, aunque existe en cantidades apreciables, no deja de ser raro. En cualquier muestra de uranio natural, sólo siete de cada mil átomos son de uranio-235, el resto es uranio-238.

http://2.bp.blogspot.com/-vWNvoJ4zlMw/TmMs5lcQWdI/AAAAAAAAALw/MX4pqgVfjlk/s1600/Uranio.jpg

                                                                   Uranio

El uranio natural extraído de las minas contiene un 99´3 % de U-238  y apenas el  0´7 % de U-235.

El uranio-238, la variedad común de uranio, no es un combustible nuclear práctico. Así que, el uranio que más abunda en la naturaleza no sirve combustible nuclear. Podemos conseguir que se fisione, pero sólo con neutrones rápidos. Los átomos de uranio-238 que se rompen en dos, producen neutrones lentos, que no bastan para producir o inducir nuevas fisiones.  El uranio-238 cabría compararlo a la madera húmeda: es posible que arda, pero acabará por apagarse.

File:HEUraniumC.jpg

El uranio es un elemento químico metálico de color plateado-grisáceo de la serie de los actínidos, su símbolo químico es U y su número atómico es 92. Por ello posee 92 protones y 92 electrones, con una valencia de 6. Su núcleo puede contener entre 142 y 146 neutrones, sus isótopos más abundantes son el 238U que posee 146 neutrones y el 235U con 143 neutrones. El uranio tiene el mayor peso atómico de entre todos los elementos que se encuentran en la naturaleza. El uranio es aproximadamente un 70% más denso que el plomo, aunque menos denso que el oro o el wolframio. Es levemente radioactivo. Fue descubierto como óxido en 1789 por M. H. Klaproth que lo llamó así en el honor del planeta Urano que acababa de ser descubierto en 1781.

Supongamos, sin embargo, que se separa el uranio-235 del uranio-238 ( más bien difícil) y que se utiliza aquel para hacer funcionar un reactor nuclear. Los átomos de uranio-235 que forman el combustible del reactor se fisionan y esparcen miríadas de neutrones lentos en todas direcciones. Si el reactor está rodeado por una capa de uranio ordinario (que en su mayor es uranio-238), los neutrones que van a parar allí son absorbidos por el uranio-238 y, aunque no pueden hacer que el uranio-238 se fisione, sí pueden provocar otros cambios que finalmente, producirán plutonio-239. Separando este plutonio-239 del uranio (tarea muy fácil), puede ser utilizado como combustible nuclear practico para la fisión.

De esta manera, el reactor nuclear genera combustible a partir de un material (uranio-238) que no lo es. Este es el motivo de que al reactor nuclear que hace posible la transformación se le llame “reactor generador”.

Un reactor generador bien diseñado puede producir más plutonio-239 que el uranio-234 consumido para ello. De este modo, las reservas totales de uranio de la Tierra (y no sólo las de uranio-235) se convierten en potenciales de combustible nuclear.

                                        Torio

Carlo Rubbia, exdirector del CERN (los mismos que hicieron el Colisionador de Hadrones)  y ganador del premio Nobel de física en 1984, ha trabajado buena de su carrera en el desarrollo de tecnologías para la producción de energía a partir de torio y calcula que con un reactor adecuado, este proceso de fisión podría generar a partir de 1 tonelada del elemento la misma cantidad de energía que 200 toneladas de uranio y 3.500.000 toneladas de carbón.

El torio, tal se da en la naturaleza, consiste todo él en torio-232, que al igual que el uranio-238, no es un combustible nuclear práctico, porque requiere neutrones rápidos para fisionarse. Pero si se coloca torio-232 alrededor de un reactor nuclear, sus átomos absorberán los neutrones y, sin experimentar fisión alguna, se convertirán en átomos de uranio-233. el uranio-233 es un combustible práctico que se puede separar fácilmente del torio, el resultado es otra variedad del reactor generador, que convierte las reservas de torio en un combustible nuclear en potencia.

 Mientras que no se descubra otra manera de producir energía, el Uranio seguirá

La cantidad total de uranio y de torio que hay en la Tierra es unas 800 veces mayor que las reservas de uranio-235, lo que significa que el buen uso de los reactores generadores podría multiplicar por 800 la oferta potencial de energía extraída de plantas de fisión nuclear.

En este punto, sin dejar de elogiar la inteligencia del hombre que ha sabido encontrar la manera de transformar una materia inservible en otra practica, hay que decir que la energía de fisión nuclear genera también muchos problemas.

Como estará comprobando al lector de este , el autor ha querido esta vez diversificar los temas y plasmar una variedad múltiple que facilite el conocimiento de distintas cosas que ocurren en la naturaleza, o que la mano del hombre hace que ocurran, y todas estas cuestiones tratadas aquí van encaminadas a resolver preguntas que en alguna ocasión nos hemos podido , tales como:

¿Por qué al calentar un metal se pone primero rojo, luego naranja, después amarillo, pero a continuación blanco en lugar de seguir el espectro y ponerse verde?

¿Y el color en las estrellas?

 

 

Cuando un herrero está trabajando, el metal adquiere diferentes colores según recibe el calor de la fragua. Primero se mostrará de un rojo intenso, ir progresivamente adoptando tonos más claros, pasando del anaranjado al amarillo, y por fin al blanco. Con las estrellas pasa igual, Con el diagrama de arriba se demuestra una progresión entre estrellas enanas, amarillas y frías, subiendo hasta llegar a las supergigantes rojas y azules más calientes, y más grandes.

 

 

 

 

 

Si se pudiera seguir calentando el hierro, éste adquiriría tonos azulados. Estos cambios en la coloración son una consecuencia directa del aumento de la temperatura, que permitirá mayor maleabilidad. El Cúmulo del Joyero (en la constelación de la Cruz del Sur), fotografiado arriba, muestra cómo ocurre lo mismo con las estrellas, de manera que encontraremos estrellas azules, las más calientes, blancas, amarillas, anaranjadas y rojas, las más “frías”. A veces, estos colores pueden percibirse a simple vista, Antares (Alpha Scorpii) que es de color rojo, o Rigel (Beta Orionis) blanco-azulada.

En la Naturaleza rigen las mismas leyes todos y, en todas partes se producen los mismos fenómenos debidos a las mismas causas, en este caso: ¡La Temperatura!

Cualquier objeto, a cualquier energía superior al cero absoluto, radia ondas electromagnéticas. Si su temperatura es muy baja, emite sólo ondas de radio largas, muy pobres en energías. Al aumentar la temperatura, radia una cantidad mayor de ondas, pero empieza a radiar ondas de radio más cortas (y más energéticas). Si la temperatura sigue subiendo, empiezan a radiarse microondas aún más energéticas y después radiaciones infrarrojas.

Esto no quiere decir que a una temperatura dada sólo se emitan ondas de radio largas, un poco más arriba sólo ondas de radio cortas, luego sólo microondas y después sólo infrarrojos. En realidad, se emite toda la gama de radiaciones, pero siempre hay una radiación máxima, es decir, una gama de longitudes de onda que son las más radiadas, flanqueadas por cantidades menores en el lado de las energías bajas y por cantidades todavía más pequeñas en el de las altas.

Un objeto alcanza la temperatura del cuerpo humano (37°C), el máximo de radiación se encuentra en los infrarrojos largos. El cuerpo humano también radia ondas de radio, pero las longitudes de ondas más cortas y más energéticas son siempre las más fáciles de detectar por ser los más potentes.

Cuando la temperatura alcanza aproximadamente los 600°C, el máximo de radiación se halla en el infrarrojo corto. Pero a estas alturas la pequeña cantidad de radiación que se halla en el lado de las energías altas adquiere una importancia especial, porque entra ya en la región de la luz visible roja. El objeto reluce entonces con un rojo intenso.

Este rojo constituye sólo un pequeño porcentaje de la radiación total, pero da la casualidad de que nuestro ojo lo percibe, le otorgamos toda nuestra atención y decimos que el objeto está al “rojo vivo”.

Si la temperatura sigue subiendo, el máximo de radiación continúa desplazándose las longitudes de ondas cortas y cada vez se emite más luz visible de longitudes cada vez menores. Aunque el objeto radia más luz roja, se van agregando poco a poco luz anaranjada y luz amarilla en cantidades menores pero significativas. Al llegar a los 1.000°C la mezcla de colores la percibimos como naranja, y a los 2.000°C como amarilla. Lo cual no significa que a los 1.000°C sólo se radie luz naranja y a los 2.000°C sólo se radie luz amarilla, porque si fuese así, habría efectivamente que esperar que lo siguiente fuese “color verde”. Lo que en realidad vemos son mezclas de colores.

Els Sol

Al llegar a los 6.000°C (la temperatura superficial del Sol), el máximo de radiación está en el amarillo visible y lo que llega a nuestros ojos son grandes cantidades de luz visible, el violeta hasta el rojo. La incidencia simultánea de toda la gama de luz visible sobre nuestra retina nos da la sensación de blanco, y de ahí el color del Sol.

Los objetos más calientes aún que el Sol radian todas las longitudes de ondas de luz visible y en cantidades todavía mayores, el máximo de radiación se desplaza al azul, de modo que la mezcla se desequilibra y el blanco adquiere un tinte azulado.

Toda esta travesía se produce para objetos calientes que emiten “espectros continuos”, es decir, que radian luz en la forma de una ancha banda de longitudes de ondas. Ciertas sustancias en adecuadas, radian sólo luz de determinadas longitudes de onda. El nitrato de bario radia luz verde cuando se calienta, y con ese fin se lo utiliza en los fuegos de artificio,  “calor verde”, podríamos decir.

                                                    Nitrato de Bario que produce el color verde en los bonitos fuegos artificiales

¡Qué bonito es saber!

LOS GASES NOBLES - Porque ser noble es cuestión de actitud

En alguna ocasión todos hemos oído mencionar la palabra “gases nobles”, y sin embargo no siempre sabemos lo que son y el por qué le llaman así. Los elementos que reaccionan difícilmente o que no reaccionan en absoluto con otros elementos se denominan “inertes”. El nitrógeno y el platino son ejemplos de elementos inertes.

En la última década del siglo pasado se descubrieron en la atmósfera una serie de gases que no parecían intervenir en ninguna reacción química.  Estos nuevos gases (helio, neón, argón, kripton, xenón y radón) son más inertes que cualquier otro elemento y se agrupan bajo el de gases inertes.

Los elementos inertes reciben a veces el calificativo de “nobles” porque esa resistencia a reaccionar con otros elementos recordaba un poco a la altanería de la aristocracia. El oro y el platino son ejemplos de “metales nobles”, y por la misma razón se llaman a veces “gases nobles” a los gases inertes. Hasta 1.962, el más común era el de gases inertes, quizá porque lo de nobles parecía poco apropiados en sociedades democráticas.

 

 

Es apropiado incluir una descripción de este grupo de elementos conocido en un capítulo dedicado a los halógenos, porque el flúor es el único elemento conocido que entra en combinación química directa con los dos gases nobles más pesados, el xenón y el criptón, resultando en  compuestos estables.

Los gases nobles surgen en la naturaleza como constituyentes menos abundantes de la atmósfera. La primera indicación de la existencia de los gases nobles fue divulgada por el químico ingles Cavendish, en 1784.

La razón de que los gases inertes sean inertes es que el conjunto de electrones de cada uno de sus átomos está distribuido en capas especialmente estables. La más exterior, en concreto, tiene 8 electrones. Así la distribución electrónica del neón es (2,8) y la del argón (2,8,8). Como la adición o sustracción de electrones rompe distribución estable, no pueden producirse cambios electrónicos. Lo cual significa que no pueden producirse reacciones químicas y que estos elementos son inertes.

bien, el grado de inercia depende de la fuerza con que el núcleo, cargado positivamente y situado en el centro del átomo sujeta a los 8 electrones de la capa exterior. Cuantas más capas electrónicas haya entre la exterior y el centro, más débil será la atracción del núcleo central sobre los electrones de esa última capa de electrones.

El Radón es un gas radiactivo de origen natural procedente de la desintegración radiactiva de pequeñas cantidades de uranio presentes en rocas y suelo, es el responsable de miles de muertes por cáncer de pulmón en Europa cada año. El gas se filtra en los edificios a través del suelo y de los sótanos, puede acumularse llegando a niveles elevados, especialmente en espacios cerrados y poco ventilados.

Quiere esto decir que el gas inerte más complejo es también el menos inerte. El gas inerte de estructura atómica más complicada es el radón. Sus átomos tienen una distribución electrónica de (2,8,18,32,18,8). El radón, sin embargo está sólo constituido por isótopos radiactivos y es un elemento con el que difícilmente se pueden experimentos químicos. El siguiente en orden de complejidad es el xenón, que es estable. Sus átomos tienen una distribución electrónica de (2,8,18,18,8).

Se sabe desde hace décadas que la abundancia en la Tierra del xenón es menor de lo que debería ser según las proporciones observadas del resto de gases nobles. Las abundancias de estos gases se usan por los geoquímicos para evaluar y datar los principales procesos terrestres, incluyendo la formación de la atmósfera. Para poder hacerlo parten de una hipótesis básica: que los gases nobles son inertes en toda circunstancia. Un realizado por Gary Schrobilgen y David Brock, de la Universidad McMaster (Canadá), cuyos resultados se publican en el Journal of the American Chemical Society explica la baja abundancia del xenón y pone en evidencia que el xenón no es tan noble se suponía.

Los electrones más exteriores de los átomos de xenón y radón están bastante alejados del núcleo y, por consiguiente, muy sueltos. En presencia de átomos que tienen una gran apetencia de electrones, son cedidos rápidamente. El átomo con mayor apetencia de electrones es el flúor, y así fue como en 1.962 el químico canadiense Neil Bartlett consiguió formar compuestos de xenón y flúor.

Desde entonces se han conseguido formar también compuestos de radón y kriptón. Por eso los químicos rehúyen el de gases inertes, porque a fin de cuentas, esos gases no son completamente inertes. Hoy día se ha impuesto la denominación de “gases nobles”, y existe toda una rama de la química que se ocupa de los “compuestos de gases nobles”.

Argon.jpg

Naturalmente, cuanto más pequeño es el átomo de un gas noble, más inerte es, y no se ha encontrado nada que sea capaz de arrancarles algún electrón. El argón, cuya distribución electrónica es de 2,8,8 y el neón, con 2,8 electrones respectivamente, sigue siendo completamente inerte. Y el más inerte de todos es el helio, cuyos átomos contienen una sola capa electrónica con dos electrones (que es lo máximo que alojar esta primera capa) que al estar en la primera linea cerca del núcleo positivo, están fuertemente atraídos al tener su carga eléctrica el signo negativo.

finalizar diré que los gases nobles (gases inertes, gases raros) están clasificados en el grupo 18 (antiguamente 0) de la Tabla periódica de los elementos y se definen por símbolos que responden a: helio (He), neón  (Ne), argón (Ar), kriptón (Kr), xenón (Xe) y radón (Rn).

hyu.png

Ya se dijo antes la configuración electrónica de cada uno de ellos y todas las capas internas están completamente ocupadas, lo que hace que estos elementos, por tanto, constituyan la terminación de un periodo y posean configuración de capa completa, por lo que sus energías de ionización son muy elevadas y su reactividad química escasa.

Como son monoatómicos, las moléculas de los gases nobles poseen simetría esférica, y las fuerzas intermoleculares son muy débiles, por lo que sus entalpías de vaporización son muy bajas.

Con todo lo anteriormente expuesto sobre los gases nobles, espero que el lector del aquí reflejado pueda tener una idea más amplia y un conocimiento más certero sobre lo que en realidad son los denominados como “gases nobles”.

En comparación con la inmensidad del universo, nos queda aún muchísimo que aprender. Si nos limitamos a nuestro entorno más cercano, la Tierra, ¿cómo hemos podido llegar tan lejos?

¡La curiosidad! y ¡La necesidad! ¡El Instinto! y ¡La Evolución! Todo ello, amigos míos, nos lleva a querer saber y, para ello, debemos desvelar los secretos de la Naturaleza,  que por cierto, no resulta nada fácil.  Llevamos miles de años intentando comprender y, de momento, sólo sabemos… ¡Algunas cosas!

emilio silvera

Fuente: Variada y destacando, Cien preguntas básicas sobre ciencia de Asimov.

Filósofos naturales, alquimistas, buscadores de la verdad

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http://photos1.blogger.com/blogger2/5066/3662/1600/Imagen2.jpg

 

Los viejos vestigios de lo que fue aún perduran y son la huella de aquel mundo que consiguió una cultura increíble

 

A partir del mundo Clásico

 

La Ciencia comenzó en la Grecia antigua clásica, y ahí es donde podemos comenzar a seguir de la pista que nos conduce hasta nuestras ideas actuales sobre la energía de la vida. Los griegos fueron unos pensadores asombrosamente creativos. Realmente es casi imposible describir claramente lo que los griegos pensaban sobre cualquier tema, porque siempre pensaban de manera muy diferente sobre la misma cosa, nunca estaban satisfechos y conjeturaban diferentes perspectivas que podrían ser, y sobre las mismas cosas discutían, siendo la mayoría sus posturas contradictorias, todos perseguían la verdad que esconde la Naturaleza y les llamaban filósofos naturales. La diversidad de ideas enriquecía los pensamientos que, en realidad, aunque por separado, todos trataban de llegar a esa verdad desconocida.

No podemos dejarlo así y, antes de seguir, habrá que reconocer que, muchos de los conocimientos que manejaban venían de pueblos y culturas anteriores y lejanas, incluso de los sumerios y babilonios, la China, Egipto, la India, Persia…

 

 

 

 

Luego, los griegos se equivocaron estrepitosamente en relacion a muchas cosas. Y esto es en si mismo importante, porque durante casi dos mil años después de la caída de Atenas, los herederos intelectuales de Grecia en el mundo romano y el islámico, así como en la Europa Medieval y en la del Renacimiento, creyeron que todo lo que habían pensado los griegos era una verdad incuestionable. Las ideas de los sabios de Grecia sobre Filosofía, Ciencia y Medicina fueron asumidas con la misma admiración  e igual reverencia que las de Moisés, Jesús y Mahoma sobre religión y ética.

Actualmente sabemos que muchas de las “verdades” descubiertas por los griegos son “falsas”, pero la forma de sus ideas, el tipo de preguntas a las que respondían, y el modo en que procedieron para responderlas, han tenido una influencia fundamental en el desarrollo del conocimiento y los conceptos modernos. Si no fuera por el relativamente pequeño de pensadores de la Grecia Antigua y Clásica, la Ciencia, la Filosofía, y la cultura occidental. Tal como la conocemos ahora, no habría existido.

 

 

 

 

Empédocles (c.490 c.435 a. C.) fue uno de los mayores y mas completos sabios de todos los tiempos, un ejemplo de la enorme diversidad y creatividad de los pensadores de la Grecia Antigua. Nacido en una familia aristocrática de la ciudad-estado de Agrigento, Sicilia, colaboro en un golpe contra la oligarquía que gobernaba la ciudad y le ofrecieron la corona. Tras rehusar, estableció una Democracia y se convirtió el mismo en político. Sin embargo, en su tiempo libro, consiguió llegar a ser también uno de los mayores poetas, científico, filósofos, y médicos de la época. si esto no fuera suficiente, después del destierro y el exilio de su ciudad, se convirtió en profeta. La leyenda cosas increíbles de Empédocles que hoy dia, serian difíciles de admitir como ciertas.

Empédocles desarrollo la teoría de los cuatro elementos. Que ha sido calificada, por su popularidad y larga vigencia, como la teoría científica de más éxito que se ha formulado jamás, aunque, por supuesto, no era correcta pero, sin embargo, denotaba una intuición de lo que podría ser la realidad de la materia. El, hace más de 2000 años, ya nos hablaba de elementos al igual que Demócrito lo hizo de átomos.

 

 

 

 

 

La Teoría de Empédocles afirmaba que todo lo que existe en el Universo era una combinación de solo cuatro elementos (el refundió ideas anteriores de otros personajes que, como Tales decía que, el Universo estaba hecho básicamente de agua. Aniximandro nos decía que todo estaba conformado por una sustancia desconocida, Anaximandro decía que era el aire el material principal y Heraclito se refería al fuego como el elemento que todo lo transformaba. Empédocles planteo que no existía en absoluto una sustancia fundamental única, sino cuatro elementos (o “raíces”, como el los llamo): tierra, fuego, aire y agua que, mezclados en la debida proporción, conformaban todas las cosas del mundo. El hecho de tener cuatro elementos en lugar de uno era una ventaja, ya que resultaba obvio para cualquiera que el mundo estaba compuesto por una increíble diversidad de cosas. Y era difícil explicar dicha diversidad si todo estaba hecho de la misma sustancia única. También era difícil explicar como podía cambiar, si todo era, en esencia, lo mismo. Empédocles planteo que cada diferente de cosas tenia proporciones diferentes de los cuatro elementos, y además que cualquier cambio se debía al intercambio de algunos de sus elementos constituyentes. Por ejemplo, dijo que los huesos estaban compuestos de fuego, agua y tierra en la proporción 2:1:1 y la carne estaba compuesta de todos los elementos en proporciones iguales.

 

 

 

 

Hoy sabemos que todo aquello era una especie de premonición de lo que después seria, y, luego, no tenemos mas remedio que admirar el pensamiento de aquellos hombres sabios que, como Tales supo darse de la importancia que tenia el agua para la vida, de Demócrito que abr del átomo 2.000 años antes de que lo descubriera Rutherfortd y otros, y de los demás pensadores que de una u otra manera, nos dejaron el camino abierto para llegar a la meta del saber.

Sin embargo, la visión que Empédocles tenia del mundo difiere radicalmente de la visión moderna en mucho aspectos: el considero también estas dos fuerzas, el amor y el odio, en un sentido religioso, como una lucha entre el bien y el mal (identificando cada uno de los cuatro elementos con un dios diferente). Sin embargo, la religión es algo que, al tratarse de fe, tomo un camino divergente con el de la Ciencia que solo se puede asentar en la certeza. Y, desde luego, fue el sabio de Gracia Tales de Mileto el que, un dia, dejo de lado la mitología para emplear la lógica en sus postulados.

 

 

 

 

Los primeros pensadores (como Anaximedes) y los últimos (como Demócrito) adoptaron un punto de vista mas moderno que el de Empédocles, y, según el cual, una sustancia constituida por un amplio numero de pequeñas partículas separadas por el espacio vació, y la conversión de un liquido en gas no se debe a un cambio de elementos, sino que dichos elementos se alejan considerablemente unos de otros. Así, el hielo esta formado por moléculas de agua que se mantienen fuertemente unidad, mientras que el agua liquida esta formada por las mismas moléculas de agua, pero en este caso fluyen unas sobre otras, y el vapor, es decir, el agua totalmente evaporada, esta constituidas por las mismas moléculas de agua, pero muy alejadas entre si. –Leucipo y Demócrito (c.460-370 a.C.)- llevaron esta visión del mundo a su extremo mas materialista, tomando la teoría de Empédocles, despojándola de sus componentes religiosos, y añadiendo el vació.

Así, su punto de vista dejo establecido y consistía en afirmar que no existía nada en el mundo  salvo un gran numero de partículas diminutas (átomos) que se movían a traves del espacio vació y que todo lo conformaban bajo ciertas del estado de densidad y temperaturas dependiendo de las regiones en las que se encontraran, en cada momento, dichas partículas.

 

 

   El alquimista de Pietro Longhi

La Alquimia tiende un puente entre, por una parte las enseñanzas de la Grecia Antigua y de Roma, y por otra el nacimiento de la Ciencia Moderna en la Europa del siglo XVII. Aunque la investigación de los alquimistas había comenzado 2000 años antes en Alejandría, China y la India, en 1680 Isaac Newton dedicaba aún la mayor parte de su tiempo a este arte misterioso.

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Claro que, si hablamos de Alquimía habrá que viajar más lejos, hacia atrás en el tiempo. Considerada una pseudo-ciencia, la alquimia se practicó aproximadamente el siglo IV a. C. hasta el surgimiento de la química y las ciencias naturales, a comienzos del XVII. Es cierto que, su época de esplendor se sitúa en la Europa medieval. Sin embargo, la verdadera historia de la Alquimia, nos dice que deberíamos irnos mucho más atrás en el tiempo.

A partir de la etapa final de la Edad Media se escribieron numerosos libros del denominado «Arte Hermético». La palabra alquimia, del árabe al-kimiya, cuyo significado es similar al de química, , sin embargo, una connotación distinta al concepto actual del término, ya que hace referencia a lo trascendental y espiritual.

Tres fueron los objetivos fundamentales perseguidos por los Alquimistas: La transformación de metales como el plomo y el cobre en metales preciosos como el oro y la plata. También perseguían crear sustancias curativas de todas las enfermedades y, no pocos de dicaron su esfuerzo a conseguir lo que llamaron el elixir de la inmortalidad.

              El Cinabrio, la Piedra filosofal o, el secreto de la !vida eterna!

Ya sabeis, la búsqueda de “La Piedra Filosofal”, la única sustancia capaz de conseguir la transmutación.La verdadera Piedra Filosofal es roja y, tenía sus virtudes que sólo eran conocidas por los alquimistas más expertos y que estaban en posesión de los secretos de la materia transmutada.

 

Faltaba mucho tiempo para que llegara la tecnología necesaria que les hiciera saber que la verdadera Alquimia natural se producía en las estrellas situadas en el Espacio Interestelar a muchos años-luz de distancia de la Tierra. Sin embargo, ellos, los alquimistas de épocas muy lejanas, buscaron con denuedo los secretos de la materia y creían, de manera firme en el elixir de la juventud y en la transmutación del plomo en oro.

Ellos no sabían que esa Alquimia soñada sólo podía ser hecha en los hornos nucleares de las estrellas. Allí, sí que se transmutan los elementos y, cuando al final mueren, esas explosiones que llamamos de supernovas, transmutan los materiales en oro y plantino a partir de otros más sencillos y menos valiosos pero, el elixir de la felicidad o la eterna juventud… ¡Qué cosas!

Pero, sabemos ¿cuál es el origen de la Alquimia? Es muy difícil contestar esa pregunta dando una y un lugar concretos; China, Egipto, Grecia y el Oriente Medio pudieran atribuirse, con el mismo derecho, la paternidad de la Alquimia. Así pues, parece aconsejable ceñirce a la tradición y remontar el arte hermético hasta el propio Hermes -quien fue un rey prefaraónico-, puesto que él le dio su nombre. Se le atribuyen varios tratados alquímicos, entre otros, la famosa Tabla esmeraldina, que es, sin duda, el resumen más conciso, si no el más claro, de la Gran Obra.

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                  La Tabla Esmeraldina

“Es verdad, sin mentira, cierto y muy verdadero. Lo que está abajo es como lo que está arriba, y lo que está arriba es como lo que está abajo, hacer los milagros de una sola cosa. Todas las cosas vinieron y vienen del Uno, y por mediación del Uno, así todas las cosas han nacido de cosa única por la adaptación. El Sol es el padre; la Luna, la madre; el viento la ha llevado en su vientre, la Tierra es su nodriza. El Padre de toda la Perfección de todo el mundo está aquí. Su potencia está entera si se convierte en tierra.

Separarás la tierra del fuego, lo sutil de lo espeso, suavemente, con gran cuidado. Subirá de la Tierra al Cielo y de bajará a la Tierra y recibirá la fuerza de las cosas superiores e inferiores. Por este medio, tendrás la gloria de todo el mundo, y por esto también, toda oscuridad huirá de ti. Es la fuerza de toda fuerza, pues vencerá todo lo sutil y penetrará todo lo sólido. Así se ha creado el mundo.

De ahí saldrán admirables adaptaciones, cuyo medio está aquí. Por eso he sido llamado Hermes Trismegisto, porque poseo las tres partes de la filosofía de todo el mundo. Lo que he dicho aquí de la operación del Sol, está cumplido y acabado.”

Según la leyenda, los soldados de Alejandro Magno encontraron dicho texto en lo más profundo de la gran pirámide de Gizeh, que sería el sepulcro de Hermes. Al parecer, este mismo empleó un diamante puntiagudo para grabar sobre una plaza de esmeralda -de aquí su nombre- las escasas líneas que componen la Tabla y que, arriba quedan reproducidas.

Pero bueno, esa es otra historia que tocara contar en próximo comentario. Por hoy aquí lo dejo.

emilio silvera.

El Universo y la Vida

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física-química    ~    Comentarios Comments (0)

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Algunas veces, cuando pienso en lo que podría ser el árbol de la vida, me quedo con la convicción de que existen poderosas y excelentes razones para creer en un ancestro universal. Para empezar, todos los organismos vivos conocidos comparten un sistema físico y químico común. Los procesos metabólicos de la célula -cómo crece, qué moléculas hacen qué cosa y cuando, cómo se almacena y libera la energía, dónde se fabrican las proteínas y qué hacen- son siempre básicamente los mismos. El modo en que una célula registra la información genética y la reproduce es también común a toda la vida.

Quizás la evidencia más convincente de un ortigen común es que las instrucciones genéticas se ponen en práctica utilizando un código universal. Todo esto es, demasiado, para creer que estos rasgos complejos y altamente específicos surgieron muchas veces y de forma independiente. Más probable es que reflejen propiedades ya presentes en la célula ancestral universal y que fueron heredada por sus descendientes. ¿Vendrá de ahí las propiedades de la células madre?

Las células madre son células que tienen el potencial de convertirse en diferentes tipos de células . Las células madre pueden considerarse como células primitivas “no especializadas” que son capaces de dividirse y convertirse en células especializadas del cuerpo, como por ejemplo las células del hígado, las células musculares, células sanguíneas y otras células con funciones específicas

 

¿Por qué son importantes las células madre?

 

Las células madre representan una interesante área de la medicina debido a su potencial para regenerar y reparar el tejido dañado. Algunas de las terapias actuales, como el trasplante de médula ósea con el uso de células madre , por su potencial para la regeneración de tejidos dañados. Otras terapias están bajo investigación que consiste en trasplantar células madre en una parte del cuerpo dañada y dirigirlas a crecer y diferenciarse en tejido sano.

         Molécula de ADN

Si elevamos el aumento cien mil veces, el núcleo de un átomo de carbono se hinchará hasta llenar el campo de visión. Tales núcleos átomos se formaron dentro de una estrella que estalló mucho antes de que naciera el Sol. Si podemos aumentar aún más, veremos los tríos de quarks que constituyen protones y neutrones.

Otra evidencia a favor de un ancestro común procede de la curiosa cuestión del sentido de giro molecular, o quiralidad, como se conoce técnicamente. La mayoría de las moléculas orgánicas no son simétricas: sus imágenes especulares parecen diferentes, de la misma forma que una mano izquierda difiere de una mano derecha: : tienen “quiralidad opuesta”. Por ejemplo, el ADN está enrollado en una hélice a derechas, o destrógira; su imagen especular es una hélice a izquierdas, o levógira. Sin embargo,  las fuerzas que mantienen unidas las moléculas no hacen ninguna distinción entre izquierda y derecha. Ninguna ley de la Naturaleza prohíbe que las moléculas  de ADN sean levógiras, pero nadie ha encontrado una tofavía. Una misma quiralidad, ya sea izquierda o derecha, es común a todos mis seres vivos. Esto sugiere que toda la vida descendió de una única célula ancestral que contenía moléculas con las quiralidades concretas que hoy encontramos.

En 1953, Watson (izquierda) y Francis Crick (derecha). En 1962 ambos recibieron el Premio Nobel de Medicina por su trabajo.

Crick y Watson descubrieron que el ADN o ácido desoxirribonucleico, la base de nuestra herencia genética conocida como “la molécula de la vida”, está formada por una doble ´helice, como una escalera e caracol, compuesta de azúcares y fosfatos en sus dos lados, con “escalones” formados por parejas de bases nitrogenadas: adenina y timina, guanina y citosina, cada una de ellas, unida a una espiral.

El orden en que se encuentran estos pares a lo largo de la hélice, determina el mensaje genético que controla las características de cada individuo: sea éste un pino o un lirio, o, que en un ser humano,   su pelo sea rizado o tenga los ojos azules.
El ADN compone segmentos codificados o genes, que llevan las instrucciones hereditarias para elaborar las proteínas que gobiernan todos los procesos biológicos. Según algunos científicos, la espiral podría ser la forma más eficaz de agrupar material sin que se desordene por el espacio y, tal vez por eso, la molécula de ADN se envuelve sobre sí misma, guardando toda la información necesaria para la vida.

                                Mecánica Molecular

Los objetos vivientes tienden a estar en estructuras tensionadas. Esto implica una fuerte dependencia de las fibras para resistir, sostener, transmitir o generar fuerzas longitudinales, en la práctica estas son de forma de cables fibrosos formados por poroteinas y polisacaridos. En el mundo natural, tal como en el sintético, muchos materiales estructurales son compuestos de fibras reforzadas diseñados para resistir movimientos bruscos y usualmente combinan proteínas con polisacaridos. Un ejemplo es la combinación de chitin y  resilin de la cutícula de artropódos y otro el colágeno reforzado glicosaminoglicano geles de cartílago.
Pero comentemos un poco sobre el inicio de todo, es decir, sobre la fuente en la que se fundieron los materiales necesarios para la Vida.

 

 

 

 

La explosión de supernova provoca la expulsión de las capas externas de la estrella por medio de poderosas ondas de choque, enriqueciendo el espacio que la rodea con elementos pesados. Los restos eventualmente componen nubes de polvo y gas. Cuando el frente de onda de la explosión alcanza otras nubes de gas y polvo cercanas, las comprime y puede desencadenar la formación de nuevas nebulosas que originan, después de cierto tiempo, nuevos sistemas estelares (quizá con planetas, al estar las nebulosas enriquecidas con los elementos procedentes de la explosión).

En una supernova, en orden decreciente tenemos la secuencia de núcleos H, He, O, C, N, Fe, que coincide bastante bien con una ordenación en la tabla periódica que es: H, He, (Li, Be, B) C, N, O… Fe

¿Apreciáis la maravilla? Las estrellas brillan en el cielo para hacer posible que nosotros estemos aquí descubriendo los enigmas del universo y… de la vida inteligente.

. ¿Qué hace que se den la consciencia y la inteligencia?

Qué hace que existan a la conciencia y la inteligencia, porque aunque sepamos multitud de cosas de los lugares más recónditos del universo, aún sabemos muy poco de lo que hay dentro de nuestra cabeza, y esas dos cosas son las que nos hacen ser lo que somos. Claro que, la primera incógnita científica que necesitamos resolver es la de apariencia más simple y la que más quebraderos de cabeza ha dado a la Física. ¿Qué es la gravedad? ¿Cómo se combina la teoría de la relatividad general y la teoría cuántica? ¿Existe el gravitón? incognitas como estas existen muchas para que podamos llegar a entender el Universo. Si continuamos avanzando el saber del mundo, el día llegará que podamos entender muchas cosas ahora en las sombras de nuestra ignorancia.

La vida sin carbono

En algún momento de las próximas décadas descubriremos el primer planeta albergando vida. Pero seguramente será “parecida” a la nuestra; basada en enlaces de C y agua como medio. Pero; ¿podría existir un tipo de vida completamente diferente? ¿la reconoceremos cuando la veamos? ¿podría evolucionar hasta desarrollar inteligencia? Es posible, nada podemos negar sin tener el conocimiento de causa suficiente para ello pero…, mi impresión es que, toda la vida del Universo está basada en el Carbono. Muchos son los miles de millones de especies que han poblado la Tierra y, que sepamos, las que se fueron y las que aún están, todas ellas, sin excepción, en el Carbono estaban y están basadas. Si el Universo es igual en todas partes (¿cómo sería de otra maner?, esperémos que lo que pasó aquí, también habrá pasado allí, y allí y en aquel otro lugar.

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Pero está claro que todo el proceso estelar evolutivo inorgánico nos condujo desde el simple gas y polvo cósmico a la formación de estrellas y nebulosas solares hasta los planetas, la Tierra en particular, en cuyo medio ígneo describimos la formación de las estructuras de los silicatos, desplegándose con ello una enorme diversidad de composiciones, formas y colores, asistiéndose, por primera vez en la historia de la materia, a unas manifestaciones que contrastan con las que hemos mencionado en relación al proceso de las estrellas. Desde el punto de vista del orden es la primera vez que nos encontramos con objetos de tamaño comparables al nuestro, en los que la ordenación de sus constituyentes es el rasgo más característico.

Redes cristalinas del diamante que dan lugar a múltiples y variadas transformaciones a partir de un mismo elemento maravilloso: El Carbono.

Al mismo tiempo nos ha parecido reconocer que esos objetos, es decir, sus redes cristalinas “reales”, almacenan información (memoria) que se nos muestra muy diversa y que puede cobrar interés en ciertos casos, como el de los microcristales de arcilla, en los que, según Cairns-Smith, puede incluso llegar a transmitirse.

Porque, ¿qué sabemos en realidad de lo que llamamos materia inerte? Lo único que sabemos de ella son los datos referidos a sus condiciones físicas de dureza, composición, etc.; en otros aspectos ni sabemos si pueden existir otras propiedades distintas a las meramente físicas.

¿No os hace pensar que nosotros estemos hechos, precisamente, de lo que llamamos materia inerte? Que en condiciones especiales llegó a evolucionar hasta nosotros. Es decir, hemos hecho un largo viaje desde los Quarks hasta los pensamientos.

Foto

Pero el mundo inorgánico es sólo una parte del inmenso mundo molecular. El resto lo constituye el mundo orgánico, que es el de las moléculas que contienen carbono y otros átomos y del que quedan excluidos, por convenio y características especiales, los carbonatos, bicarbonatos y carburos metálicos, los cuales se incluyen en el mundo inorgánico.

Según decía en otras ocasiones, los quarks u y d se hallan en el seno de los nucleones (protones y neutrones) y, por tanto, en los núcleos atómicos. Hoy día, éstos se consideran como una subclase de los hadrones.

                          La Mano mágica de la Naturaleza puede convertir, lo inanimado, en lo que entendemos que es…¡La Vida!

La composición de los núcleos (lo que en química se llama análisis cualitativo) es extraordinariamente sencilla, ya que como es sabido, constan de neutrones y protones que se pueden considerar como unidades que dentro del núcleo mantienen su identidad. Tal simplicidad cualitativa recuerda, por ejemplo, el caso de las series orgánicas, siendo la de los hidrocarburos saturados la más conocida. Recordad que su fórmula general es , lo que significa que una molécula de hidrocarburo contiene n átomos de carbono (símbolo C) y (2n+2) átomos de hidrógeno (símbolo H).

El número de protones y neutrones determina al elemento, desde el hidrógeno (el más simple), al uranio (el más complejo), siempre referido a elementos naturales que son 92; el resto son artificiales, los conocidos transuránicos en cuyo grupo están el einstenio o el plutonio, artificiales todos ellos.

                                                               Mineral Uranio

Los núcleos, como sistemas dinámicos de nucleones, pertenecen obviamente a la microfísica y, por consiguiente, para su descripción es necesario acudir a la mecánica cuántica. La materia, en general, aunque presumimos de conocerla, en realidad, nos queda mucho por aprender de ella.

Hablemos un poco de moléculas.

El número de especímenes atómicos es finito, existiendo ciertas razones para suponer que hacia el número atómico 173 los correspondientes núcleos serían inestables, no por razones intrínsecas de inestabilidad “radiactiva” nuclear, sino por razones relativistas. Ya antes me referiría a las especies atómicas, naturales y artificiales que son de unos pocos millares; en cambio, el número de moléculas conocidas hasta ahora comprende varios millones de especímenes, aumentando continuamente el número de ellas gracias a las síntesis que se llevan a cabo en numerosos laboratorios repartidos por todo el mundo.

Una molécula es una estructura con individualidad propia, constituida por núcleos y electrones. Obviamente, en una molécula las interacciones deben tener lugar entre núcleos y electrones, núcleos y núcleos y electrones y electrones, siendo del tipo electromagnético.

                                                                          Moléculas Alfa

Debido al confinamiento de los núcleos, el papel que desempeñan, aparte del de proporcionar la casi totalidad de la masa de la molécula, es poco relevante, a no ser que se trate de moléculas livianas, como la del hidrógeno. De una manera gráfica podríamos decir que los núcleos en una molécula constituyen el armazón de la misma, el esqueleto, cuya misión sería proporcionar el soporte del edificio. El papel más relevante lo proporcionan los electrones y en particular los llamados de valencia, que son los que de modo mayoritario intervienen en los enlaces, debido a que su energía es comparativamente inferior a la de los demás, lo que desempeña un importante papel en la evolución.

Desde las moléculas más sencillas, como la del hidrógeno con un total de 2 electrones, hasta las más complejas, como las de las proteínas con muchos miles de ellos, existe toda una gama, según decía, de varios millones. Esta extraordinaria variedad de especies moleculares contrasta con la de las especies nucleares e incluso atómicas.

Sin entrar en las posibles diferencias interpretativas de estas notables divergencias, señalaré que desde el punto de vista de la información, las especies moleculares la poseen en mucho mayor grado que las nucleares y atómicas.

Es-Orbital s.png

Dejando aparte los núcleos, la información que soportan los átomos se podría atribuir a la distribución de su carga eléctrica, y en particular a la de los electrones más débilmente ligados. Concretando un poco se podría admitir que la citada información la soportan los orbitales atómicos, pues son precisamente estos orbitales las que introducen diferencias “geométricas” entre los diferentes electrones corticales.

Justamente esa información es la que va a determinar las capacidades de unión de unos átomos con otros, previo el “reconocimiento” entre los orbitales correspondientes. De acuerdo con la mecánica cuántica, el número de orbitales se reduce a unos pocos. Se individualizan por unas letras, hablándose de orbitales s, p, d, f, g, h. Este pequeño número nos proporciona una gran diversidad.

La llamada hibridación (una especie de mezcla) de orbitales es un modo de aumentar el número de mensajes, esto es, la información, bien entendido que esta hibridación ocurre en tanto y en cuanto dos átomos se preparan para enlazarse y formar una molécula. En las moléculas, la información, obviamente, debe abarcar todo el edificio, por lo que en principio parece que debería ser más rica que en los átomos. La ganancia de información equivale a una disminución de entropía; por esta razón, a la información se la llama también negantropía.

Hibridación

Metano CH4

metano CH4

Etano CH3CH3
etano CH3-CH3

Hibridación sp2

En la hibridación trigonal se hibridan los orbitales 2s, 2px y 2 py, resultando tres orbitales idénticos sp2 y un electrón en un orbital puro 2pz .

Un átomo de carbono hibridizado sp2

Un átomo de carbono hibridizado sp2

 El carbono hibridado sp2 da lugar a la serie de los alquenos.

La molécula de eteno o etileno presenta un doble enlace:

  1. un enlace de tipo σ por solapamiento de los orbitales hibridos sp2
  2. un enlace de tipo π por solapamiento del orbital 2 pz

El enlace π es más débil que el enlace σ lo cual explica la mayor reactividad de los alquenos, debido al grado de insaturación que presentan los dobles enlaces.

El doble enlace impide la libre rotación de la molécula.

orbitales moleculares del etileno

Modelo de enlaces de orbitales moleculares del etileno formado a partir de dos átomos de carbono hibridizados sp2 y cuatro átomos de hidrógeno.

Hibridación sp

 

Los átomos que se hibridan ponen en juego un orbital s y uno p, para dar dos orbitales híbridos sp, colineales formando un ángulo de 180º. Los otros dos orbitales p no experimentan ningún tipo de perturbación en su configuración.

Hibridación sp

Un átomo de carbono hibridizado sp

El ejemplo más sencillo de hibridación sp lo presenta el etino. La molécula de acetileno presenta un triple enlace:

a. un enlace de tipo σ por solapamiento de los orbitales hibridos sp
b. dos enlaces de tipo π por solapamiento de los orbitales 2 p.

etino

Formación de orbitales de enlaces moleculares del etino a partir de dos átomos de carbono hibridizados sp y dos átomos de hidrógeno.

Todo esto nos puede llevar a pensar que la Naturaleza se vale de diveros caminos para construir, de una manera que a nosotros nos puede parecer mágica, primero, a partir de los elementos más simples, otros más complejos y, para ello, se vale de las estrellas, único lugar en el que es posible llevar a cabo esa transisición de fase de la materia. Más tarde, entran en juego otras fuerzas y otras leyes para que, desde la materia inerte, se confromen las condiciones precisas para que pueda surgir las primeras condiciones que den lugar, con el paso del tiempo y la evolución, a lo que conocemos como vida, sea esta inteligente o no.

Y, aunque el Carbono no es el único material idóneo para conformar la vida (otros son similares y podrían tener condiciones y alguna posibilidad), lo cierto es que, por sus específicas características, si parece que es el más adecuado para que sea la base biológica de la vida. Y, por todo lo que al principio hemos dicho, no sería absurdo pensar que, la Vida en el Universo tenga lazos comunes que vienen dados por la memoria gravada en la materia que la conforma. Lo cierto es que, estamos inmersos en grandes misterios que, no siempre podemos comprender.

¡Nos esperan muchas sorpresas!

Salvo mejor parecer.

El fascinante “mundo” del saber

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física-química    ~    Comentarios Comments (0)

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¿Qué no será capaz de inventar el hombre para descubrir los misterios de la naturaleza?

Ha pasado mucho tiempo desde que Rutherford identificara la primera partícula nuclear (la partícula alfa). El camino ha sido largo y muy duro, con muchos intentos fallidos antes de ir consiguiendo los triunfos (los únicos que suenan), y muchos han sido los nombres que contribuyeron para conseguir llegar al conocimiento del átomo y del núcleo actual; los electrones circulando alrededor del núcleo, en sus diferentes niveles, con un núcleo compuesto de protones y neutrones que, a su vez, son constituidos por los quarks allí confinados por los gluones, las partículas mediadoras de la fuerza nuclear fuerte. Pero, ¿qué habrá más allá de los quarks?, ¿las supercuerdas vibrantes? Algún día se sabrá.

Partículas

El universo de las partículas es fascinante. Cuando las partículas primarias chocan con átomos y moléculas en el aire, aplastan sus núcleos y producen toda clase de partículas secundarias. En esta radiación secundaria (aún muy energética) la que detectamos cerca de la Tierra, por los globos enviados a la atmósfera superior, han registrado la radiación primaria.

El físico estadounidense Robert Andrews Millikan, que recogió una gran cantidad de información acerca de esta radiación (y que le dio el nombre de rayos cósmicos), decidió que debería haber una clase de radiación electromagnética. Su poder de penetración era tal que, parte del mismo, atravesaba muchos centímetros de plomo. Para Millikan, esto sugería que la radiación se parecía a la de los penetrantes rayos gamma, pero con una longitud de onda más corta.

Otros, sobre todo el físico norteamericano Holly Compton, no estaban de acuerdo en que los rayos cósmicos fuesen partículas. Había un medio para investigar este asunto; si se trataba de partículas cargadas, deberían ser rechazadas por el campo magnético de la Tierra al aproximarse a nuestro planeta desde el espacio exterior. Compton estudió las mediciones de la radiación cósmica en varias latitudes y descubrió que en realidad se curvaban con el campo magnético: era más débil cera del ecuador magnético y más fuerte cerca de los polos, donde las líneas de fuerza magnética se hundían más en la Tierra.

Las partículas cósmicas primarias, cuando entran en nuestra atmósfera, llevan consigo unas energías fantásticas, muy elevadas. En general, cuanto más pesado es el núcleo, más raro resulta entre las partículas cósmicas. Núcleos tan complejos como los que forman los átomos de hierro se detectaron con rapidez; en 1.968, otros núcleos como el del uranio. Los núcleos de uranio constituyen sólo una partícula entre 10 millones. También se incluirán aquí electrones de muy elevada energía.

Ahora bien, la siguiente partícula inédita (después del neutrón) se descubrió en los rayos cósmicos. A decir verdad, cierto físico teórico había predicho ya este descubrimiento. Paul Adrien Dirac había deducido, fundándose en un análisis matemático de las propiedades inherentes a las partículas subatómicas, que cada partícula debería tener su antipartícula (los científicos desean no sólo que la naturaleza sea simple, sino también simétrica). Así pues, debería haber un antielectrón, salvo por su carga que sería positiva y no negativa, idéntico al electrón; y un antiprotón, con carga negativa en vez de positiva.

En 1.930, cuando Dirac expuso su teoría, no llamó demasiado la atención en el mundo de la ciencia. Pero, fiel a la cita, dos años después apareció el antielectrón. Por entonces, el físico americano Carl David Anderson trabajaba con Millikan en un intento por averiguar si los rayos cósmicos eran radiación electromagnética o partículas. Por aquellas fechas, casi todo el mundo estaba dispuesto a aceptar las pruebas presentadas por Compton, según las cuales, se trataría de partículas cargadas; pero Millikan no acababa de darse por satisfecho con tal solución.

Anderson se propuso averiguar si los rayos cósmicos que penetraban en una cámara de ionización se curvaban bajo la acción de un potente campo magnético. Al objeto de frenar dichos rayos lo suficiente como para detectar la curvatura, si la había, puso en la cámara una barrera de plomo de 6’35 mm de espesor. Descubrió que, cuando cruzaba el plomo, la radiación cósmica trazaba una estela curva a través de la cámara; y descubrió algo más. A su paso por el plomo, los rayos cósmicos energéticos arrancaban partículas de los átomos de plomo. Una de esas partículas dejó una estela similar a la del electrón. ¡Allí estaba, pues, el antielectrón de Dirac! Anderson le dio el nombre de positrón. Tenemos aquí un ejemplo de radiación secundaria producida por rayos cósmicos. Pero aún había más, pues en 1.963 se descubrió que los positrones figuraban también entre las radiaciones primarias.

Abandonado a sus propios medios, el positrón es tan estable como el electrón (¿y por qué no habría de serlo si el idéntico al electrón, excepto en su carga eléctrica?). Además, su existencia puede ser indefinida. Ahora bien, en realidad no queda abandonado nunca a sus propios medios, ya que se mueve en un universo repleto de electrones. Apenas inicia su veloz carrera (cuya duración ronda la millonésima de segundo), se encuentra ya con uno.

Así, durante un momento relampagueante quedaron asociados el electrón y el positrón; ambas partículas girarán en torno a un centro de fuerza común. En 1.945, el físico americano Arthur Edwed Ruark sugirió que se diera el nombre de positronio a este sistema de dos partículas, y en 1.951, el físico americano de origen austriaco  Martin Deutsch consiguió detectarlo guiándose por los rayos gamma característicos del conjunto.

Pero no nos confundamos, aunque se forme un sistema positronio, su existencia durará, como máximo, una diezmillonésima de segundo. El encuentro del electrón-positrón provoca un aniquilamiento mutuo; sólo queda energía en forma de radiación gamma. Ocurre pues, tal como había sugerido Einstein: la materia puede convertirse en energía y viceversa. Por cierto, que Anderson consiguió detectar muy pronto el fenómeno inverso: desaparición súbita de rayos gamma para dar origen a una pareja electrón-positrón. Este fenómeno se llama producción en pareja. Anderson compartió con Hess el premio Nobel de Física de 1.936.

Poco después, los Joliot-Curie detectaron el positrón por otros medios, y al hacerlo así realizaron, de paso, un importante descubrimiento. Al bombardear los átomos de aluminio con partículas alfa, descubrieron que con tal sistema no sólo se obtenían protones, sino también positrones. Cuando suspendieron el bombardeo, el aluminio siguió emitiendo positrones, emisión que sólo con el tiempo se debilitó. Aparentemente habían creado, sin proponérselo, una nueva sustancia radiactiva. He aquí la interpretación de lo ocurrido según los Joliot-Curie: cuando un núcleo de aluminio absorbe una partícula alfa, la adición de los dos protones transforma el aluminio (número atómico 13) en fósforo (número atómico 15). Puesto que las partículas alfa contienen cuatro nucleones en total, el número masivo se eleva 4 unidades, es decir, del aluminio 27 al fósforo 31. Ahora bien, si al reaccionar se expulsa un protón de ese núcleo, la reducción en una unidad de sus números atómicos y masivos hará surgir otro elemento, o sea, el silicio 30.

Puesto que la partícula alfa es el núcleo del helio, y un protón es el núcleo del hidrógeno, podemos escribir la siguiente ecuación de esta reacción nuclear:

aluminio 27 + helio 4 = silicio 30 + hidrógeno 1

Nótese que los números másicos se equilibran:

27 + 4 = 30 + 1

Adentrarse en el universo de las partículas que componen los elementos de la tabla periódica, y en definitiva, la materia conocida, es verdaderamente fantástico.

Tan pronto como los Joliot-Curie crearon el primer isótopo radiactivo artificial, los físicos se lanzaron en tropel a producir tribus enteras de ellas. En realidad, las variedades radiactivas de cada elemento en la tabla periódica son producto de laboratorio. En la moderna tabla periódica, cada elemento es una familia con miembros estables e inestables, algunos procedentes de la naturaleza, otros sólo del laboratorio. Por ejemplo, el hidrógeno presenta tres variedades: en primer lugar, el corriente, que tienen un solo protón. En 1.932, el químico Harold Urey logró aislar el segundo. Lo consiguió sometiendo a lenta evaporación una gran cantidad de agua, de acuerdo con la teoría de que los residuos representarían una concentración de la forma más pesada del hidrógeno que se conocía, y, en efecto, cuando se examinaron al espectroscopio las últimas gotas de agua no evaporadas, se descubrió en el espectro una leve línea cuya posición matemática revelaba la presencia de hidrógeno pesado.

El núcleo de hidrógeno pesado está constituido por un protón y un neutrón. Como tiene un número másico de 2, el isótopo es hidrógeno. Urey llamó a este átomo deuterio (de la voz griega deutoros, “segundo”), y el núcleo deuterón. Una molécula de agua que contenga deuterio se denomina agua pesada, que tiene puntos de ebullición y congelación superiores al agua ordinaria, ya que la masa del deuterio es dos veces mayor que la del hidrógeno corriente. Mientras que ésta hierve a 100º C y se congela a 0º C, el agua pesada hierve a 101’42º C y se congela a 3’79º C. El punto de ebullición del deuterio es de -23’7º K, frente a los 20’4º K del hidrógeno corriente. El deuterio se presenta en la naturaleza en la proporción de una parte por cada 6.000 partes de hidrógeno corriente. En 1.934 se otorgó a Urey el premio Nobel de Química por su descubrimiento del deuterio.

Representación 3D animada de un deuterio. Hay que tener en cuenta que la órbita del electrón no es regular.

El deuterio resultó ser una partícula muy valiosa para bombardear los núcleos. En 1.934, el físico australiano Marcus Lawrence Edwin Oliphant y el austriaco P. Harteck atacaron el deuterio con deuterones y produjeron una tercera forma de hidrógeno, constituido por un protón y dos neutrones. La reacción se planteó así:

hidrógeno 2 + hidrógeno 2 = hidrógeno 3 + hidrógeno 1

Este nuevo hidrógeno superpesado se denominó tritio (del griego tritos, “tercero”); su ebullición a 25º K y su fusión  a 20’5º K.

Como es mi costumbre, me desvío del tema y sin poderlo evitar, mis ideas (que parecen tener vida propia), cogen los caminos más diversos. Basta con que se cruce en el camino del trabajo que realizo un fugaz recuerdo; lo sigo y me lleva a destinos distintos de los que me propuse al comenzar. Así, en este caso, me pasé a la química, que también me gusta mucho y está directamente relacionada con la física; de hecho son hermanas: la madre de ambas son las matemáticas. Las matemáticas componen ese lenguaje que explica lo que las palanbras no pueden.

emilio silvera