13ª CEREMONIA DE ENTREGA DE LOS PREMIOS L’ORÉAL-UNESCO “FOR WOMEN IN SCIENCE” 2011

Hace algún tiempo ya que tuvo lugar en la sede de la UNESCO en París la 13 ª Ceremonia de entrega de los Premios L’Oréal-UNESCO “FOR WOMEN IN SCIENCE”. La Ceremonia fue presidida por el Profesor Ahmed Zewail, galardonado con el Premio Nobel de Química en 1999. De este modo, cinco investigadoras de ciencias físicas que han contribuido a afrontar los importantes desafíos globales planteados a la humanidad han sido recompensadas con el Premio L’Oréal-UNESCO. El galardón fue entregado por Irina Bokova, Directora General de la UNESCO (por aquel entonces)  y por Lindsay Owen-Jones, Presidente de L’Oréal y de la Fundación Empresarial L’Oréal

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      ¿No os hace pensar que nosotros estemos hechos, precisamente, de lo que llamamos materia inerte evolucionada hasta el nivel de la consciencia? La materia adopta múltiples personajes y se viste con distintos ropajes según requiera la ocasión: Ahora está como plasma constituyendo estrellas, o, se comprime hasta límites inimaginables en lo que conocemos como estrellas de neutrones o las singularidades de agujeros negros, se pueden formar moléculas de H2O y constituirse en el preciado líquido tan necesario para la vida como el Agua, o,

Todo es materia que, en cada momento, adopta la forma y las funciones que la Naturaleza le ha encomendado. No importa que adopte la forma de inanimada o moviente, de todas las maneras materia es

Según he dicho muchas veces, 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 transuránidos 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.

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“Gases nobles excitados eléctricamente, mostrando la luz que emiten. Ocupan el lugar 18 de la Tabla Periódica. Este término surge de la traducción del nombre alemán «edelgas», empleado por vez primera en el año 1898 por Hugo Erdmann, para señalar la baja reactividad que presenta los elementos de este grupo. Dicho calificativo es debido a una analogía con la expresión «metales nobles«, como el oro, relacionado con la fortuna y la nobleza, y que de igual manera, posee baja reactividad.”

 

       Nebulosa del Cangrejo – Foto: CSIC

“Un equipo de investigadores con participación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha encontrado la primera evidencia de una molécula basada en el gas noble argón en la Nebulosa del Cangrejo. El trabajo, que ha utilizado datos de infrarrojo del observatorio espacial HERSCHEL, aparece publicado en último número de la revista Science.
La Nebulosa del Cangrejo (Messier 1), ubicada en la Constelación de Tauro, a unos 6.500 años luz de la Tierra, tiene un diámetro de 11 años luz (casi 700.000 veces la distancia entre el Sol y la Tierra). Esta nebulosa es una estructura filamentosa y difusa formada tras la explosión de una supernova observada en el año 1054 por astrónomos chinos.

En el estudio realizado, los investigadores han detectado la emisión de hidrilo de argón (ArH+), un ión molecular que contiene el gas noble argón. Aunque ya se habían detectado átomos o iones de gases nobles, hasta ahora no se había encontrado ninguno de los compuestos moleculares basados en estos átomos gases nobles lo que, según los investigadores, parecía sugerir que estos elementos requieren un mayor tiempo de reacción en el espacio o que no se dan las condiciones para que se formen.”

Sí, todos hemos oído hablar de ellos, de los Gases Nobles en alguna ocasión pero, ¿sabemos algo de ellos? Asimov que era químico, lo explicaba muy bien. 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 nombre de gases inertes.

“Los gases nobles son un conjunto de elementos que se encuentran integrando el grupo 18 de la tabla periódica. A lo largo de los años se les han llamado también gases raros o inertes, ambas denominaciones inexactas; algunos de ellos son muy abundantes fuera y dentro del planeta Tierra, y también son capaces, bajo condiciones extremas, de reaccionar.

Sus siete elementos integran quizás el grupo más singular de la tabla periódica, cuyas propiedades y escasas reactividades impresionan tanto como la de los metales nobles. Entre ellos desfilan el elemento más inerte (neón), el segundo más abundante del Cosmos (helio), y el más pesado e inestable (oganesón)”

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 nombre más común era el de gases inertes, quizá porque lo de nobles parecía poco apropiados.

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 esta distribución estable, no pueden producirse cambios electrónicos. Lo cual significa que no pueden producirse reacciones químicas y que estos elementos son inertes.

Ahora 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.

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 hacer 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).

Propiedades del xenón

“El xenón es incoloro, inodoro e insípido; es un gas en condiciones normales. El xenón es el único de los gases nobles no radiactivos que forma compuestos químicos estables a la temperatura ambiente; también forma enlaces débiles con clatratos.”

Los gases nobles como el xenón tienen poca tendencia a participar en reacciones químicas. El xenón, como el resto de gases nobles presenta las siguientes propiedades: Es incoloro, inodoro y muestra una reactividad química muy baja en condiciones normales.

El estado del xenón en su forma natural es gaseoso (no magnético). El xenón es un elmento químico de aspecto incoloro y pertenece al grupo de los gases nobles. El número atómico del xenón es 54. El símbolo químico del xenón es Xe. El punto de fusión del xenón es de 161,4 grados Kelvin o de -111,75 grados celsius o grados centígrados. El punto de ebullición del xenón es de 165,1 grados Kelvin o de -108,05 grados celsius o grados centígrados.

Propiedades atómicas del xenón

La masa atómica de un elemento está determinado por la masa total de neutrones y protones que se puede encontrar en un solo átomo perteneciente a este elemento. En cuanto a la posición donde encontrar el mercurio dentro de la tabla periódica de los elementos, el mercurio se encuentra en el grupo 18 (VIIIA) y periodo 5. El xenón tiene una masa atómica de 131,293 u. La configuración electrónica del xenón es [Kr]4d10 5s2 5p6. La configuración electrónica de los elementos, determina la forma el la cual los electrones están estructurados en los átomos de un elemento. El radio atómico o radio de Bohr del xenón es de 1,8 pm, su radio covalente es de 1,0 pm y su radio de Van der Waals es de 2,6 pm. El xenón tiene un total de 54 electrones cuya distribución es la siguiente: En la primera capa tiene 2 electrones, en la segunda tiene 8 electrones, en su tercera capa tiene 18 electrones, en la cuarta, 18 electrones y en la quinta capa tiene 8 electrones.

Configuración de un átomo de Xenón

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 nombre 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”.

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 puede alojar esta primera capa) que al estar en la primera línea cerca del núcleo positivo, están fuertemente atraídos al tener su carga eléctrica el signo negativo.

Un átomo es como una cebolla: los electrones se distribuyen en capas, llamadas K, L, M, … (indexadas por el número cuántico n=1, 2, 3, …).

A baja energía, las capas interiores de un átomo como el Neón son inaccesibles (su estructura atómica es 1s² 2s² 2p⁶).

Para ver los electrones en las capas interiores (electrones 1s² en el caso del Neón) se requiere una fuente láser de pulsos ultracortos muy intensa que permita “pelar” el átomo como si de una cebolla se tratara.

El año pasado se inauguró en EEUU una fuente de rayos X de este tipo y ahora se publica en Nature la primera vez que se logra despojar a un átomo de Neón de todos y cada uno de sus 10 electrones, permitiendo obtener todos los iones (cationes) posibles de dicho átomo.

Además, se ha logrado observar por primera vez los electrones del nivel K de átomos de Neón rodeados de “huecos” en los niveles L.

Hay que recordar que en mecánica cuántica un electrón y el “hueco” ocupado por un electrón se comporta de forma muy parecida.

La observación de electrones de nivel K rodeados de “huecos” de nivel L confirma, como era de esperar, los resultados predichos por la mecánica cuántica. Este es el primer artículo importante que se obtiene en la fuente de rayos X coherente llamada Linac (Linac Coherent Light Source) en el Laboratorio Nacional SLAC (SLAC National Accelerator Laboratory) en California.

El Laboratorio Nacional SLAC

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

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 trabajo 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?

El conocimiento que actualmente tenemos en las distintas ramas del saber (el conocimiento es un árbol enorme, las raíces que lo sustenta son las matemáticas, el tronco es la física, y a partir de ahí, salen las ramas que corresponden a los distintos disciplinas del saber, tales como química, biología, astronomía, etc), tiene su origen muy lejos en el pasado, en civilizaciones olvidadas que dejaron las huellas de su saber a otras que, como los griegos antiguos, hace ahora de ello 2.600 años, o 600 años a. de C., aprovecharon esos conocimientos y se dieron cuenta de que el mundo que les rodeaba y los acontecimientos naturales que ocurrían eran totalmente ajenos a los Dioses del Olimpo y a la mitología.

La ignorancia llevó en aquellos tiempos a la Humanidad a crear diez dioses ficticios sobre los que contaban toda clase de peripecias y aventuras o hechos que, no pocas veces, los involucraban con la gente normal. Sin embargo, fue también, al final de aquel período, cuando se percibieron de que, los “dioses” nada tenían que ver con el mundo que les rodeaba y, de esa manera, Thales de Mileto, uno de los siete sabios de Grecia, entendió; dejó a un lado a los Dioses y expresó sus ideas empleando la lógica observando la naturaleza.

Él fue el primero que se dio cuenta de la importancia que tenía el agua para la vida. Empédodes, otro pensador, dijo que todo estaba formado por cuatro elementos: aire, agua, tierra y fuego que, combinados en la debida proporción se convertirían en los distintos materiales de los que estaban formados todas las cosas. Demócrito de Abdera nos habló de algo invisible e indivisible como el componente más pequeño de la materia, le llamó a-tomo o átomo. Sócrates, Aristóteles o Platón (y otros) nos introdujeron en el campo de la filosofía, y Anaximandro, Anaxímedes, Pitágoras, Euclides y muchos más, nos enseñaron astronomía, matemáticas-geometría, medicina, etc.

Se podría decir, sin temor a equivocarse, que allí en la antigua Grecia comenzó a germinar la semilla sobre la que está basada y donde están asentados los pilares de la ciencia actual, de la sociología, de las Humanidades, las Artes y las letras de hoy. Si aquellos grandes hombres levantaran la cabeza y pudieran mirar lo que han hecho de su querida Grecia, sus descendientes políticos, se volvían a morir del susto.

emilio silvera

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Refiriéndonos al silicio, que para nosotros no es el más importante, señalaremos que las “moléculas” que dicho átomo forma con el oxígeno y otros átomos, generalmente metálicos poseyendo gran nivel de información, difieren en varios aspectos de las moléculas orgánicas, es decir, de las que poseen un esqueleto de átomos de carbono.

                         Estructura molecular del dióxido de Silicio

                Superficie de Silicio orgánico

¿Posible vida basada en el Silicio? Difícil, no imposible

El mundo de los silicatos es de una gran diversidad, existiendo centenares de especies minerológicas. Esas diferencias se refieren fundamentalmente a que el enlace químico en el caso de las moléculas orgánicas es covalente, y cuando se forma la sustancia correspondiente (cuatrillones de moléculas) o es un líquido, como es el caso de los aceites, o bien un sólido que funde fácilmente. Entre las moléculas que lo forman se ejercen unas fuerzas, llamadas de Van der Waals, que pueden considerarse como residuales de las fuerzas electromagnéticas, algo más débiles que éstas. En cambio, en los silicatos sólidos (como en el caso del topacio) el enlace covalente o iónico no se limita a una molécula, sino que se extiende en el espacio ocupado por el sólido, resultando un entramado particularmente fuerte.

Si prescindimos de las orgánicas, el resto de las moléculas que resultan de la combinación entre los diferentes átomos no llega a 100.000, frente a los varios millones de las primeras. Resulta ranozable suponer que toda la enorme variedad de moléculas existentes, principalmente en los planetas rocosos, se haya formado por evolución de los átomos, como corresponde a un proceso evolutivo. La molécula poseería mayor orden que los átomos de donde procede, esto es, menor entropía. En su formación, el ambiente se habría desordenado al ganar entropía en una cierta cantidad tal, que arrojarse un balance total positivo.

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“Químico francés y padre de la química moderna, Antoine-Laurent Lavoisier fue un experimentador brillante y genio de muchas facetas, activo tanto en ciencia como en asuntos públicos. Desarrollo una nueva teoría de la combustión que llevó a terminar con la doctrina del flogisto, que había dominado el curso de la química por más de un siglo. Sus estudios fundamentales sobre oxidación demostraron el papel del oxígeno en los procesos químicos y mostraron cuantitativamente la similitud entre oxidación y respiración. Formuló el principio de la conservación de la masa en las reacciones químicas. Clarificó la distinción entre elementos y compuestos y fue clave en el diseño de un sistema moderno de nomenclatura química. Lavoisier fue uno de los primeros científicos en introducir procedimientos cuantitativos en las investigaciones químicas.”

Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) fue un financiero. Estableció un sistema de pesos y medidas que condujo al sistema métrico, vivió los primeros momentos turbulentos de la Revolución Francesa y fue pionero en la agricultura científica. Se casó con una jovencita de catorce años y fue decapitado durante el Terror. Se le ha llamado padre de la química moderna y, a lo largo de su atareada vida, sacó a Europa de las épocas oscuras de esta ciencia.

Una de las primeras aportaciones de Lavoisier surgió cuando éste hizo el experimento de hervir agua durante largos períodos de tiempo. En la Europa del siglo XVIII muchos científicos creían en la transmutación. Pensaban, por ejemplo, que el agua podía transmutarse en tierra, entre otras cosas. Entre las pruebas, la principal consistía en hervir agua en una cazuela: en la superficie interior se formaban residuos sólidos. Algunos científicos proclamaron que esto se debía a que el agua se convertía en un nuevo elemento. Robert Boyle, el gran físico y químico británico del siglo XVII  que llegó al apogeo de su actividad científica cien años antes que Lavoisier, creía en la transmutación. Después de observar cómo crecían las plantas absorbiendo agua, llegó a la conclusión—al igual que muchos antes que él—de que el agua podía transformarse en hojas, flores y bayas. Según dice el químico Harold Goldwhite, de la State University de California, en Los Ángeles, “ Boyle fue un activo alquimista ”.

Lavoisier observó que el peso era la clave y que las mediciones eran fundamentales. Puso agua destilada en un hervidor especial en forma de tetera llamado pelícano, un recipiente cerrado con una tapa esférica que tomaba el vapor del agua y lo devolvía a la base del recipiente por dos tubos parecidos a unas asas. Hirvió el agua durante 101 días y encontró un residuo considerable. Pesó l agua, el residuo y el pelícano. El agua pesaba exactamente lo mismo. El pelícano pesaba algo menos, una cantidad exactamente igual al peso del residuo. Por lo tanto, el residuo no era producto de una transmutación, sino parte del recipiente: vidrio disuelto, sílice y otras sustancias.

Como los científicos seguían creyendo que el agua era un elemento básico, Lavoisier realizó otro experimento crucial. Inventó un aparato con dos boquillas e hizo pasar distintos gases de la una a la otra, para ver que sucedía. Un día mezcló oxígeno con hidrógeno, esperando conseguir algún ácido. Lo que obtuvo fue agua. Filtró el agua a través de un cañón de escopeta lleno de anillos de hierro calientes, para hacer que ésta se descompusiera de nuevo en hidrógeno y oxígeno, confirmando así que ésta no era un elemento.

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