Química, Universo, Tierra y Vida

Química, Universo, Tierra y Vida.

I.- ÁTOMOS Y MOLÉCULAS EN EL UNIVERSO. LA TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS.

Cuando la temperatura del Universo era de alrededor de mil millones de grados, se comenzaron a formar los núcleos de los elementos. Primero se formaron los más simples, el hidrógeno (H) y el helio (He); posteriormente, en el interior de las estrellas se fueron formando los núcleos de otros elementos, hasta llegar a un número cercano a 100. Los químicos los han ido descubriendo poco a poco y han encontrado que se pueden clasificar de acuerdo con sus propiedades físicas y químicas en lo que se ha nombrado la tabla periódica de los elementos.

Más tarde el Universo se fue enfriando hasta llegar a la temperatura de 3°K, que es la temperatura que actualmente tiene.

Los primeros elementos formados, el hidrógeno (H) y el helio (He), siguen siendo los principales constituyentes del Universo. El hidrógeno se encuentra en una proporción superior a 90% y el helio en alrededor de 8%. Estos elementos son más abundantes en el Sol y en las otras estrellas.

El átomo de hidrógeno (H), como hemos dicho, el elemento más sencillo del Universo, está formado por un núcleo, llamado protón, que posee una carga positiva, la cual se encuentra neutralizada por un electrón (carga negativa).

El hidrógeno se combina con otros elementos formando moléculas. Cuando se mezcla con oxígeno en un soplete y se le prende fuego, arde produciendo flama de color azul pálido. En esta reacción el oxígeno y el hidrógeno se combinan produciendo agua, que se escapa en forma de vapor.

Cuando en un recipiente cerrado se pone una unidad de peso de hidrógeno por 8 de oxígeno y se produce en su interior una chispa eléctrica, se provoca una explosión con formación de agua sin gases sobrantes, pero si la cantidad de uno de los gases excede a las proporciones antes dichas, quedará el exceso sin reaccionar. A esto se le llama Ley de las proporciones constantes e indica que dos átomos de hidrógeno, cada uno de peso atómico 1, reaccionan con un átomo de oxígeno, con peso atómico de 16, produciendo una molécula de agua, con peso molecular de 18.

El agua, producto formado en la combustión del hidrógeno, es la molécula más abundante en la Tierra, donde se le encuentra en sus tres estados físicos: como líquido, cubriendo las 3/4 partes de la superficie del planeta; como vapor, en grandes cantidades en la atmósfera, y en su estado sólido (hielo), formando depósitos sobre las altas montañas y cubriendo las regiones polares y en tal cantidad, que si este hielo se fundiera, el nivel del océano subiría e inundaría la mayor parte de las ciudades costeras y gran parte de las tierras bajas, incluyendo países enteros como Holanda.

Las propiedades físicas del agua a menudo se toman como tipo: su punto de fusión es de 0° su punto de ebullición a nivel del mar es de 100° la mayor densidad del agua se alcanza a 4°, siendo de 1 g/ml, es decir que cada mililitro pesará un gramo y por lo tanto un litro pesará un kilogramo.

Como se ve, las propiedades físicas del agua son casi siempre la unidad. Esto no es accidental, pues siendo el agua el líquido más abundante y accesible y teniendo propiedades tan singulares, no es de extrañar que se le tome como referencia para medir las de otras sustancias, sobre todo si son líquidas.

El hecho de que el hielo sea menos denso que el agua líquida tiene gran importancia en el mantenimiento de la vida en las regiones frías del planeta: cuando un lago se congela, sólo lo hace en su superficie, ya que el hielo, por ser menos denso que el agua, flota sobre ella y, por ser mal conductor del calor, aísla las capas más profundas impidiendo su congelación, con lo que se logra mantener las condiciones apropiadas para la conservación de la vida.

LA ATMÓSFERA PRIMITIVA DE LA TIERRA.

El científico ruso Oparin supone que estaba compuesta por vapor de agua (H20), amoniaco (NH3) e hidrocarburos, principalmente metano (CH4), conteniendo también ácido sulfhídrico (H2S).

COMPONENTES DEL CUERPO HUMANO

Los principales elementos de que está formado el cuerpo humano son carbono (C), oxígeno (O), hidrógeno (H) y nitrógeno (N), elementos que son también los principales componentes de otros seres vivos, desde los organismos unicelulares hasta los enormes seres pluricelulares.

La molécula más abundante en los seres vivos es el agua. En el ser humano llega a ser más de 70% de su peso. De manera que si un hombre de 100 kg de peso fuese desecado, su materia seca pesaría tan solo 30 kg. Ahora bien, si esta materia restante fuese incinerada, la mayor parte se convertiría en bióxido de carbono que regresaría a la atmósfera. Lo mismo sucede con el nitrógeno de sus proteínas, las que al ser convertidas en óxidos de nitrógeno pasarían a la atmósfera. Como material sólido quedarían las cenizas, que son óxidos provenientes de los componentes inorgánicos del cuerpo, entre los que encontraríamos el óxido de calcio o cal viva, además de óxidos de sodio, potasio, hierro y fósforo.

De esta manera, todos los elementos que fueron tomados de la Tierra y de la atmósfera para crear un ser vivo, regresan a su punto de origen, donde quedan en disposición de ser reutilizados.

Los elementos que forman parte de los seres vivos no sólo son importantes constituyentes de nuestro planeta, lo son también de otros cuerpos celestes, encontrándose incluso en los espacios interestelares.

OPINIÓN PERSONAL:

En este capítulo pude comprender mejor como se fueron formando los elementos y como los científicos los fueron clasificando. También entendí la importancia del agua para la vida y por qué es el compuesto más abundante en la Tierra.

II. EL ÁTOMO DE CARBONO, LOS HIDROCARBUROS, OTRAS MOLÉCULAS ORGÁNICAS, SU POSIBLE EXISTENCIA EN LA TIERRA PRIMITIVA

Y EN OTROS CUERPOS CELESTES

La teoría de la gran explosión como origen del Universo concibe la formación del átomo de carbono (peso atómico = 12) en el interior de las estrellas mediante la colisión de tres átomos de helio (peso atómico = 4).

La generación del carbono y de los átomos más pesados se dio en el interior de las estrellas antes de la formación de nuestro Sistema Solar, cuyo nacimiento se remonta a algo así como 4 600 millones de años.

Cuando la tenue nube de polvo y gas fue comprimida por la onda de choque producida por la explosión de una supernova, se formó la nebulosa en cuyo centro la materia se concentró y calentó hasta producir nuestro Sol.

Rodeando al Sol, la materia fue siendo cada vez más fría y sus elementos constitutivos más ligeros. Con este material se formaron los planetas y sus lunas.

La diferente composición química del cuerpo de los planetas y de su atmósfera se debe en parte a que se formaron en regiones de la nebulosa con distintas temperaturas, por lo que los planetas interiores, Mercurio, Venus, Tierra y Marte, son rocosos, con gran proporción de metales, óxidos y silicatos. En cambio, los planetas exteriores contienen más gases. Así, los planetas interiores han perdido alrededor de 98% de su peso original por haber estado formados de material volátil como hidrógeno y helio, mientras que los planetas lejanos conservan enormes cantidades de hidrógeno y helio.

La Tierra, el tercer planeta del Sistema Solar, tuvo la fortuna de no ser tan caliente como Mercurio y Venus, ni tan frío como los planetas más alejados del Sol. Contiene agua en abundancia y carbono en cantidades también abundantes, además del resto de los elementos estables.

Los elementos del 93 al 109, llamados transuránicos, han sido preparados artificialmente por el hombre, mediante colisiones entre distintos átomos.

Cuando la colisión se efectúa entre átomos y neutrones se obtienen átomos con idéntico número atómico, pero diferente peso molecular, a los que se les llama isótopos. El primero de ellos fue preparado por Frédéric e Irene Joliot Curie en 1935.

Desde entonces, el hombre ha preparado más de 1 900 isótopos de diferentes elementos.

Cualquier elemento natural o sintético es identificado por el número de protones que lleva en su núcleo (número atómico Z). Cada elemento puede tener un número variable de isótopos. El hidrógeno, que posee un protón y un electrón, tiene además un isótopo estable, cuyo núcleo está formado por un protón y un neutrón. A este isótopo con peso atómico de dos se le llama deuterio.

Los diferentes isótopos (del griego, mismo lugar) de un elemento se llamarán, en general, de la misma manera y ocuparán el mismo lugar en la tabla periódica de los elementos, además de que tendrán idénticas propiedades químicas dado que su configuración electrónica permanece estable.

El carbono se encuentra en la corteza terrestre en una proporción de 0.03%, ya sea libre o formando parte de diversas moléculas. El carbono se encuentra también en los demás planetas de nuestro Sistema Solar, ya que todos fueron formados a partir de la misma nebulosa.

En la Tierra se le encuentra: libre en forma de diamante o de grafito; combinado, formando parte de diversas moléculas orgánicas como la celulosa de la madera, el algodón y el azúcar; formando parte de sustancias inorgánicas como el mármol, que químicamente es el carbonato de calcio (CaCO3), el bicarbonato de sodio o polvo de hornear (NaHCO3) y, en la atmósfera terrestre, como bióxido de carbono (C02), de donde las plantas lo toman y lo transforman, con la ayuda de la energía solar, en sustancias orgánicas que incorporan a su organismo. Estas sustancias serán posteriormente utilizadas por algunos de los seres del reino animal como alimento.

Éstos, a su vez, oxidarán la materia orgánica, liberando bióxido de carbono (CO2) para completar el ciclo de la vida.

EL CARBONO EN ESTADO LIBRE

El diamante es un cuerpo duro y transparente en el que cada átomo de carbono se encuentra unido a otros cuatro, localizados en los vértices de un tetraedro. El grafito es otra forma alotrópica del carbono.

En el diamante, cada átomo de carbono está rodeado por otros cuatro átomos acomodados en los vértices de un tetraedro. En el grafito, en cambio, los átomos de carbono están fuertemente unidos a tres átomos vecinos, formando capas de hexágonos. En este último caso las diferentes capas se encuentran unidas entre sí por fuerzas débiles, lo que hace que una capa pueda deslizarse sobre la otra, dándole al grafito la propiedad de lubricante.

PRIMEROS HIDROCARBUROS

La Tierra, al igual que los demás planetas, tuvo en su primera época una atmósfera rica en hidrógeno, por lo que el carbono reaccionó con él formando moléculas de hidrocarburos (carbono hidrogenado). Como el hidrógeno contiene un solo electrón de valencia, cada átomo de carbono se une a cuatro de hidrógeno formando el más sencillo de los hidrocarburos, el metano (CH4). El metano es una molécula estable en la que las capas electrónicas de valencia están saturadas, el primero formando un par como en el helio y el segundo un octeto como en el neón.

Debido a que el carbono tiene la propiedad de unirse entre sí formando cadenas lineales, ramificadas o cíclicas, sus compuestos forman una serie muy grande de sustancias con fórmulas precisas.

Los hidrocarburos lineales tendrán la fórmula CnH2n +2. Así, por ejemplo, el hidrocarburo lineal de 5 átomos de carbono o pentano CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3 será C5H (2 X 5) +2 o sea C5H12. Si el hidrocarburo es ramificado, como por ejemplo el isobutano, su fórmula es también CnH2n+2

No así en los hidrocarburos cíclicos como en el ciclopentano en que se pierden dos hidrógenos para poder usar la valencia vacante en la unión C—C que cierra el ciclo. Los hidrocarburos cíclicos se representan esquemáticamente por medio de polígonos.

Los cuatro primeros hidrocarburos lineales se llaman: metano (CH4), etano (C2H6), propano (C3H8) y butano (C4H10), y son gases inflamables. Los siguientes tres: el pentano (C5H12), el hexano (C6H14) y el heptano (C7H16) son líquidos inflamables con bajo punto de ebullición.

Los hidrocarburos con mayor número de átomos de carbono son líquidos de punto de ebullición cada vez más elevado hasta llegar a 14 átomos de C, que es el primer hidrocarburo sólido. Todos los hidrocarburos con más de 14 átomos de C serán sólidos a temperatura ambiente.

Las cuatro valencias del átomo de carbono pueden también ser satisfechas de manera diferente a las ya vistas: dos átomos de carbono pueden unirse entre sí, usando no sólo una valencia, sino dos y aun tres. En el primer caso tendremos las moléculas llamadas olefinas o alquenos

Estas moléculas son muy útiles en química orgánica, ya que al existir la tendencia de los átomos de carbono a quedar unidos entre sí por una sola valencia, quedan disponibles las valencias extras para unirse a un hidrógeno u otros átomos, dando hidrocarburos saturados, o hidrocarburos sustituidos.

Existe también la posibilidad de que dos átomos de carbono unan tres de sus cuatro valencias, formando así sustancias llamadas alquinos.

El acetileno se ha encontrado en meteoritos y muestras de la Luna, en donde se halla combinado con metales formando sustancias duras, llamadas carburos.

Los carburos metálicos se forman por interacción entre el átomo de carbono y un óxido metálico a elevadas temperaturas. Los metales alcalinos forman carburos que pueden representarse como M₂C₂ (M = metal) y los alcalino térreos forman carburos representados por MC₂. Ambos producen acetileno, CHCH, por reacción con agua. En cambio, los carburos de berilio o aluminio producen metano (CH₄) por hidrólisis.

COMPUESTOS OXIGENADOS DEL CARBONO

Conforme la atmósfera de la Tierra fue adquiriendo oxígeno, éste se fue consumiendo en la oxidación de los distintos elementos y moléculas que existían en ella. Al no haber suficiente oxígeno atmosférico, no había posibilidad de combustión; tanto el hidrógeno como los hidrocarburos podían calentarse a elevadas temperaturas sin producción de fuego.

Fueron necesarios muchos millones de años para que la cantidad de oxígeno atmosférico se elevara lo suficiente para poder sustentar la combustión. Ésta es una reacción de oxidación en la que el hidrógeno se combina con el oxígeno del aire produciendo su óxido, que es el agua. En esta reacción violenta se produce, además, luz y calor.

OPINIÓN PERSONAL:

Este capítulo se me hizo interesante porque habla de cómo el carbono se combinó con otros elementos para formar los hidrocarburos. También habla sobre la importancia del carbono en los seres vivos, así como en cuerpos celestes también; de las moléculas orgánicas y de otros temas que comprendí mejor.

III. RADIACIÓN SOLAR, APLICACIONES DE LA RADIACIÓN, CAPA PROTECTORA DE OZONO, FOTOSÍNTESIS, ATMÓSFERA OXIDANTE, CONDICIONES APROPIADAS PARA LA VIDA ANIMAL.

En el Sol se están generando constantemente grandes cantidades de energía mediante reacciones termonucleares. La energía radiante se propaga por el espacio viajando a razón de 300 000 km por segundo (velocidad de la luz, c). A esta velocidad, las radiaciones llegan a la Tierra ocho minutos después de ser generadas.

Las distintas radiaciones solares, de las cuales la luz visible es sólo una pequeña parte, viajan por el espacio en todas las direcciones, como los radios de un círculo, de donde proviene su nombre.

Debido a que las radiaciones viajan como ondas a la velocidad de la luz (c), tendrán como característica la longitud de onda (l), que es la distancia entre dos máximos.

El número de ondas que a una velocidad constante pasan por un determinado punto cada segundo se le llama frecuencia (v). Mientras menor sea la longitud de onda, más ondas pasarán cada segundo, siendo por lo tanto mayor la frecuencia, y cuando l es mayor, menos ondas pasarán y por tanto la frecuencia será menor, por lo que, a la velocidad de la luz (c), la frecuencia será inversamente proporcional a l.

Las radiaciones de mayor frecuencia tendrán también mayor energía, ya que la energía (E) es igual a la frecuencia y multiplicada por la constante de Plank (h), siendo h = 6.626x10-34 J.s. La energía será, por lo tanto, E = hv.

La pequeña porción del espectro electromagnético que percibe el ojo humano es llamada "luz visible" y está compuesta por radiaciones de poca energía, con longitudes de onda (l) que van de 400 a 800 nm (nm = nanómetro = 10-7 cm). La luz de menor longitud de onda (l = 400 nm) es de color violeta; le sigue la de color azul; después tenemos la luz verde, seguida de la luz amarilla y la anaranjada y, por último, a 800 nm, la luz roja con la que termina el espectro visible.

Antes del violeta, es decir a longitudes de onda menores de 400 nm, existen radiaciones de alta energía que el ojo humano no puede percibir, llamadas ultravioleta. Otras radiaciones de alta energía, y por lo tanto peligrosas para la vida, son los llamados rayos X y las radiaciones gamma. Por su parte, a longitudes de onda mayores que la de la luz roja (800 nm) existen radiaciones de baja energía, llamadas infrarrojo, microondas y ondas de radio.

El vapor de agua existente en la atmósfera primitiva de la Tierra estuvo expuesto a la radiación ultravioleta que durante millones de años llegó hasta la superficie terrestre sin dificultad. Las moléculas de agua eran descompuestas en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) por la alta energía del ultravioleta, el cual tiene una corta longitud de onda.

A pesar de que la producción de oxígeno era constante, la naturaleza reductora de la atmósfera se conservaba, ya que gran parte del oxígeno generado era consumido en la formación de óxidos con los elementos de la corteza terrestre y produciendo agua y nitrógeno al reaccionar con el amoniaco que abundaba en la atmósfera terrestre.

Por medio de este procedimiento la atmósfera se iba enriqueciendo en nitrógeno y oxígeno.

Parte del oxígeno que ingresaba en la atmósfera era activado por la radiación ultravioleta y transformado en su alótropo, una forma de oxígeno de alta energía llamado ozono (03). De esta manera se fue formando una capa protectora contra la radiación ultravioleta que se situó a una altura de alrededor de 30 km sobre la superficie terrestre. Esta capa de ozono protege a la Tierra de las radiaciones ultravioleta que, debido a su alta energía, son dañinas para la vida, ya que excitan a átomos y moléculas a tal grado, que puede hacer que un electrón abandone al átomo. La luz ultravioleta, al activar los átomos moleculares, puede dar origen a radicales libres. Si estos radicales forman parte de un ser vivo, pueden causarle trastornos graves como cáncer y aun conducirlo a la muerte.