50 cosas que hay que saber sobre quimica hayley birch.pdf

Abedul, Hayley
50 ideas de química que necesitas saber / Hayley Birch; traducción de Helena London. -- São Paulo : Planeta de Brasil, 2018.
216 págs.
Isbn: 978-85-422-1362-1
Título original: 50 Chemistry Ideas You Really Need to Know
1. Química - Trabajos populares 2. Curiosidades y maravillas I. Título II. Londres, Helena
18-0925 CDD: 540
Derechos de autor © Hayley Birch, 2015
Copyright © Editora Planeta do Brasil, 2018
Título original: 50 ideas sobre química que realmente necesitas saber
Preparación: Débora Dutra
Revisión técnica: Fernanda Paganini
Comentario: Maria Aiko Nishijima y Denise Schittine
Diagramación: Vivian Oliveira
Capa: Compañía
Imagen de cubierta: theasis/istock
Adaptación del libro electrónico: Hondana
CIP-BRASIL. CATALOGO EN
FUENTE
SINDICATO NACIONAL DOS
EDITORES DE LIBROS, RJ
2018
Todos los derechos de esta edición reservados a EDITORA
PLANETA DO BRASIL LTDA.
Rua Padre João Manuel, 100 - 21o andar Edifício Horsa II -
Cerqueira César 01411-000 - São Paulo - SP
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atendimento@editoraplaneta.com.br

Índice
Introducción
1. Átomos
2. Elementos
3. Isotopos
4. Compuestos
5. Juntándolo todo
6. Cambio de fase
7. Energía
8. Reacciones Químicas
9. Equilibrio
10. Termodinámica
11. Acido
12. Catalizadores
13. Redox
14. Fermentación
15. Craqueo
16. Síntesis química
17. El proceso de Haber
18. Quiralidad
19. Química verde
20. Separación
21. Espectros
22. Cristalografía
23. Electrolisis
24. Microfabricación
25. Autoensamblaje
26. El laboratorio en un chip
27. Química computacional
28. Carbono
29. Agua
30. El origen de la vida
31. Astroquímica
32. Proteínas
33. Acción enzimática
34. Azucares
35. ADN
36. Biosíntesis
37. Fotosíntesis
38. Mensajeros químicos
39. Gasolina
40. Plásticos
41. Los CFC
42. Materiales compuestos
43. Células solares
44. Fármacos
45. Nanotecnología
46. Grafeno
47. Impresión 3D
48. Músculos artificiales
49. Biología sistemática
50. Los combustibles del futuro
Tabla periódica

Introducción
La química a menudo se considera lo malo en la ciencia. El otro día, incluso,
estaba hablando con una química que me dijo que estaba cansada de que su
objeto de estudio fuera visto como "solo un puñado de personas que perdían el
tiempo con cosas malolientes en los laboratorios". Por alguna razón, se cree que
la química es menos relevante que la biología y menos interesante que la física.
Así que, como autor de un libro de química, mi desafío es ayudarte a superar
este problema de imagen y poner fin a la idea de esta pobre cosa. Porque –y no
mucha gente lo sabe– la química es en realidad la mejor ciencia.
La química está en el centro de casi todo. Sus componentes –átomos, moléculas,
compuestos y mezclas– constituyen cada gramo de materia de este planeta. Sus
reacciones son responsables de sostener la vida y crear todo de lo que depende
la vida. Sus productos marcan el progreso de nuestra existencia moderna, desde
la cerveza hasta los pantalones cortos de Lycra.
La razón por la que la química tiene un problema de imagen, creo, es que en
lugar de enfocarnos en cosas interesantes y relevantes, entramos en un
conjunto de reglas sobre cómo funciona la química, fórmulas de estructura
molecular, recetas de reacción, etc. Y si bien los químicos pueden argumentar
que estas reglas y recetas son importantes, la mayoría estará de acuerdo en que
no son especialmente emocionantes.
Así que en este libro no vamos a tratar demasiado con las reglas. Puedes
consultarlos en otro lugar si lo deseas. Traté de mantenerme enfocado en lo
que encuentro relevante e interesante con respecto a la química. Y en esa ruta
traté de canalizar el espíritu de mi profesor de química, el sr. Smailes, que me
mostró cómo hacer jabón y nylon,y que llevaba unas corbatas realmente
excelentes.

1 Átomos
Los átomos son los ladrillos de construcción de la química y de
nuestro universo. Constituyen los elementos, los planetas, las
estrellas y tú. El conocimiento de los átomos, de qué están
hechos y cómo interactúan entre sí, nos permite explicar
prácticamente todo lo que sucede en las reacciones químicas, en
el laboratorio y en la naturaleza.
Bill Bryson escribió famosamente que cada uno de nosotros puede estar
llevando hasta mil millones de átomos que una vez pertenecieron a William
Shakespeare. También podrías pensar: "¡Guau! Eso es un montón de átomos de
Shakespeare muertos". Bueno, lo es y no lo es. Por un lado, mil millones
(1.000.000.000) es más o menos el número de segundos que cada uno de
nosotros habrá vivido en nuestro 33 aniversario. Por otro lado, mil millones son
los granos totales de sal que llenarían una bañera ordinaria, y es menos de una
milmillonésima parte de una milmillonésima parte del número de átomos en
todo su cuerpo. Esto sirve para explicar cuán pequeño es un átomo – hay más de
mil millones de veces mil millones de veces mil millones de ellos solo en ti – y
sugiere que no tienes átomos de Shakespeare muertos en número suficiente
para incluso formar una célula cerebral.
Dulce como un melocotón Los átomos son tan pequeños que hasta hace poco
era imposible verlos. Esto cambió con el desarrollo de microscopios de súper
resolución, hasta el punto de que en 2012 los científicos australianos pudieron
tomar una fotografía de la sombra proyectada por un solo átomo. Pero no
siempre fue necesario que los químicos los vieran para entender que, en algún
nivel fundamental, los átomos podían explicar la mayor parte de lo que sucede
en el laboratorio y en la vida. Gran parte de la química comprende actividades
aún más pequeñas, partículas subatómicas llamadas electrones, que constituyen
las capas externas de los átomos.
Si pudieras sostener un átomo en la mano, como si fuera un melocotón, el bulto
en el medio sería lo que se llama un núcleo, que contiene protones y neutrones,
y la jugosa pulpa estaría formada por electrones. De hecho, si su melocotón
fuera realmente como un átomo, la mayor parte sería pulpa, y el bulto sería tan
pequeño que podría tragarlo sin darse cuenta, eso representa cuánto del átomo
está ocupado por electrones. Pero es ese núcleo el que evita que el átomo se
acueste. Contiene protones, partículas cargadas positivamente, que ejercen
suficiente atracción sobre los electrones cargados negativamente para que no
vuelen en todas las direcciones.

Teoría atómica y reacciones químicas
En 1803, el químico inglés John Dalton dio una conferencia en la que propuso una teoría de la materia basada en
partículas indestructibles llamadas átomos. Dijo, en esencia, que diferentes elementos están hechos de diferentes
átomos, que pueden combinarse para formar compuestos, y que las reacciones químicas implican un reordenamiento de
esos átomos.
¿Por qué un átomo de oxígeno es un átomo de oxígeno? No todos los átomos
son iguales. Es posible que ya te hayas dado cuenta de que un átomo no
comparte tantas similitudes con un melocotón, pero llevemos la analogía con los
frutos un poco más allá. Átomos presentes en muchas variedades o sabores
diferentes. Si nuestro melocotón fuera un átomo de oxígeno, entonces una
ciruela podría ser, digamos, un átomo de carbono. Ambas son bolas de
electrones que rodean un pozo de protones, pero con características
completamente diferentes. Los átomos de oxígeno flotan en pares (O2),
mientras que los átomos de carbono se agrupan en una masa para formar
sustancias duras como el diamante y el grafito (C). Lo que los hace diferentes
elementos (ver página 10) es su número de protones. El oxígeno, con ocho
protones, tiene dos más que el carbono. Elementos realmente grandes y
pesados, como el seabórgio y el nobelio, tienen más de cien protones en su
núcleo atómico. Cuando hay tantas cargas positivas comprimidas en el espacio
casi inexistente, tan pequeño, desde el núcleo, cada uno repeliendo al otro, el
equilibrio se altera fácilmente y los elementos pesados, como resultado, se
vuelven insuprecibles.
En general, un átomo, cualquiera que sea su sabor, tendrá el mismo número de
electrones que los protones en su núcleo. Si falta un electrón, o si el átomo
captura uno más, las cargas positivas y negativas ya no se equilibran y el átomo
se convierte en lo que los químicos llaman un "ion", un átomo o molécula
cargado. Los iones son importantes porque sus cargas ayudan a unir todo tipo
de sustancias, como cloruro de sodio, sal de cocina, y carbonato de calcio, piedra
caliza.

División del átomo
El modelo primitivo de "pudín de pasas" de J. J. Thomson fue visto como un "pudín" masivo y homogéneo cargado
positivamente, con "pasas" (electrones) cargados negativamente distribuidos de manera uniforme. Este modelo ha
cambiado: ahora sabemos que los protones y otras partículas subatómicas, llamadas neutrones, forman el centro del átomo
diminuto y denso, y que los electrones forman una nube a su alrededor. También sabemos que los protones y neutrones
contienen partículas aún más pequeñas, llamadas quarks. Los químicos en general no se ocupan de estas partículas más
pequeñas, son de interés para los físicos, que rompen átomos en aceleradores de partículas para encontrarlos. Pero es
importante recordar que el modelo de átomos de la ciencia –y cómo encaja la materia en nuestro Universo– todavía está
evolucionando. El descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, por ejemplo, confirmó la existencia de una partícula que los
físicos ya habían incluido en su modelo y utilizado para hacer predicciones sobre otras partículas; sin embargo, todavía hay
trabajo por hacer para determinar si es el mismo tipo de bosón de Higgs que están buscando.
Los ladrillos de la vida Además de ser ingredientes de la despensa, los átomos
forman todo lo que se arrastra o respira o echa raíces, construyendo moléculas
inquietantemente complejas como el ADN y las proteínas que forman nuestros
músculos, huesos y cabello. Lo hacen uniendo (ver página 22) con otros átomos.
Lo interesante de toda la vida en la Tierra, sin embargo, es que, a pesar de su
tremenda diversidad, tiene, sin excepción, un sabor específico de átomo: el
carbono.
Desde las bacterias que se aferran a la vida alrededor de las fisuras en las partes
más profundas y oscuras del océano hasta las aves que vuelan alto en el cielo, no
hay un solo ser vivo en el planeta que no comparta ese elemento común, el
carbono. Pero como aún no hemos descubierto la vida en ningún otro lugar, no
podemos decir si fue a través de un evento aleatorio que la vida se desarrolló de

esa manera, o si la vida podría prosperar usando otros tipos de átomos. Los
fanáticos de la ciencia ficción estarán bien familiarizados con la biología
alternativa: los seres basados en silicio han aparecido en Star treck y Star Wars
como formas de vida alienígenas.
"La belleza de un ser vivo no son los átomos de los
que está hecho, sino la forma en que estos átomos
están unidos. "
Carl Sagan
Átomo por átomo El progreso en el área de la nanotecnología (véase la página
182), que promete todo, desde paneles solares más eficientes hasta fármacos
que buscan y destruyen células cancerosas, ha traído consigo el mundo átomo a
un enfoque más distinto. Los instrumentos de nanotecnología operan en una
escala de una milmillonésima parte de un metro, incluso más grande que un
átomo, pero a esta escala se puede pensar en manipular átomos y moléculas
individualmente. En 2013, los investigadores de IBM realizaron la animación
fotograma a fotograma más pequeña del mundo, con un niño jugando con una
pelota. Tanto el niño como la bola estaban hechos de átomos de cobre, todos
visibles individualmente en la película. Finalmente, la ciencia está empezando a
trabajar en una escala que coincide con la visión del químico de nuestro mundo.
La idea en
síntesis:
Piezas
fundamentales

2 Elementos
Los químicos van a los extremos para descubrir nuevos
elementos, los productos químicos más básicos. La Tabla
Periódica nos permite organizar estos hallazgos, pero no es
solo un catálogo. Hay patrones en la Tabla Periódica que
proporcionan pistas sobre la naturaleza de cada elemento y
cómo pueden comportarse cuando se encuentran con otros
elementos.
El alquimista del siglo 17 Hennig Brand golpeó un golpe en el pecho. Después de
casarse, renunció a su trabajo como oficial del ejército y usó el dinero de su
esposa para financiar la investigación de la Piedra Filosofal, una sustancia
mística o mineral que los alquimistas habían estado buscando durante siglos.
Según la leyenda, la Piedra tenía el poder de "transmutar" metales comunes,
como el hierro y el plomo, en oro. Después de que su primera esposa muriera,
Brand encontró otra esposa y continuó su investigación más o menos de la
misma manera. Al parecer, había pasado por su mente que la Piedra Filosofal
podía ser sintetizada a partir de fluidos corporales, y Brand, para extraerla,
luego adquirió nada menos que 1,500 galones de orina humana. Finalmente, en
1669, hizo un descubrimiento inquietante, pero no era la Piedra. A través de sus
experiencias, que implicaban hervir y separar la orina, Brand se había
convertido involuntariamente en la primera persona en descubrir un elemento
utilizando medios químicos.
Brand había producido un compuesto que contenía fósforo, al que se refirió
como "fuego frío", porque brillaba en la oscuridad. Pero fue sólo en la década de
1770 que el fósforo fue reconocido como un nuevo elemento. En ese momento,
los elementos estaban siendo descubiertos en las montañas, con los productos
químicos aislando el oxígeno, el nitrógeno, el cloro y el manganeso, todo dentro
de una década.
En 1869, dos siglos después del descubrimiento de Brand, el químico ruso
Dmitri Mendeleev creó la Tabla Periódica, y el fósforo tomó el lugar que le
corresponde, entre el silicio y el azufre.
¿Qué es un elemento? Durante mucho tiempo, el fuego, el aire, el agua y la
tierra fueron considerados "los elementos". Un misterioso quinto elemento, el
éter, fue añadido para explicar las estrellas, ya que no podían, como sostenía el
filósofo Aristóteles, estar hechas de ningún elemento terrenal. La palabra

Decodificación de la tabla periódica
En la Tabla Periódica (ver páginas 206-7), los elementos están representados por letras. Algunas son abreviaturas
obvias, como Si para silicio, mientras que otras, como W para tungsteno, parecen no tener significado: casos como este
son a menudo una referencia a nombres arcaicos. El número por encima de la letra es el número de masa – el número
de nucleones (protones y neutrones) en el núcleo de un elemento. El número suscrito es su número de protones
(número atómico).
"elemento” proviene del latín (elementum), que significa "primer principio" o
"la forma más básica"
– una descripción no está mal, pero que nos deja pensando en la diferencia entre
elementos y átomos.
La diferencia es simple. Los elementos son sustancias, en cualquier cantidad; los
átomos son unidades fundamentales. Una pieza sólida del fósforo de Brand –
por cierto, una materia química tóxica y un componente de gas neurológico – es
una colección de átomos de un elemento en particular. Sin embargo,
curiosamente, no todas las piezas de fósforo son iguales, porque sus átomos se
pueden organizar de diferentes maneras, cambiando la estructura interna y
también la apariencia externa. Dependiendo de cómo los átomos estén
dispuestos en fósforo, este puede ser blanco, negro, rojo o violeta. Estas
variedades también se comportan de manera diferente, por ejemplo,
fusionándose a temperaturas completamente diferentes. El fósforo blanco se
funde al sol en un día muy caluroso, mientras que el fósforo negro tendría que
calentarse en un horno por encima de 600 °C para fundirse. Sin embargo, los dos
están hechos de los mismos átomos con 15 protones y 15 electrones.
Patrones en la Tabla Periódica Para el observador no entrenado, la Tabla
Periódica (ver páginas 206-7) parece un juego de Tetris un poco ortodoxo, en el
que - dependiendo de la versión que estés viendo - algunos bloques no han
caído bien al fondo. Parece que necesita un buen almacenamiento. De hecho, es
un lío bien organizado, y cualquier químico puede encontrar rápidamente lo
que está mirando en medio de un aparente desorden. Esto se debe a que el
perspicaz diseño de Mendeleev contiene patrones ocultos que unen los
elementos de acuerdo con sus estructuras atómicas y su comportamiento
químico.
A lo largo de las filas de la tabla, de izquierda a derecha, los elementos están
dispuestos en orden de números atómicos, el número de protones que cada
elemento tiene en su núcleo. Pero el genio de la invención de Mendeleev fue
darse cuenta cuando las propiedades de los elementos comienzan a repetirse, y
luego aparece una nueva fila. Es a través de las columnas, por lo tanto, que se
entienden algunas percepciones más sutiles. Mira la columna en el extremo
derecho, que va del helio al oganessonio. Se trata de gases nobles, todos ellos
gases incoloros en condiciones normales y particularmente perezosas a la hora
de participar en cualquier tipo de reacción química. El neonio, por ejemplo, es

tan inerte que no se puede persuadir para entrar en un compuesto con
cualquier otro elemento. Las razones de esto están relacionadas con los
electrones. Dentro de cualquier átomo, los electrones están dispuestos en capas
concéntricas, que sólo pueden ser ocupadas por un cierto número de electrones.
Una vez que una capa está completa, los electrones adicionales tienen que
comenzar a llenar otra capa más externa. A medida que el número de electrones
en cualquier elemento dado aumenta con el número atómico en aumento, cada
elemento tiene una configuración electrónica diferente. La característica
principal de los gases nobles es que todas sus capas externas están completas.
Esta estructura completa es muy estable, lo que significa que los electrones son
difíciles de ser incitados a la acción.
"El mundo de las reacciones químicas se hace un
escenario... los actores son los elementos. "
Clemens Alexander Winkler, descubridor del elemento germanio
Podemos reconocer muchos otros patrones en la Tabla Periódica. A medida que
se va de izquierda a derecha, en la dirección de los gases nobles, y de abajo
hacia arriba, se necesita más esfuerzo (energía) para extraer un electrón de un
átomo de cada elemento.
El centro de la mesa está ocupado principalmente por metales, que se vuelven
más metálicos a medida que te acercas a la esquina más a la izquierda. Los
químicos utilizan su conocimiento de estos patrones para predecir cómo se
comportarán los elementos en las reacciones.
Superpesados Una de las pocas cosas en común entre la química y el boxeo es
que ambos tienen sus superpesados. Mientras que los pesos mosca flotan en la
parte superior de la Tabla Periódica – los átomos de hidrógeno y helio que
transportan sólo tres protones entre ellos – los de los rangos inferiores se
hundieron debido a sus pesadas cargas atómicas. La mesa ha crecido a lo largo
de muchos años incorporando nuevos descubrimientos de elementos más
pesados. Pero el número 92, el elemento radiactivo uranio, fue en realidad el
último que se encontró en la naturaleza. Aunque la descomposición natural del
uranio genera plutonio, las cantidades son ínfimos. El plutonio fue descubierto
en un reactor nuclear, y otras superpesadas son generados por la colisión de
átomos en aceleradores de partículas. La caza aún no ha terminado, pero sin
duda se ha vuelto mucho más complicada que los fluidos corporales hirviendo.

A la caza del más pesado de los superpesados
A nadie le gustan los tramposos, pero se encuentran en todas las profesiones, y la ciencia no es una excepción. En
1999, científicos del laboratorio Lawrence Berkely de California publicaron un artículo científico conmemorativo del
descubrimiento de los elementos superpesados 116 (livermorio) y 118 (ununoctio) [actualmente, este elemento se
llama oganessonium]. Pero algo no tenía sentido. Después de leer el artículo, otros científicos trataron de repetir el
experimento y, sin importar lo que hicieran, no pudieron alcanzar un solo átomo de 116. Ocurrió que uno de los
"descubridores" había inventado los datos, lo que llevó a una agencia del gobierno de Estados Unidos a hacer una
retracción embarazosa sobre las declaraciones sobre la ciencia de alto nivel que estaba financiando. El artículo fue
recogido y los laureles por el descubrimiento de livermorio fueron a parar a un grupo ruso un año después. Los
científicos que falsificaron los datos originales fueron despedidos. Hoy en día, el prestigio asociado con el
descubrimiento de un nuevo elemento es tal que los científicos están dispuestos a poner toda su carrera en juego.
La idea en síntesis:
Las sustancias más simples

3 Isótopos
Los isótopos no son sólo sustancias mortales utilizadas para
fabricar bombas y envenenar a las personas. El concepto de
isótopo abarca muchos elementos químicos que tienen una
cuota ligeramente alterada de partículas subatómicas. Los
isótopos están presentes en el aire que respiramos y en el
agua que bebemos. Incluso puedes usarlos (con total
seguridad) para hacer que el hielo se hunda.
Flotadores de hielo. Excepto cuando no flota. Así como los átomos de un solo
elemento son iguales, excepto cuando son diferentes. Si tomamos el elemento
más simple, el hidrógeno, podemos estar de acuerdo en que todos los átomos de
ese elemento tienen un protón y un electrón. No se puede llamar a un átomo de
hidrógeno átomo de hidrógeno a menos que solo tenga un protón en el núcleo.
Pero, ¿qué pasa si el único protón va acompañado de un neutrón? ¿Seguiría
siendo hidrógeno?
Los neutrones fueron la pieza faltante del rompecabezas que escapó de los
productos químicos y físicos hasta la década de 1930 (ver "Los neutrones que
faltan", a continuación). Estas partículas neutras no hacen ninguna diferencia en
el equilibrio general de la carga de un átomo, sino que alteran radicalmente su
masa. La diferencia entre uno y dos neutrones en el núcleo de un átomo de
hidrógeno es suficiente para hacer que el hielo se hunda.
Agua pesada La introducción de un neutrón extra en un átomo de hidrógeno
hace una gran diferencia en estos átomos de peso mosca, es el doble de su parte
de nucleones. El "hidrógeno pesado" resultante se llama deuterio (D o 2H) y, al
igual que los átomos de hidrógeno normales, los átomos de deuterio se aferran
al oxígeno para formar agua. Por supuesto que no forman agua normal (H2O).
Forman agua con demasiados neutrones: "agua pesada" (D2O), o, para dar el
nombre apropiado, óxido de deuterio. Tome agua pesada, fácil de comprar en
línea, y congelarla en forma de hielo. ¡Tira un cubo en un vaso de agua corriente
y, míralo, se hunde! A modo de comparación, puede agregar un cubo de hielo
común y maravillarse con la diferencia que hace una partícula subatómica por
átomo.

Los neutrones perdidos
El descubrimiento de neutrones por el físico James Chadwick – quien continuó trabajando en la
bomba atómica – resolvió un problema problemático con el peso de los elementos. Durante
años, se había hecho evidente que los átomos de cada elemento eran más pesados de lo que
deberían haber sido. Desde el punto de vista de Chadwick, los núcleos atómicos de ninguna
manera podían pesar tanto como pesaban si sólo tuvieran protones. Era como si los elementos
se hubieran ido de vacaciones de verano con el equipaje lleno de ladrillos. Sólo que nadie podía
encontrar los ladrillos. Chadwick había sido convencido por su supervisor, Ernest Rutherford,
de que los átomos estaban contrabandeando partículas subatómicas. Rutherford describió
estos duplicados neutros, o neutrones, en 1920. Pero no fue hasta 1932 que Chadwick encontró
evidencia concreta para apoyar la teoría. Descubrió que al bombardear el berilio metálico de
plata con radiación de polonio, era capaz de emitir partículas subatómicas con carga neutra:
neutrones.
En la naturaleza, aproximadamente uno de cada 6.400 átomos de hidrógeno
tiene un neutrón más. Hay, sin embargo, un tercer tipo – o isótopo – de
hidrógeno, y esto es mucho más raro y algo menos seguro de manejar en casa. El
tritio es un isótopo del hidrógeno en el que cada átomo contiene un protón y
dos neutrones. Sin embargo, el tritio es inestable y, al igual que otros elementos
radiactivos, sufre desintegración radiactiva. Se utiliza en el mecanismo que
detona las bombas de hidrógeno.
Radiactividad A menudo la palabra "isótopo" va precedida de la palabra
"radiactivo", por lo que puede haber una tendencia a suponer que todos los
isótopos son radiactivos. No, no lo son. Como acabamos de ver, es muy posible
tener un isótopo de hidrógeno que no sea radiactivo, en otras palabras, un
isótopo estable. Del mismo modo, hay isótopos estables de carbono, oxígeno y
otros elementos en la naturaleza.
Los isótopos radiactivos se deforman, lo que significa que sus átomos se
desintegran, liberando materia del núcleo en forma de protones, neutrones y
electrones (ver "Tipos de radiación", más abajo). El resultado es que el número
atómico de estos elementos cambia y pueden convertirse en elementos

Tipos de radiación
La radiación alfa, que consiste en dos protones y dos neutrones, es equivalente a un núcleo atómico de helio. Es débil y
puede ser bloqueado por una hoja de papel. La radiación beta consiste en electrones rápidos y penetra en la piel. La
radiación gamma es energía electromagnética, como la luz, y sólo puede ser bloqueada por una placa de plomo. Los
efectos de la radiación gamma son muy dañinos; Los rayos gamma de alta energía se utilizan para destruir los tumores
cancerosos.
completamente diferentes. Esto podría haber parecido mágico a los alquimistas
de los siglos 16 y 17, que estaban obsesionados con encontrar maneras de
transformar un elemento en otro (el otro es preferiblemente oro).
Los elementos radiactivos desfallecer a diferentes velocidades. El carbono-14 –
una forma de carbono con 14 nucleones en su núcleo (6 protones y 8
neutrones), en lugar de los 12 reguladores (6 protones y 6 neutrones) – se
puede utilizar con seguridad sin precauciones especiales. Si tienes que medir un
gramo de carbono-14 y dejarlo en el alféizar de una ventana, tendrás que
esperar mucho tiempo para que tus átomos se deterioren. Tomaría 5.700 años
para que la mitad de los átomos de carbono en su muestra se desintegraran.
Esta medida de tiempo, o velocidad de decaimiento, se denomina tiempo de
vida media. En contraste, el polonio-214 tiene una vida media de menos de un
milisegundo, lo que significa que en algún mundo paralelo loco donde se podía
medir un gramo de polonio radiactivo, ni siquiera tendría la oportunidad de
llevarlo al alféizar de la ventana antes de que todo hubiera caído
peligrosamente.
El ex espía ruso Alexander Litvinenko y posiblemente el líder palestino Yasser
Arafat fueron asesinados con un isótopo de polonio más estable, que decae con
días en lugar de segundos, aunque fatalmente. En el cuerpo humano, la
radiación liberada por la desintegración del núcleo de polonio-210 desgarra las
células y causa dolor, náuseas y fallos del sistema inmunológico en el proceso.
En las investigaciones de estos casos, los científicos buscaron productos de
decaimiento del polonio, porque el polonio-210 en sí ya no estaba presente.
Volver al futuro Los isótopos radiactivos pueden ser mortales, pero también
pueden ayudarte a entender nuestro pasado. El carbono-14 que dejamos decaer
lentamente en el alféizar de nuestra ventana tiene algunos usos científicos bien
conocidos: uno de ellos es la datación de fósiles por el isótopo de carbono, el
otro es aprender sobre climas pasados. Debido a que tenemos una buena idea
de cuánto tiempo tardan los isótopos radiactivos en decaer, los científicos
pueden calcular la edad de los artefactos, animales muertos o atmósferas
antiguas preservadas en el hielo mediante el análisis de los niveles de diferentes
isótopos. Por supuesto, cualquier animal inhalará pequeñas cantidades de
carbono-14 –en dióxido de carbono– durante la vida. Esto cesa tan pronto como
el animal muere, y el carbono-14 en su interior comienza a decaer. Como los
científicos saben que el carbono-14 tiene una vida media de 5.700 años, pueden
calcular cuándo murieron los animales fosilizados.

Rara vez un solo descubrimiento en química ha
tenido tal impacto en el pensamiento en tantos
campos de la empresa humana. "
El profesor A. Westgren, presentando el Premio Nobel de Química
por el carbono-14 que data de Willard Libby
Cuando se toman muestras de hielo de casquetes de hielo o glaciares que han
estado congelados durante miles de años, ya proporcionan una línea de tiempo
de los cambios atmosféricos, basada en los isótopos que contienen. Esta
comprensión del pasado de nuestro planeta puede ayudarnos a predecir lo que
sucederá con la Tierra en el futuro, ya que los niveles de dióxido de carbono
continúan variando.
La diferencia que hace un neutrón

4 Compuestos
En química, hay sustancias que contienen un solo elemento y
hay aquellas que contienen más de uno: los compuestos. Y es
cuando se reúnen los elementos que la extraordinaria
diversidad de la química se hace evidente. Es difícil estimar
cuántos compuestos químicos hay y, con nuevos compuestos que
se sintetizan cada año, sus usos se multiplican.
En la ciencia, de vez en cuando alguien hace un descubrimiento que contradice
lo que todo el mundo creía que era una ley fundamental. Durante un tiempo, la
gente se rasca la cabeza y se pregunta si hubo algún error o si los datos fueron
falsificados. Por lo tanto, cuando la evidencia finalmente se vuelve irrefutable,
los compendios tienen que ser reescritos y se abre una dirección
completamente nueva para la investigación científica. Eso es lo que sucedió
cuando Neil Bartlett descubrió un nuevo compuesto en 1962.
Trabajando tarde un viernes, Bartlett estaba solo en su laboratorio cuando hizo
el descubrimiento. Dejó que dos gases – xenón y hexafluoruro de platino – se
mezclaron y producen un sólido amarillo. He aquí que Bartlett había creado un
compuesto de xenón. No es sorprendente, se puede encontrar, pero en ese
momento, la mayoría de la comunidad científica creía que el xenón, al igual que
otros gases nobles (ver página 12), era completamente inerte e incapaz de
formar compuestos. La nueva sustancia fue nombrada hexafluoroplatita, y el
trabajo de Bartlett pronto convenció a otros científicos para comenzar la
búsqueda de nuevos compuestos de gases nobles. Durante las décadas
siguientes se encontraron al menos otros cien compuestos. Desde entonces, los
compuestos formados por elementos nobles se han utilizado para hacer agentes
antitumorales y en cirugía ocular con láser.
Asociar el compuesto de Bartlett puede haber sido un cambio para los libros,
pero su historia no es solo un gran ejemplo de descubrimiento científico que
anula alguna "verdad" ampliamente considerada. También es un recordatorio
del hecho de que los elementos (especialmente los inertes) no son tan útiles por
sí solos. Por supuesto, hay aplicaciones para ellos – luces de neón, anestesia con
nanotubos de carbono y xenón, sólo para nombrar unos pocos – pero es sólo
probar nuevas combinaciones de elementos, y a veces muy complicado, que los
químicos pueden producir remedios que salvan vidas y materiales de
vanguardia.

¿Compuestos o moléculas?
Todas las moléculas contienen más de un átomo. Estos átomos pueden ser átomos del mismo elemento, como en O2,
los átomos de diferentes elementos, como en CO2. Pero entre O2 y CO2, sólo el CO2 es un compuesto, porque contiene
átomos de diferentes elementos químicamente unidos. Por lo tanto, no todas las moléculas están compuestas. Pero,
¿son todos los compuestos moléculas? Lo que confunde aún más las cosas son los iones (ver "Iones", página 21). En
realidad, los compuestos cuyos átomos forman iones cargados no forman moléculas en el sentido tradicional. En sal,
por ejemplo, una gran cantidad de iones de sodio (Na+) están conectados a una gran cantidad de iones de cloro (Cl–)
en una gran estructura cristalina bien dispuesta y que se repite indefinidamente. Así que realmente no hay
"moléculas" independientes de cloruro de sodio en el sentido más estricto. Aquí la fórmula química, NaCl, muestra la
proporción de iones de sodio a los iones de cloro, en lugar de referirse a una molécula aislada. Por otro lado, los
químicos hablan alegre y libremente de "moléculas de cloruro de sodio" (NaCl).

Es necesario asociar un elemento con otro, y quizás otro, y otro, para crear los
compuestos útiles que forman la base de prácticamente todos los productos
modernos, desde combustibles, telas y fertilizantes hasta pigmentos,
medicamentos y detergentes. Casi no habrá nada en su hogar que no esté hecho
de compuestos, a menos que, como el grafito de carbono del lápiz, esté hecho de
un solo elemento. Incluso las cosas que han crecido o se han formado por sí
mismas, como la madera y el agua, están compuestas. De hecho, probablemente
sean aún más complicados.
Compuestos y mezclas, Sin embargo, es necesario hacer algunas
diferenciaciones importantes cuando se habla de compuestos. Los compuestos
son sustancias químicas que contienen dos o más elementos. Pero simplemente
pegar dos, o diez, elementos presentes en el mismo entorno no los hace un
compuesto. Los átomos de estos elementos tienen que estar asociados – tienen
que formar enlaces químicos (ver página 23). Sin enlace químico, lo que vas a
obtener es una especie de grupo mixto en una fiesta, que involucra átomos de
diferentes elementos, lo que los químicos llaman una mezcla. Los átomos de
algunos elementos también se asocian con otros del mismo tipo, como el
oxígeno en el aire, que existe principalmente como O2, un dupleto [compuesto
por dos elementos, binarios]. Los dos átomos de oxígeno forman una molécula
de oxígeno. Pero esta molécula de oxígeno no es un compuesto, porque contiene
sólo un tipo de elemento.
"Traté de encontrar a alguien con quien compartir
el emocionante descubrimiento, pero parecía que
todos habían ido a cenar. "
Neil Bartlett
Los compuestos, entonces, son sustancias que contienen más de un tipo de
elemento químico. El agua es un compuesto porque contiene dos elementos
químicos: hidrógeno y oxígeno. También es una molécula porque contiene más
de un átomo. La mayoría de los materiales modernos y productos comerciales
también son compuestos hechos de moléculas. Pero no todas las moléculas
están compuestas, y es discutible si todos los compuestos son moléculas (ver
"¿Compuestos o moléculas?", página 19).
Polímeros Algunos compuestos están compuestos dentro de compuestos –
están hechos de unidades básicas repetidas varias veces, produciendo un efecto
de cuentas en un collar. Estos compuestos se llaman polímeros. Puedes
reconocer algunos de estos polímeros por su nombre: polietileno de tus bolsas
de la compra, cloruro de polivinilo (PVC) de discos de vinilo y poliestireno de
envases ya lo dicen todo. Menos evidente, el nylon y el mar, el ADN en las células
y las proteínas en los músculos también son polímeros. La unidad que se repite
en todos los polímeros, naturales o artificiales, se llama monómero. Ponga los
monómeros juntos y obtendrá un polímero. En el caso del nylon, hay una
demostración impresionante hecha en los precipitados en laboratorios de

Iones
Cuando un átomo gana o pierde un electrón cargado negativamente, este cambio en el equilibrio de la carga hace
que el átomo en su conjunto se cargue. Este átomo cargado se llama ion. Lo mismo puede suceder con moléculas,
que forman iones "poliatómicos" – un ion nitrato (NO3 ) o un ion silicato (SiO4), por ejemplo. La conexión
Los iones iónicos de cargas opuestas son una forma importante de unir sustancias.
– 4–
química en todas partes - usted puede literalmente tirar de una extensión de la
"cuerda" del nylon la vasija de precipitados y envolverlo derecho en un
carrete, como un pedazo de hilo.
Biopolímeros Los biopolímeros, como el ADN (ver página 142), son tan
complejos que tomó millones de años de evolución para que la naturaleza
perfeccionara el arte de formarlos. Los monómeros, o "compuestos dentro del
compuesto", son ácidos nucleicos, productos químicos muy complejos por sí
mismos. Unidos, forman las largas filas de polímeros que componen nuestro
código de ADN. Para unirse a los monómeros de ADN, la naturaleza utiliza
una enzima especial para agregar el grano individual a la pasta. Es increíble
pensar que la evolución ha encontrado una manera de fabricar compuestos de
tal complejidad dentro de nuestro propio cuerpo.
¿Exactamente cuántos compuestos hay? La respuesta honesta es que no lo
sabemos. En 2005, científicos suizos trataron de estimar cuántos compuestos
que contienen sólo carbono, nitrógeno, oxígeno o fluoruro serían realmente
estables. Calcularon cerca de 14 mil millones, pero esto incluyendo sólo
compuestos con hasta 11 átomos. El "universo químico" –como lo llamaron– es
verdaderamente vasto.
Combinaciones químicas

4 Juntandolo todo
¿Cómo se aglomera la sal? ¿Por qué el agua hierve a 100
grados centígrados? Y lo más importante, ¿por qué una pieza
de metal se parece a una comunidad hippie? Todas estas
preguntas, y más, se responden prestando atención a los
diminutos electrones cargados negativamente que se mueven
entre los átomos y a su alrededor.
Clúster de átomos. ¿Qué pasaría si no lo hiciera? Bueno, para empezar, el
universo sería un desastre total. Sin las conexiones y fuerzas que mantienen
unidos los materiales, nada existiría de la manera en que lo conocemos. Todos
los átomos que componen tu cuerpo, palomas, moscas, televisores, copos de
maíz, el Sol y la Tierra estarían flotando en un vasto mar de átomos casi
infinitos. Entonces, ¿cómo se adhieren los átomos entre sí?
Pensamiento negativo De una manera u otra, los átomos, dentro de sus
moléculas y compuestos, están unidos por sus electrones, las diminutas
partículas subatómicas que forman una nube de lesado negativo alrededor del
núcleo cargado positivamente del átomo. Se ordenan en capas, o conchas,
alrededor del núcleo atómico y, teniendo cada elemento un número diferente de
electrones, cada elemento tiene un número diferente de electrones en su capa
más externa. Sin embargo, el hecho de que un átomo de sodio tenga una nube de
electrones que se ve ligeramente diferente de la nube de electrones de un átomo
de cloro produce un efecto interesante. De hecho, es la razón por la que pueden
conectarse entre sí. El sodio pierde fácilmente el electrón en su capa externa. La
pérdida de carga negativa la hace positiva (Na+). Mientras tanto, el cloro gana
fácilmente un electrón cargado negativamente para llenar su capa externa,
convirtiéndose, en general, en carga negativa (Cl–). Los opuestos se atraen entre
sí y listo, tienes un enlace químico. Y un poco de sal - cloruro de sodio (NaCl).
Situaciones de vida Hay tres tipos principales de enlaces químicos.
Comencemos con el enlace covalente, en el que cada molécula dentro de un
compuesto es una familia de átomos que comparten algunos electrones (ver
"Enlaces simples, dobles y triples", arriba). Estos electrones sólo se comparten
entre los miembros de la misma molécula. Piense en ello como una situación de
vida: cada molécula, o familia, vive en una hermosa casa unifamiliar, cuidando
de sus cosas y permaneciendo en ella. Así es como viven moléculas como el
dióxido de carbono, el agua y el amoníaco (el compuesto apestoso utilizado en
los fertilizantes).

Conexiones simples, dobles y triples
Para simplificar, cada enlace covalente es un par compartido de electrones. El número de electrones que un átomo
tiene que compartir es generalmente el mismo que el número en su capa externa. Así, por ejemplo, debido a que el
dióxido de carbono tiene cuatro electrones para compartir, puede formar hasta cuatro pares compartidos, o cuatro
enlaces. Esta idea de que el carbono forma cuatro enlaces es importante en la estructura de casi todos los
compuestos orgánicos (que contienen carbono), en los que los esqueletos de carbono están decorados con otros tipos
de átomos: en moléculas orgánicas de cadena larga, por ejemplo, los átomos de carbono comparten sus electrones
entre sí y también a menudo con átomos de hidrógeno. Pero a veces los átomos comparten más de un par con otro
átomo. Así que puedes tener un doble enlace carbono-carbono o un doble enlace carbono-oxígeno. Incluso se pueden
tener enlaces triples, en los que los átomos comparten tres pares de electrones, aunque no todos los átomos tienen
tres electrones para compartir. El hidrógeno, por ejemplo, sólo tiene uno.
CH4 (metano) – configuración electrónica (izquierda) y modelo estructural (derecha)

"Acabo de regresar de unas vacaciones cortar para
los cuales los únicos libros que tengo tomé media
docena de historias de detectives y su La naturaleza
de enlace químico. Encontré el tuyo el más
emocionante de todos. "
Gilbert Lewis, químico americano, escribiendo en Linus Pauling
(1939)
Los enlaces iónicos, a su vez, funcionan por el modelo de unión de "atracción de
opuestos", como el cloruro de sodio en el ejemplo anterior, de sal. Este tipo de
conexión es más como vivir en un edificio de apartamentos, donde cada
ocupante tiene vecinos en ambos lados, así como arriba y abajo. No hay casas
separadas, es solo un gran bloque vertical de apartamentos. Los ocupantes en
su mayoría cuidan de sus propias cosas, pero los vecinos cercanos donan y
reciben electrones unos de otros. Esto es lo que los une: en compuestos con
enlaces iónicos, los átomos se unen porque existen como iones de cargas
opuestas (ver "Iones", página 21).
Y luego está la conexión de metal. La unión en los metales es un poco más
extraña. Funciona con los mismos principios rígidos de atraer cargas opuestas,
pero en lugar de un bloque de rascacielos, es más como una comunidad hippie.
Todos los electrones se comparten comunalmente. Los electrones cargados
negativamente flotan allí, siendo atrapados y "apagados" por iones metálicos
cargados positivamente. Dado que todo pertenece a todos, no se trata de robo,
es como si todo estuviera unido por la confianza.
Sin embargo, estas conexiones no son suficientes para mantener unido a todo el
Universo. Además de los fuertes enlaces dentro de las moléculas en los
compuestos, existen las fuerzas más débiles que mantienen unidas colecciones
enteras de moléculas, como los vínculos sociales que mantienen unidas a las
comunidades. Algunas de las interacciones más fuertes se observan en el agua.
Debido a que el agua es especial Es posible que nunca haya pensado en ella,
pero el hecho de que el agua en su hervidor de agua hierve a 100 grados
centígrados es bastante extraño. La temperatura de ebullición del agua es
mucho más alta de lo que esperaríamos para algo compuesto de hidrógeno y
oxígeno. Podemos suponer razonablemente a partir de un estudio de la Tabla
Periódica (ver páginas 206-7) que el oxígeno se comportaría de manera similar
a la de otros elementos que ocupan la misma columna. Sin embargo, si
producías compuestos de hidrógeno con los tres elementos debajo del oxígeno,
ciertamente no podrías hacer algo tan simple como hervirlos en un hervidor de
agua. Esto se debe a que los tres hierven a temperaturas bajo cero
(centígrados), lo que significa que son gases cuando están a la temperatura de
su cocina. Por debajo de cero, el agua sigue siendo hielo. Entonces, ¿por qué un

Van der Waals
Las fuerzas de Van der Waals, llamadas así por el físico holandés, son fuerzas muy débiles entre todos los átomos.
Existen porque incluso en átomos y moléculas estables los electrones se mueven un poco, cambiando la distribución de
la carga.
Esto significa que una parte cargada negativamente de una molécula puede atraer temporalmente una parte cargada
positivamente de otra. Las secciones de carga más permanentes ocurren en moléculas "polares", como el agua, lo que
permite atracciones ligeramente más fuertes. El enlace de hidrógeno es un caso especial de este tipo de atracción,
formando enlaces intermoleculares particularmente fuertes.
compuesto de oxígeno e hidrógeno permanece líquido a una temperatura tan
alta?
La respuesta está en las fuerzas que mantienen unidas las moléculas de agua
como un grupo, evitando que huyen tan pronto como sientan un poco de calor.
Estos llamados "enlaces de hidrógeno" se forman entre átomos de hidrógeno en
una molécula y átomos de oxígeno en otra. ¿cómo? Una vez más, volvemos a los
electrones. En una molécula de agua, los dos hidrógenos se encuentran en el
lecho con oxígeno, que recoge todas las cubiertas – los electrones cargados
negativamente – por sí mismos. Las cargas ahora parcialmente positivas de los
hidrógenos descubiertos indican que serán atraídos por los ladrones de oxígeno
de otras moléculas de agua, que son más negativas. Debido a que cada molécula
de agua tiene dos hidrógenos, puede formar dos de estos enlaces de hidrógeno
con otras moléculas de agua. Las mismas fuerzas de adhesión ayudan a explicar
la estructura entrelazada del hielo y la tensión en la superficie de un lago que
permite que un insecto se deslice sobre él.
Compartir electrones

6 Cambios de fase
Pocas cosas siguen igual. Los químicos hablan de transiciones
entre las diferentes fases de la materia, pero esto, de hecho, es
sólo una forma caprichosa de decir que las sustancias cambian.
La materia puede adoptar múltiples formas: además de los
estados sólidos, líquidos y gaseosos de la vida cotidiana, hay
algunas fases menos comunes de la materia.
Piensa en lo que sucede si dejas unas barras de chocolate en el bolsillo en un día
caluroso. Puedes sacarlos de tu bolsillo y dejarlos en un lugar fresco para
endurecerlos de nuevo, pero el sabor ya no será exactamente el mismo. ¿Por
qué? La respuesta está en el conocimiento de la diferencia entre el chocolate
original y el chocolate endurecido de nuevo. Primero vamos a tener que
volver a la escuela de ciencias.
Sólidos, líquidos y gases... y plasma La mayoría de las personas han
escuchado que la materia tiene tres fases: sólida, líquida y gaseosa. ¿Recuerdas
cuando aprendiste eso en la escuela secundaria? Probablemente los recuerdes
como "estados". Un ejemplo básico del cambio de estado de una sustancia es
congelar y descongelar el agua, un cambio entre un estado sólido y un líquido.
Muchas otras sustancias también se funden, pasando de sólido a líquido, y los
químicos lo llaman fusión térmica. Los diferentes estados se explican a menudo
por la agitación de átomos o moléculas en la sustancia. En un sólido, están
hacinadas, como las personas en un ascensor abarrotado, mientras que en un
líquido las moléculas circulan y se mueven uno alrededor de otras más
libremente. En el estado gaseoso, las partículas están más dispersas y no tienen
límites fijos: es como si las puertas del ascensor se abrieran y los pasajeros se
extendieran en diferentes direcciones.
Estos tres estados de la materia marcan los límites del conocimiento de muchas
personas, pero hay muchos otros, de alguna manera más esotéricos y quizás
menos conocidos. Para empezar, está el plasma aparentemente futurista. En este
estado gaseoso – utilizado en las pantallas de televisión de plasma, por ejemplo
– los electrones se soltaron y las partículas de materia se cargaron. Lo que es
diferente aquí, para continuar con la analogía, es que cuando las puertas del
ascensor se abren, todos salen al mismo tiempo, de una manera más ordenada.
Debido a que las partículas están cargadas, el plasma fluye en lugar de rebotar
por todas partes. Los cristales líquidos, utilizados en la televisión LED, son otro
estado extraño de la materia (véase "Cristales líquidos", página 28).

Se desliza rápidamente sobre una superficie pulida,
como si estuviera suspendida por la atmósfera
gaseosa que la rodea constantemente, hasta
desaparecer por completo. "
Adrien-Jean-Pierre Thilorier, químico francés mientras hablaba de
su primera observación de secado en hielo
Más de cuatro Cuatro estados, o fases, pueden ser suficientes para entender
muchos de los cambios que observamos diariamente en las sustancias. Incluso
pueden explicar algún lugar menos común. Por ejemplo, las máquinas de humo
utilizadas en teatros y clubes nocturnos, que crean nubes muy densas de humo
o niebla, están utilizando "hielo seco", que es congelado o dióxido de carbono
sólido (CO2). Cuando esta sustancia entra en contacto con el agua caliente,
sucede algo bastante inusual: pasa directamente de sólido a gas, sin pasar por la
fase líquida. (Esta, por cierto, es la razón por la que se llama hielo seco). El
cambio de fase sólida a gaseosa se denomina sublimación. Tan pronto como
esto sucede, las burbujas de gas, todavía frías, condensan el vapor de agua en el
aire, produciendo una niebla.
Cuatro fases, sin embargo, todavía no explican la pregunta presentada
anteriormente: ¿Por qué el mismo chocolate tiene un sabor diferente solo
porque se derritió y luego se solidificó? Sigue siendo sólido, después de todo.
Pero esto se debe a que hay más fases de las que pueden acceder los tres o
cuatro estados clásicos. Numerosas sustancias tienen múltiples fases dentro del
estado sólido, y muchas de estas formas sólidas se componen de cristales. La
manteca de cacao en el chocolate es en realidad cristalina, y son las diferencias
en la formación de sus cristales las que determinan la etapa en la que se
encuentra el producto.

Cristales líquidos
La mayoría de nosotros hemos oído hablar del estado de cristal líquido debido a su aplicación
en pantallas de cristal líquido (LCD) utilizadas en dispositivos electrónicos modernos. Muchos
materiales diferentes muestran este estado, no solo los componentes de su televisor: los
cromosomas en sus células también se pueden considerar líquidos cristalinos. Como sugiere el
término, el estado del cristal líquido está más o menos entre un cristal líquido y un cristal
sólido. Las moléculas, que generalmente tienen la forma de un palo, se organizan
aleatoriamente en una dirección (como un líquido), pero se compactan regularmente (como un
cristal) en otra. Esto se debe a que las fuerzas que mantienen unidas las moléculas son más
débiles en una dirección que en otra. Las moléculas en los cristales líquidos forman capas que
pueden deslizarse unas sobre otras. Incluso entre capas, las moléculas dispuestas al azar
todavía se mueven. Es esta combinación de movimiento y disposición regular lo que hace que
los cristales se comporten como líquidos. En las pantallas LED, la posición de las moléculas y el
espacio entre ellas afectan a cómo reflejan la luz y el color que vemos. Con el uso de electricidad
para afectar las posiciones de las moléculas de cristal líquido "jabonadas" en medio del
vidrio, podemos crear patrones e imágenes en una pantalla.
Seis tipos de chocolate Finalmente, así que estamos listos para atacar el
delicioso tema del chocolate. A estas alturas es posible que haya empezado a
pensar que tal vez el chocolate es un poco más complicado de lo que parece. El
ingrediente principal, la manteca de cacao, consiste en moléculas llamadas
triacilglicerols (triglicéridos), pero para simplificar las cosas nos referiremos a
ellos solo como "manteca de cacao". La manteca de cacao cristaliza bajo no
menos de seis formas diferentes, o polimorfos, todos los cuales tienen
estructuras distintas y se funden a diferentes temperaturas. Cada vez que

Nuevas fases
Las sustancias pueden existir en múltiples fases, e incluso hay fases que aún no se han descubierto. Parece que los
científicos están constantemente encontrando nuevas fases del agua (ver página 118). En 2013, un artículo publicado
en la revista científica Physical Review Letters anunció un nuevo tipo de hielo superestable "superyónico" que se
espera que esté presente en grandes cantidades en el núcleo de los planetas gigantes como: Urano y Neptuno.
derritamos el chocolate y luego dejamos que se endurezca de nuevo obtenemos
un polimorfo diferente, cada uno con un sabor específico.
Incluso si deja su chocolate a temperatura ambiente, cambiará lenta pero
seguramente a una forma diferente: el polimorfo más estable. Los químicos
llaman a este cambio de transición de fase, y eso explica por qué a veces se
desenvuelve una barra de chocolate que había sido almacenada durante unos
meses y se encuentra la pizarra que parece enferma. La parte blanquecina no
hace ningún daño. Es sólo polimorfo VI. En cierto sentido, cada manteca de
cacao "quiere" ser polimorfo VI, porque es la forma más estable. Pero no sabe
tan bien. Para evitar la transición lenta a VI, puede intentar mantener su
chocolate a una temperatura más baja, en la nevera, por ejemplo.
La capacidad de manipular las diferentes formas de chocolate es, por supuesto,
de gran interés para la industria alimentaria, y sólo en los últimos años se han
llevado a cabo algunos estudios muy sofisticados sobre los polimorfos de
chocolate. En 1998, el fabricante de chocolate Cadbury utilizó un acelerador de
partículas para sondear los secretos del sabroso chocolate, utilizando este
equipo para descubrir las diferentes formas del cristal de manteca de cacao y
cómo hacer la mejor preparación, que se derrite en la boca.
La deliciosa forma brillante que todos queremos comer es polimorfo V, pero
conseguir que un plato entero cristalice en forma de V no es fácil. Requiere un
proceso altamente controlado de fusión y enfriamiento a temperaturas
específicas para que los cristales se formen de la manera correcta. Lo más
importante, por supuesto, es que hay que comerlo antes de que vuelva a
cambiar de fase. Así que, niños y niñas, tienen una gran excusa para comer
todos sus huevos de chocolate el mismo Domingo de Resurrección.
No sólo sólidos, líquidos y gases

7 Energía
La energía es como una especie de ser sobrenatural: poderoso,
pero imposible de conocer. Aunque podemos ser testigos de
sus efectos, nunca se revela en su verdadera forma. En el siglo
19, James Joule sentó las bases de una de las leyes más
fundamentales de la ciencia. Esta ley ordena los cambios de
energía que ocurren en cada reacción química.
Si estuvieras participando en un juego de adivinanzas y tuvieras que presentar
un mimo para obtener energía, ¿cuál sería? Es un rompecabezas, porque
definirlo es muy difícil. Es combustible, es comida, es calor, es lo que sacas de los
paneles solares; es un resorte en espiral, una hoja que cae, una vela que
revolotea o un imán, un rayo y el sonido de una guitarra española. Si la energía
puede ser todo eso, entonces ¿cuál es su esencia?
¿Qué es la energía? Todos los seres vivos usan la energía para construir su
cuerpo y crecer, y en algunos casos para moverse. Los seres humanos parecen
ser adictos a la cosa, aprovechando grandes cantidades de ella para la
iluminación de los hogares, como combustible de la tecnología, y para traer
fuerza a las fábricas. Sin embargo, la energía no es una sustancia que podamos
reconocer; no podemos verla ni poner nuestras manos en ella. Es intangible.
Siempre fuimos conscientes de sus efectos, incluso vagamente, pero fue sólo
desde el siglo 19 que realmente sabíamos que existía. Antes del trabajo del
físico inglés James Prescott Joule, sólo teníamos una idea confusa de lo que
realmente era la energía.
Joule era hijo de un cervecero. Fue educado en casa e hizo muchos de sus
experimentos en el sótano de la cervecería de su familia. Estaba interesado en la
relación entre el calor y el movimiento, ¡tan interesado estaba que tomó sus
termómetros (y William Thomson) en su luna de miel para estudiar las
diferencias de temperatura entre la parte superior e inferior de una cascada
cercana! Joule tuvo problemas para publicar sus artículos, pero gracias a
algunos amigos famosos – nada menos que el pionero de la electricidad Michael
Faraday – finalmente consiguió que tomaran nota de su trabajo. Su idea clave
era esencialmente esta: el calor es movimiento.
¿El calor es movimiento? En primera lectura, esta observación puede no tener
mucho sentido. Pero piénsalo: ¿por qué te frotas las manos para calentarlas en
un día frío? ¿Por qué los neumáticos de un vehículo en movimiento se calientan?
El artículo de Joule Sobre el equivalente mecánico del calor, publicado el día de

Trabajo
Aunque la energía es muy difícil de definir, se puede considerar como la capacidad de producir calor o "realizar
trabajo". Admito que suena un poco ambiguo. ¿Realizar un trabajo? ¿Qué trabajo? El trabajo es, de hecho, un concepto
importante en física y química, relacionado con el movimiento. Si algo se mueve, entonces hay un trabajo que se está
haciendo. Una reacción de combustión, como en el motor de un automóvil, libera calor, lo que hace que los pistones
se muevan (realizando el "trabajo") a medida que los gases se expanden en el motor.
Año Nuevo en1850, hizo el mismo tipo de investigación. En este texto observó
que el mar se calienta después de días de clima tormentoso, y detalló su propio
intento de replicar el efecto, utilizando una rueda con palas. Al hacer
mediciones precisas de temperatura utilizando sus termómetros confiables,
demostró que el movimiento se puede convertir en calor.
A través de la investigación de Joule y el trabajo de los científicos alemanes
Rudolf Clausius y Julius Robert von Mayer, aprendemos que la resistencia
mecánica, el calor y la electricidad están estrechamente relacionados. Joule (J)
eventualmente se convirtió en una unidad de medida estándar de "trabajo" (ver
"Trabajo", arriba) – una cantidad física que puede ser considerada como
energía.
De uno a otro Hoy reconocemos muchos tipos diferentes de energía y sabemos
que uno se puede convertir en el otro. La energía química en el carbón o el
petróleo, por ejemplo, es energía almacenada hasta que se quema y se
transforma en energía térmica para calentar nuestros hogares. Por lo tanto, la
conexión de Joule entre el calor y el movimiento ya no parece tan extraña, ya
que ahora consideramos ambos como tipos de energía. En un nivel más
profundo, sin embargo, el calor realmente es movimiento - lo que hace que una
olla de agua caliente es el hecho de que las moléculas de agua energizadas en
ella están temblando en un estado de excitación. El movimiento es sólo otro tipo
de energía.
En los productos químicos, la energía se almacena en los enlaces entre los
átomos. Cuando los enlaces se rompen, en las reacciones químicas, hay
liberación de energía. El proceso opuesto, la formación de conexiones, almacena
energía para más adelante. Al igual que la energía en un resorte espiral, esa
energía es "energía potencial", disponible hasta que se libera. La energía

potencial es simplemente energía almacenada en un objeto debido a su
posición. En el caso de la energía química potencial, esto se refiere a la posición
de las conexiones. Cuando estás en la parte superior de una escalera, tu energía
potencial es mayor que cuando estás en la parte inferior, y también hay energía
potencial en el agua desde la parte superior de la cascada de luna de miel de
Joule. Su energía potencial depende de su masa: si se sienta y come pasteles
durante un mes y luego regresa a la parte superior de la escalera, su energía
potencial será mayor.
Incluso sentarse y comer pastel es un ejemplo de cambio de energía - el azúcar y
la grasa en el pastel proporcionan energía química, que se convierte en energía
térmica por sus células con el fin de mantener su temperatura corporal, y en
energía cinética, para comandar los músculos que le llevará a la parte superior
de la escalera. Todo lo que hacemos, todo lo que hace nuestro cuerpo, y
básicamente todo lo que sucede, se basa en estas conversiones de energía.
La energía cambia, pero sigue siendo la misma El trabajo de James Joule
sentó las bases de lo que se ha convertido en uno de los principios más
importantes de toda la ciencia: la Ley de Conservación de Energía, también
conocida como la Primera Ley de la Termodinámica (ver página 42). Esta ley
determina que la energía nunca se crea y nunca se destruye. Simplemente se
convierte de una forma a otra, como lo indica la experiencia de Joule con la
rueda de paletas. Pase lo que pase en las reacciones químicas, y en cualquier
otro lugar, la cantidad total de energía en el Universo debe permanecer
siempre igual.
"Mi objetivo era, primero, descubrir los principios
correctos, y luego sugerir su desarrollo práctico. "
James Prescott Joule, James Joule : una biografía
Lo que toda la energía tiene en común es la capacidad de cambiar algo. Ahora, si
eso te dice cómo imitar la energía en un juego de adivinanzas, esa es otra
pregunta. La energía es una rueda de paletas giratorias. Es un pastel. Eres tú
subiendo las escaleras, parado en la parte superior y cayendo escalones. Trate
de imitar estas cosas. Todavía estás tan confundido como lo has estado nunca.
La capacidad de hacer cambios

8 Reacciónes químicas
Las reacciones químicas no son solo explosiones ruidosas que
pueden llenar el aire en una caricatura sobre el laboratorio de
un científico. También son procesos cotidianos que pasan
discretamente dentro de las células de los seres vivos,
incluyéndonos a nosotros. Suceden sin que nos demos cuenta.
Aun así, ¡a todos nos encanta una buena explosión ruidosa!
Existen, en términos generales, dos tipos de reacciones químicas. El tipo de
reacción química grande, llamativa y explosiva –que significa "alejarse bien y
usar gafas"– y el tipo de reacción silenciosa, "que se arrastra, apenas se da
cuenta". El tipo "back off" puede llamar su atención, pero el "mal si se puede
decir" puede ser igual de impresionante. (De hecho, por supuesto, hay una
variedad vertiginosa de diferentes reacciones químicas, en número demasiado
para enumerar aquí.)
Los químicos no pueden resistirse al primer tipo. Pero, ¿no es así con todos
nosotros? ¿Quién, al obtener una entrada a un espectáculo de fuegos artificiales,
preferiría sentarse en silencio para ver un metal oxidado? ¿Quién no saltó y se
rió un poco cuando el profesor de química prendió fuego a un globo de
hidrógeno, produciendo un sonido BUUM? Si le pides a cualquier químico que
demuestre tu reacción favorita, invariablemente invocará la experiencia más
grande y llamativa que puedas realizar con seguridad. Para comenzar a
entender las reacciones químicas, volvamos a un profesor de química del siglo
19 y una de las demostraciones químicas más ruidosas y espectaculares.
Desafortunadamente, este tipo de experimento no siempre sale según lo
planeado.
Quedarse bien detrás Justus Von Liebig era una persona extraordinaria. Pasó
hambre, se convirtió en profesor a la edad de 21 años, descubrió la base química
del crecimiento de las plantas y fundó una importante revista científica, por no
mencionar algunos de sus descubrimientos que llevaron a la invención de una
pasta de extracto de levadura (también conocida como Marmite). Hizo muchas
cosas de las que podía estar orgulloso, pero también hizo algunas cosas
embarazosas. La leyenda dice que durante la demostración de una reacción
conocida como "perro que ladra" en la familia real bávara en 1853, la
experiencia explotó de manera un tanto violenta, justo en la cara de la reina
consorte, Teresa de Sajonia-Hildburghausen, y su hijo, el Príncipe Luitpold.
"... Miré a mi alrededor después de la terrible

explosión en la sala de estar... y vi la sangre goteando
de la cara de la reina Teresa y el Príncipe Luitpold. "
Justus von Liebig
El "perro que ladra" sigue siendo una de las demostraciones más
espectaculares. No solo es fantásticamente explosivo y ruidoso, emitiendo un
sonido "woof", también es brillantemente llamativo. La reacción ocurre cuando
el disulfuro de carbono (CS2) se mezcla con óxido nitroso (N2O) – más conocido
como gas hilarante – y se enciende. Es una reacción exotérmica, lo que significa
que pierde energía en el medio ambiente (ver página 43). En este caso, parte de
la energía se pierde en forma de un gran destello azul de luz. Ejecutado, como
suele ser, en un gran tubo transparente, la experiencia es similar a un sable de
luz que se "enciende" y luego se "borra". Vale la pena tomarse un momento para
buscar un video en línea si puede.
Si la audiencia de Liebig no hubiera quedado tan impresionada por el efecto, no
lo habrían convencido de repetir el experimento, y la reina Teresa no habría
sufrido su pequeña lesión: se dice que la explosión derramó sangre. Sin
embargo, como todas las reacciones, el "perro que ladra" no es más que un
reordenamiento de los átomos. Sólo hay cuatro tipos diferentes de átomos –
elementos – involucrados en el "perro que ladra": carbono (C), azufre (S),
nitrógeno (N) y oxígeno (O).
N2O + CS2 → N2 + CO + SO2 + S8
Reacción "perro que ladra": en una reacción similar, paralela, puede formar
también CO2.
Los químicos utilizan una ecuación química para mostrar dónde terminan
después de la reacción.
Apenas se puede notar, pero ¿qué pasa con las reacciones más discretas y
menos vistosas? La roya gradual de una uña de hierro es una reacción química
entre el hierro, el agua y el oxígeno en el aire, para formar el producto óxido de
hierro – marrón anaranjado, escamas de óxido (ver página 54). Es una reacción
de oxidación lenta. Cuando cortas una manzana y se vuelve marrón, es otra
reacción de oxidación, y que puedes observar en el período de unos minutos.
Ecuaciones químicas
En 1615, Jean Beguin publicó un conjunto de notas de clase de química, mostrando un diagrama de la reacción de
mercure sublimé (cloruro de mercurio, HgCl2) con antimoína (trisulfuro de antimonio, Sb2S3). Aunque se parece más al
diagrama de una araña, se considera una representación inicial de una ecuación química. Más tarde en el siglo 18,
William Cullen y Joseph Black, que enseñaron en las universidades de Glasgow y Edimburgo, diseñaron esquemas de
reacción que contenían flechas para explicar las reacciones químicas a sus estudiantes.

Para una de las reacciones discretas más importantes, no tienes que mirar más
allá de las plantas en tu ventana. Cosechan lentamente los rayos del sol y
utilizan la energía para reorganizar el dióxido de carbono y el agua en azúcar y
oxígeno, en una reacción que conocemos como fotosíntesis (ver página 150).
Este es un resumen de una cadena de reacciones mucho más compleja
desarrollada por las plantas. El azúcar se utiliza como combustible para
alimentar la planta, mientras que el otro producto, el oxígeno, se libera. Puede
que no sea una reacción tan dramática como el "perro que ladra", pero es
fundamental para la vida en nuestro planeta.
Se puede observar el propio cuerpo para ver ejemplos de reacciones. Sus células
son esencialmente bolsas llenas de productos químicos, centros de reacción en
miniatura. Cada uno hace lo contrario de lo que hace una planta en la
fotosíntesis: para liberar energía, la célula reacciona al azúcar absorbido por sus
alimentos con el oxígeno que respira y los reorganiza, produciendo dióxido de
carbono y agua. Esta imagen especular, "reacción respiratoria", es la otra gran
reacción que sostiene la vida en la Tierra.
Reordenamientos Ya sean grandes o pequeños, lentos o cortos como un rayo,
todas las reacciones son el resultado de algún cambio en la forma en que los
átomos están dispuestos en los reactivos iniciales. Los átomos de los diversos
elementos pueden ser fragmentados y recompuestos de diferentes maneras.
Esto, en general, significa que se forman nuevos compuestos, mantenidos
unidos por el intercambio de electrones entre los átomos del nuevo socio. En la
reacción de "perro que ladra", el monóxido de carbono y el dióxido de azufre
son los dos nuevos compuestos formados. También se producen moléculas de
nitrógeno y azufre. En la fotosíntesis, se forman moléculas más grandes y
complejas: moléculas largas de azúcar que contienen múltiples átomos de
carbono, hidrógeno y oxígeno.
Observación del despliegue de las reacciones
En general, cuando decimos que "vemos" una reacción que sucede, solo nos referimos a la
explosión, el cambio de color o alguna otra consecuencia de la reacción. No estamos viendo las
moléculas individualmente, así que no podemos ver lo que realmente está pasando. Pero en
2013, investigadores estadounidenses y españoles vieron reacciones que sucedían en tiempo
real. Capturaron el poder de la microscopía de fuerza atómica para obtener imágenes
extremadamente cercanas de moléculas aisladas de oligo-(fenileno-1, 2-eynile) que reaccionan
en una superficie de plata para formar nuevos productos con estructura de anillo. En
microscopía de fuerza atómica, las imágenes se generan de una manera completamente
diferente a la de una cámara normal. El microscopio tiene una sonda muy delgada, o "punta",
que produce una señal cuando toca algo en una superficie. Esta sonda puede detectar la
presencia de átomos aislados. En las imágenes tomadas en 2013, los enlaces, así como los
átomos en los reactivos y productos, son claramente visibles.

Reordenamiento de átomos

9 Equilibrio
Algunas reacciones se guían en una dirección; otros van y
vienen constantemente. En estas reacciones "flexibles", un
equilibrio mantiene el statu quo. Las reacciones de equilibrio
están en todas partes, desde su sangre hasta el sistema de
combustible que trajo a los astronautas del Apolo 11 de vuelta
a la Tierra.
Usted recibirá algunos amigos y compró algunas botellas de vino tinto.
Queriendo comenzar la fiesta de inmediato, abres una botella, sirves unos vasos
y esperas a que lleguen todos. Una hora más tarde, después de una avalancha de
excusas de mensajes de texto, usted y su único amigo todavía están siluciendo
las primeras copas de vino, mientras que los demás permanecen intactos. De
dos cosas, una sucede ahora. Su amigo le dará una disculpa educada, dejándolo
tamizar los vasos intactos de nuevo en la botella. O ustedes dos terminan sus
vasos, más los otros que se sirvieron, y luego abren la siguiente botella y
comienzan a beber un poco más.
Mantén el vino fluyendo Puede que estés pensando en lo que todo esto tiene
que ver con la química. Bueno, hay muchas reacciones en la química que
reflejan la situación del vino en la fiesta fallida. Al igual que la acción de verter
vino de una botella en una copa y volver a la botella de nuevo, estas reacciones
son reversibles. En química, este tipo de situación se llama equilibrio, y el
equilibrio controla las proporciones de reactivos y productos en una reacción
química.
Imagine que el vino embotellado representa el reactivo químico, mientras que el
vino vertido en las copas representa el producto de la reacción. En tu fiesta,
controlas el flujo de vino, de modo que, si alguien bebe una copa, sirves otra.
Asimismo, la balanza controla el flujo de reactivos a los productos, de manera
que si parte de los productos desaparece, se trabaja para encontrar el status quo
transformando parte de los reactivos en nuevos productos. Pero una acción
reversible también funciona de la manera opuesta; por lo tanto, si algo
interfiere con el status quo y de repente hay demasiados productos, el equilibrio
simplemente empuja la reacción hacia atrás en la dirección opuesta y
reconvierte los productos en reactivos, como volver a verter el vino en la
botella.
La existencia de un equilibrio no significa que cada lado de la ecuación química
sea el mismo que el otro: no siempre hay el mismo volumen de vino en las copas
y en la botella. Por el contrario, cada sistema químico tiene su propio medio

Constante de equilibrio
Cada reacción química tiene su propio equilibrio, pero ¿cómo podemos saber dónde está? Una cosa llamada constante
de equilibrio determina la proporción de reactivos que se transforman en productos en una reacción reversible – nos
dice dónde está el equilibrio. La constante de equilibrio tiene el símbolo K y su valor es el mismo que la proporción de
productos para reactivos. Por lo tanto, si hay cantidades iguales (o concentraciones) de productos y reactivos,
entonces K es igual a 1.
Sin embargo, si hay más productos, entonces K es menor que 1. Cada reacción tiene su propio valor de K. En la
producción industrial de productos químicos, los catalizadores se utilizan para modificar la constante de equilibrio,
óptimo, donde las reacciones de ida y vuelta ocurren en la misma proporción.
Esto se aplica no solo a reacciones complejas, sino a sistemas simples como los
ácidos débiles (ver página 47), la donación y aceptación de iones de
hidrógeno(H+), e incluso moléculas de agua que se dividen en iones H+ y OH–. En
el agua, el equilibrio está más cerca del H2O del sistema que de los iones
separados, por lo que pase lo que pase, el equilibrio funcionará para mantener
la mayor parte del agua como moléculas H2O.
Combustible para cohetes Entonces, ¿dónde más encontramos este tipo de
equilibrio químico? El aterrizaje en la luna en 1969 es un buen ejemplo.
Diseñado por la NASA, el sistema que permitió a Neil Armstrong, Buzz Aldrin y
Michael Collins regresar a casa fue un sistema químico. Para generar el impulso
que los arrojó de vuelta al espacio, necesitaban un combustible y un agente
oxidante, algo que causaría que el combustible se quemara más, agregando
oxígeno a la mezcla. El agente oxidante utilizado en la misión Apolo 11 se llamó
tetróxido de dinitrógeno (N2O4), una molécula que se divide por la mitad para
formar dos moléculas de dióxido de nitrógeno (NO2). Pero el NO2 puede
convertirse fácilmente en N2O4. Los químicos muestran esto como:
N2O4 ⇌ 2NO2
En todas partes hay un medio en las cosas,
determinado por el equilibrio. "
Dmitri Mendeleev
presionándolo para crear más productos. Las reacciones que se hacen para hacer productos químicos útiles, como el
amoníaco (ver página 70), deben reajustarse constantemente para equilibrar la eliminación de productos. Esto se
debe a que la retirada de los productos cambia temporalmente la proporción de productos a reactivos, o K. Para
mantener K, la reacción debe seguir ligeramente más fuerte en la dirección hacia adelante, produciendo de nuevo más
productos.
A ⇌ B
Reactivost ⇌ Produtos
Keq = [B] / [A]
(colchetes = concentración)

2
Si pones tetróxido de nitrógeno en una maceta de vidrio (no es recomendable,
ya que es corrosivo y, si derramas, perderás algo de piel), verás el equilibrio en
funcionamiento. Cuando se mantiene frío, el tetróxido de dinitrógeno pardusco
está en la parte inferior de la olla, mientras que las moléculas de NO2 están en
una nube de vapor por encima. Sin embargo, la temperatura y otras condiciones
pueden cambiar la proporción de un equilibrio. En el caso del tetróxido de
dinitrógeno, un poco de calor toma la balanza a la derecha de la ecuación,
convirtiendo una mayor parte del agente oxidante en gas. Si se enfría de nuevo,
la conversión vuelve a N2O4.
Equilibrio natural Los equilibrios ocurren todo el tiempo en la naturaleza.
Mantienen en orden los productos químicos contenidos en su sangre,
manteniendo un pH constante alrededor de 7, asegurando que su sangre nunca
se vuelva demasiado ácida. Junto a estos mismos equilibrios hay reacciones
reversibles que controlan la liberación de dióxido de carbono en los pulmones.
A continuación, exhalar el dióxido de carbono.
Si has visto los goteos y conos de estalactitas y estalagmitas que se forman en
las cuevas de piedra caliza, es posible que hayas imaginado cómo se forman. La
Gran Estalactita que cuelga del techo de la Cueva Doolin en la costa oeste de
Irlanda es una de las más grandes del mundo, de más de siete metros de largo.
Se graduó durante miles de años. Esta maravilla natural es, de hecho, otro
ejemplo de un equilibrio químico en acción.
CaCO3 + H2O + CO2 ⇌ Ca+ + 2 HCO–
3
CaCO3 es la fórmula química del carbonato de calcio, que forma roca porosa,
piedra caliza. El agua de lluvia, que contiene dióxido de carbono disuelto,
produce un ácido débil llamado ácido carbónico (H2CO3), que reacciona con el
carbonato de calcio en la piedra caliza, disolviéndose para producir iones de
carbonato de calcio e hidrógeno. A medida que la lluvia penetra en los agujeros
de la roca, disuelve pedazos de piedra caliza y lleva consigo los iones disueltos
allí. Este lento proceso es suficiente para crear cuevas de piedra caliza. Las
estalactitas, como la gran estalactita, se forman donde esta agua, que contiene
iones de calcio y carbonato de hidrógeno, gotea en el mismo lugar durante
mucho tiempo. A medida que el agua de lluvia gotea, se da la reacción opuesta.
Los iones se convierten de nuevo en carbonato de calcio, agua y dióxido de
carbono, y se deposita piedra caliza. Finalmente, el continuo aumento de piedra
caliza en los goteos termina creando una gota de roca sólida en su imagen, con
resultados impresionantes.

El principio de Le Châtelier
En 1884, Henri Louis Le Châtelier propuso un principio que rige los equilibrios químicos: "Todo sistema en equilibrio
químico, bajo la influencia de un cambio en cada uno de los factores de equilibrio, sufre una transformación en una
dirección tal que, si esta transformación ocurriera de forma aislada, produciría un cambio en la dirección opuesta del
factor en cuestión". En otras palabras, cuando se produce un cambio en uno de los factores que influyen en el
equilibrio, el equilibrio se ajusta para minimizar el efecto del cambio.
statu quo

10 Termodinámica
La termodinámica es una forma de predecir el futuro de los
químicos. Basándose en algunas leyes fundamentales, pueden
calcular si algo reaccionará o no. Si es difícil entusiasmarse
con la termodinámica, piense que tiene mucho que decir
sobre el té y el fin del universo.
La termodinámica puede parecer algunos de esos viejos objetos espinosos de
los que nadie necesita saber nada hoy en día. Después de todo, se basa en leyes
científicas desarrolladas hace más de cien años. ¿Qué nos puede enseñar hoy la
termodinámica? Bueno, muchas cosas, en realidad. Los químicos están
utilizando la termodinámica para averiguar qué sucede en las células vivas
cuando se enfrían, por ejemplo, cuando los órganos humanos se empaquetan en
hielo antes de ser trasplantados. La termodinámica también está ayudando a los
químicos a predecir el comportamiento de ventas delíquidos que se utilizan
como disolventes en pilas de combustible, medicamentos y materiales de
vanguardia.
Las Leyes de la Termodinámica son tan fundamentales para el negocio de la
ciencia que siempre estamos encontrando nuevas formas de trabajar con ellas.
Sin las Leyes de la Termodinámica, sería difícil entender o predecir por qué
ocurre cualquier proceso o reacción química y sus características. O elimine la
posibilidad de que los procesos comunes puedan ocurrir de cualquier otra
manera loca, como que su taza de té se caliente cuanto más tiempo tarde en
beberla. Entonces, ¿cuáles son estas leyes indiscutibles?
No podemos crear o destruir la Primera Ley de la Termodinámica (ver página
32). En su forma más simple, afirma que la energía nunca puede ser creada o
destruida. Esto solo tiene sentido si recordamos lo que sabemos sobre las
conversiones de energía: la energía se puede convertir de una forma a otra; por
ejemplo, cuando la energía química en el tanque de combustible de su
automóvil se convierte en energía cinética (o energía de movimiento) después
de arrancar el motor. Es en este tipo de conversión de energía que las personas
que estudian termodinámica tienden a interesarse.
Los químicos pueden decir que la energía se "perdió" durante una reacción
química en particular, pero en realidad no se perdió. Simplemente fuimos a otro
lugar, generalmente a los alrededores, como el calor. En termodinámica, este
tipo de reacción de "pérdida de calor" se denomina exotérmica. Lo contrario,
una reacción que absorbe el calor de su entorno, se llama endotérmica.
Lo que importa es que no importa cuánta energía se transfiera entre los
materiales que forman parte de la reacción y sus circunstancias, la energía total

Sistemas y circunstancias
A los químicos les gusta ordenar cosas, de modo que cuando están haciendo sus cálculos termodinámicos, siempre se
aseguran de haber categorizado de lo que están hablando. La primera tarea es siempre identificar el sistema
específico o la reacción que están estudiando, y luego todo lo demás son las circunstancias. Una taza de té frío, por
ejemplo, debe considerarse como el té en sí y luego como todo lo demás que rodea el té: la taza, el soporte, el aire al
que se evapora el vapor, la mano que calienta en la taza caliente. De hecho, cuando se trata de reacciones químicas,
puede ser más difícil de lo que piensas averiguar dónde termina el sistema y dónde comienzan las circunstancias.
siempre sigue siendo la misma. De lo contrario, el principio de conservación de
la energía –la Primera Ley de la Termodinámica– no funcionaría.
La segunda ley destruye todo el Universo La Segunda Ley de la
Termodinámica es un poco más complicada de percibir, pero puede explicar
casi todo. Se ha utilizado para explicar el Big Bang y predecir el fin del Universo,
y, junto con la Primera Ley, nos dice por qué los intentos de construir una
máquina de movimiento perpetuo están condenados al fracaso. También nos
ayuda a entender por qué el té se enfría, en lugar de calentarse.
" No conocer la Segunda Ley de la Termodinámica es
como no haber leído nunca una obra de
Shakespeare. "
C. P. Snow

Entropía
Lo que la entropía realmente mide es cuántos estados diferentes podría existir un sistema, dados algunos parámetros
clave. Podemos saber el tamaño del paquete de pretzels e incluso cuántos pretzels hay en él; sin embargo, si lo
agitamos hacia arriba y hacia abajo, no sabremos exactamente dónde estará cada pretzel cuando lo abramos. La
entropía nos dice cuántas maneras diferentes hay de arreglar los pretzels. Cuanto más grande sea el paquete, más
formas de acomodar los pretzels. En las reacciones químicas, con moléculas en lugar de pretzels, hay aún más
parámetros a considerar, como la temperatura y la presión.
La parte difícil de la Segunda Ley es que se basa en un concepto difícil llamado
entropía. La entropía a menudo se describe como una medida del desorden:
cuanto más desordenado es algo, mayor es su entropía. Piense en ello como un
paquete de pretzels. Cuando los pretzels están seguros dentro del paquete, su
entropía es baja. Cuando abres el paquete con mucha impaciencia, los pretzels
explotan por todas partes y su entropía se vuelve mucho más alta. Lo mismo
sucede si descubre una botella de gas metano maloliente, en este caso, su nariz
podrá detectar el desorden que se está formando.
La Segunda Ley de la Termodinámica establece que la entropía siempre crece, o
al menos nunca disminuye. En otras palabras, las cosas tienden a volverse más
desordenadas. Esto se aplica a todo, incluido el Universo mismo, que
eventualmente caerá en completo desorden y expirará. El razonamiento para
esta predicción completamente aterradora es que, en esencia, las posibilidades
de que los pretzels sean desechadas son mucho mayores que las de que se
quedan en el paquete (ver "Entropía"). La Segunda Ley a veces se describe en
términos de calor, afirmando que el calor siempre fluye de los lugares más
calientes a los más fríos, por lo que su té siempre pierde calor en el medio
ambiente y se enfría.
Desde el punto de vista de un químico, sin embargo, la Segunda Ley es
importante para determinar lo que sucede en los procesos y reacciones
químicas. Una reacción sólo es termodinámicamente factible, o, en otras
palabras, sólo puede "ir" en una cierta dirección si la entropía aumenta en
general. Para calcular esto, el químico tiene que pensar no sólo en el cambio de
la entropía en el "sistema", que a menudo termina siendo mucho más
complicado que un paquete de pretzels o una taza de té, sino también en el
cambio de la entropía en las circunstancias (ver "Sistemas y Circunstancias",
página 43). Mientras no se viole la Segunda Ley, la reacción puede proceder, y si
no funciona, entonces el químico tendrá que averiguar qué se debe hacer para
que funcione.

¿Quién le teme a la Tercera Ley? La Tercera Ley de la Termodinámica es
menos conocida que las otras dos. Lo que ella dice, esencialmente, es que
cuando la temperatura de un cristal perfecto – y tiene que ser perfecto - alcanza
el cero absoluto, su entropía también debe ser cero. Y eso tal vez explique por
qué a menudo se olvida la Tercera Ley de la Termodinámica. Todo parece algo
abstracto, y se supone que es útil solo para personas capaces de enfriar las
cosas a cero absoluto (−273 °C) y que están trabajando con cristales y, además
de eso, cristales perfectos e ideales.
Cambio energético

Mol
Los químicos tienen un curioso concepto de cantidad. No pocas veces, en lugar de simplemente pesarlo, quieren
saber exactamente cuántas partículas de esa cosa están presentes. Llaman a un cierto número de partículas – igual al
número de partículas en 12 g de carbono ordinario – un "mol". Así que un vaso de ácido etiquetado como 1M (1
molar) nos dice que hay 6,02 × 1023 de moléculas de ácido en cada litro. Por suerte no tienes que contar cada
partícula. Las sustancias reciben una "masa molar", el peso que equivale a un mol.
11 Ácidos
¿Cómo se puede almacenar vinagre en una botella de vidrio,
verterlo sobre su ensalada y comerlo, mientras que el ácido
fluorantimónico se comería la botella en sí? Todo se reduce a
un pequeño átomo que se encuentra en todos los ácidos, desde
el ácido clorhídrico en el estómago hasta el más fuerte de los
superácidos.
Humphry Davy fue un humilde aprendiz de cirujano que se hizo famoso por
alentar a las personas bien vivas a inhalar gas hilarante. Nacido en Penzance,
Cornualles, con un inclinación literaria, Davy se hizo amigo de algunos de los
poetas románticos más renombrados del oeste de Inglaterra – Robert Southey y
Samuel Taylor Coleridge – pero fue en la química que hizo su carrera. Tomó un
trabajo como superintendente químico en Bristol, donde publicó el trabajo que
le garantizaría un puesto como conferenciante y, finalmente, un puesto de
profesor de química en la Royal Institution de Londres.
Las caricaturas del siglo 19 muestran a Davy entreteniendo a las audiencias en
sus conferencias con fuelle lleno de óxido nitroso – gas hilarante – aunque
propuso que el gas terapéutico se utilizara como anestésico. Fuera de sus
conferencias populares, Davy llevó a cabo un trabajo pionero en electroquímica
(ver página 94). Aunque no fue el primero en darse cuenta de que la electricidad
podía separar los compuestos en sus átomos componentes, hizo un buen uso de
la técnica al descubrir los elementos potasio y sodio. Además, probó una teoría
presentada por uno de los grandes nombres de la química, Antoine Lavoisier.
Lavoisier había muerto –en la guillotina– unos años antes, a manos de la
Revolución Francesa. Aunque se le recuerda por muchas ideas esclarecedoras,
como su sugerencia de que el agua está compuesta de oxígeno e hidrógeno, erró
en al menos una cosa: propuso que el oxígeno, el elemento que él mismo había
bautizado, era que daba acidez a los ácidos. Pero Davy sabía que no era así. Con
el uso de la electrólisis, separó el ácido muriático en sus elementos y vio que
sólo contenía hidrógeno y cloro. El ácido no contenía oxígeno. Encontrarás ácido
muriático en el estante de cualquier laboratorio de química, y es el mismo
ácido que, en tu estómago, ayuda en la digestión de los alimentos: el ácido
clorhídrico.

Bases
En la escala de pH, la base se considera una sustancia con un pH superior a 7 – el punto medio de la escala, que
generalmente oscila entre 0 y 14 (aunque hay pHs negativos y otros por encima de 14). Una base disuelta en agua se
llama álcali.
Las sustancias alcalinas incluyen amoníaco y bicarbonato de sodio. Un estudio de 2009 realizado por investigadores
suecos encontró que las sustancias alcalinas, así como las sustancias ácidas como el jugo de fruta, pueden dañar los
dientes. Lo que hace que la lógica anticuada de cepillarlos con bicarbonato de sodio – para neutralizar los ácidos –
parezca algo anticuado. Debido a que la escala de pH funciona de manera logarítmica, cada aumento de un punto
aislado significa que una sustancia es diez veces más básica, y viceversa. Así, un pH base 14 es diez veces más básico
que uno de pH 13, y un ácido con pH 1 es diez veces más ácido que uno de pH 2.
Hidrógeno, no oxígeno En 1810, Davy concluyó que el oxígeno no podía ser el
elemento que definió un ácido. Tuvo que pasar casi un siglo para que la primera
teoría del ácido verdaderamente moderna apareciera cortesía del químico
sueco Svante Arrhenius, quien eventualmente ganaría el Premio Nobel.
Arrhenius propuso que los ácidos eran sustancias que se disuelven en agua para
liberar hidrógeno, en forma de iones de hidrógeno cargados positivamente(H+).
También dijo que las sustancias alcalinas (ver "Bases", página 48) se disuelven
en agua liberando iones de hidróxido (OH–). Aunque la definición de bases de
Arrhenius fue revisada más tarde, su premisa central – que los ácidos son
donantes de hidrógeno – forma la base de nuestro conocimiento de los ácidos.
Ácidos débiles y ácidos fuertes Actualmente pensamos en los ácidos como
donantes de protones y las bases como receptores de protones. (Recuerde que,
en este contexto, un protón significa un átomo de hidrógeno que ha perdido su
electrón para formar un ion, por lo que esta teoría simplemente establece que
los ácidos dan iones de hidrógeno y que las bases los reciben). La fuerza de un
ácido es la medida de la capacidad de la molécula para donar sus protones. El
vinagre, o ácido etano (CH3COOH), que usted asperge en su ensalada es bastante
débil, porque en cualquier momento muchas de las moléculas todavía tendrán
sus protones unidos a ellos. Los protones se dividen constantemente y luego se
reúnen con la molécula principal, formando una mezcla en equilibrio (ver
página 38).
Voy a atacar la química como un tiburón. "
Samuel Taylor Coleridge, amigo poeta de Humphry Davy

El ácido clorhídrico de Davy (HCl), por otro lado, es realmente bueno donando
protones. Todo el ácido clorhídrico disuelto en agua se separa en iones de
hidrógeno e iones de cloro (Cl–) – en otras palabras, se ioniza por completo.
La fuerza de un ácido no tiene mucho que ver con su concentración. Si tenemos
exactamente el mismo número de moléculas de ácido disueltas en la misma
cantidad de agua, un ácido más fuerte, como el ácido clorhídrico, liberará una
mayor cantidad de sus protones que un ácido más débil; por lo tanto, usted
estará en una concentración más alta. Sin embargo, el ácido clorhídrico se puede
diluir en suficiente agua para que su acidez sea más pequeña que la del vinagre.
Los químicos miden la concentración de ácidos usando la escala de pH (ver
"Bases", arriba). Extrañamente, un pH más bajo significa una mayor
concentración de iones de hidrógeno – un ácido más concentrado se considera
más ácido y tiene un número de pH más bajo.
Superácidos Lo emocionante de los ácidos, como todo el mundo sabe, es que
puedes usarlos para disolver todo tipo de cosas: escritorios, verduras y, como se
popularizó en la serie de culto Breaking bad, un cadáver entero en una bañera.
La verdad, sin embargo, es que el ácido fluorhídrico (HF) no se quemaría
directamente a través del piso del baño o reduciría instantáneamente un cuerpo
de humus, como lo hizo en el programa de televisión, pero ciertamente le
dolería si lo sintió en su mano.
Si quieres un ácido realmente malo, puedes fabricarlo tomando ácido
fluorhídrico y haciéndolo reaccionar con algo llamado pentafluoruro de
antimonio. El ácido fluorosantimónico es tan ácido que va más allá del extremo
inferior de la escala de pH. Es tan violentamente corrosivo que tiene que ser
almacenado en teflón.
– un material muy resistente porque contiene algunos de los enlaces más
fuertes (enlace carbono-fluoruro) en toda la química. Este ácido se llama
"superácido".
Algunos superácidos corroen el vidrio. Extrañamente, sin embargo, los
superácidos carborán, que son algunos de los más potentes conocidos, se
pueden almacenar de forma segura en una botella de vidrio ordinaria. Esto se
debe a que no es la parte que Arrhenius identificó como ácida –el ion
hidrógeno– la que determina si un ácido es corrosivo. Es el otro componente. Es
el fluoruro sobrante en el ácido fluorhídrico que va a corroer el vidrio. En los
superácidos carborán, que son ácidos más fuertes, la parte sobrante es estable y
no reacciona.
Liberación de hidrógeno

12 Catalizadores
Algunas reacciones simplemente no ocurren sin ayuda.
Necesitan un pequeño empujón. Ciertos elementos y
compuestos pueden actuar como ayudantes para dar este
empuje, y se llaman catalizadores. En la industria, los
catalizadores son a menudo metales, y se utilizan para
conducir reacciones. Nuestro cuerpo también utiliza pequeñas
cantidades de metales – contenidos en moléculas llamadas
enzimas – para acelerar los procesos biológicos.
En febrero de 2011, los médicos del Hospital Prince Charles en Brisbane
examinaron a una mujer de 73 años con artritis que se quejaba de pérdida de
memoria, mareos, vómitos, dolores de cabeza, depresión y anorexia. Ningunos
de los síntomas aparecían ser relacionados con la artritis, o la prótesis de la
cadera que ella había hecho cinco años anterior. Después de algunas pruebas,
los médicos se dieron cuenta de que los niveles de cobalto de la mujer eran
altos. Resultó que la aleación de metal utilizada en su nueva cadera estaba
perdiendo cobalto, lo que resultó en sus síntomas neurológicos. El cobalto es un
metal tóxico. Causa urticaria en contacto con la piel y problemas respiratorios
cuando se inhala. En dosis altas, puede causar todo tipo de problemas. Pero en
realidad necesitamos cobalto para vivir. Al igual que otros metales de transición
(ver página 10), como el cobre y el zinc, es esencial para la acción de las enzimas
en el cuerpo. Su papel más crucial es en la vitamina B12, que se encuentra en la
carne y el pescado, y se utiliza para fortificar los cereales. El cobalto funciona
esencialmente como catalizador.
Ayuda ¿Qué es un "catalizador"? Probablemente hayas oído hablar de él en
relación con los convertidores catalíticos en los automóviles (ver "Fotocatálisis"
en la página 53), o en expresiones como "catalizador para la innovación".
Usted tiene una vaga idea de lo que significa desencadenar el comienzo de algo.
Pero para entender lo que realmente hace un catalizador químico, o una enzima
biológica (ver página 134), piense en ella como una partícula auxiliar. Si
realmente necesita pintar el techo, pero esto parece requerir demasiado
esfuerzo, puede abusar de la generosidad y las habilidades de un novio o un
compañero de piso para iniciar el proceso. Le dices que compre el tipo correcto
de pintura y rollo mientras trata de reunir energía para hacer que la pintura
suceda. Parece más fácil ahora que alguien está dando una mano.

Catalizador
El convertidor catalítico de un automóvil es la parte que elimina los contaminantes más peligrosos emitidos por las
fugas, o al menos los convierte en otros contaminantes menos dañinos. El rodio, un metal más raro que el oro, tiene
su principal aplicación en convertidores catalíticos. Ayuda a convertir los óxidos de nitrógeno en nitrógeno y agua. El
paladio se utiliza a menudo como catalizador para convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono. Así que
podemos obtener emisiones de dióxido de carbono, pero al menos no tendremos monóxido de carbono, que es
mucho más letal para las personas. En un convertidor catalítico, los reactivos son gases, por lo que, se dice, el
catalizador de rodio se encuentra en una etapa diferente (ver página 34) que los reactivos. Estos tipos de
catalizadores se denominan catalizadores heterogéneos. Cuando un catalizador está en la misma fase que los
reactivos, se denomina catalizador homogéneo.
El mismo tipo de cosas suceden en algunas reacciones químicas; simplemente
no pueden comenzar sin un poco de ayuda adicional. Al igual que su compañero
de piso que da una mano con la pintura, el catalizador hace que todo parezca
requerir menos esfuerzo. De hecho, el catalizador reduce la cantidad de energía
necesaria para iniciar una reacción: crea una nueva ruta para la reacción, de
modo que los reactivos no tienen ultrapas-Richard Schrock diseña catalizadores
metálicos eficientes para las reacciones de metatesis a una barrera de energía
tan grande. Como ventaja adicional, el catalizador no es consumido por la
reacción, por lo que puede ayudar muchas otras veces.
Sólo un poco en el cuerpo, los metales de transición son a menudo utilizados
por las vitaminas debido a sus propiedades catalizadoras. La vitamina B12 fue
durante mucho tiempo el misterioso factor que se adquirió al comer hígado – "el
factor hepático" – que podría curar la anemia en perros y personas. Ayudada
por el cobalto, esta vitamina cataliza una serie de reacciones diferentes que son
importantes en el metabolismo y la fabricación de glóbulos rojos en la sangre.
Su compleja estructura fue la primera, entre las metaloenzimas, en ser
descubierta por cristalografía de rayos X (ver página 90), en una serie de
análisis exhaustivos que le valieron a Dorothy Crowfoot Hodgkin el Premio
Nobel de Química en 1964. Otras enzimas que pueden transportar metales de
transición auxiliares incluyen la citocromo oxidasa, que utiliza cobre para
extraer energía de los alimentos en plantas y animales.
"El níquel parecía... poseen una notable capacidad

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