Las reacciones químicas ocurren espontáneamente en el universo, produciendo en forma lenta sustancias sencillas. En nuestro planeta, las reacciones químicas también suceden espontáneamente, pero de manera mucho más rápida y formando moléculas más complicadas, debido sobre todo a la presencia de oxígeno en el aire y en las aguas de mares, ríos y lagos.
Así, el hierro dejado a la intemperie se cubre de una capa de herrumbre causada por la oxidación espontánea; una reacción de oxidación más vigorosa se produce con violencia explosiva, tal como ocurre con la combustión de la pólvora y de la dinamita.
Por su parte, los vegetales producen una gran variedad de compuestos utilizando como materia prima el bióxido de carbono de la atmósfera y el agua y los minerales del suelo, y como fuente de energía, la luz solar.
En cuanto a la vida animal, se mantiene gracias a la combustión lenta de los alimentos que se lleva a cabo en el organismo. En esta reacción química se produce bióxido de carbono, que se expulsa en la respiración, liberando la energía necesaria para efectuar las complejas reacciones químicas que los organismos necesitan para mantenerse vivos.
Más aún, la vida y la muerte son procesos químicos. La vida comienza con la fecundación, con la que desencadena una serie de cambios químicos que seguirán ocurriendo a lo largo de la vida; el amor, el miedo, la ambición, tienen su origen en procesos químicos; también lo tienen las enfermedades que padece todo ser vivo cuando los mecanismos normales son alterados.
En el ser humano la muerte viene cuando deja de producirse el proceso de oxidación llamado respiración; después ocurre una serie de procesos de degradación que hace que los elementos que formaron el cuerpo se vuelvan a incorporar a la tierra: el bióxido de carbono que se libera en la descomposición del organismo, asciende a la atmósfera, lugar de donde será tomado por los vegetales para elaborar de nuevo compuestos orgánicos, los cuales, al ser consumidos por los herbívoros, se incorporarán una vez más a la cadena alimenticia, reiniciándose así el ciclo vida-muerte-vida que ha venido aconteciendo en nuestro planeta desde hace millones de años.
La complicada química que se desarrolla en el cerebro ha convertido a los seres humanos en seres inteligentes y, como tales, capaces de realizar procesos químicos a voluntad en laboratorios y fábricas, con lo que logran producir en forma rápida y eficiente una gran cantidad de compuestos que incluyen materiales de construcción, alimentos y medicinas.
La habilidad que ha logrado el hombre para controlar los procesos químicos ha hecho posible el aumento de la población, ya que hoy en día es más fácil proporcionar habitación, alimento y medicinas que hace uno o dos siglos. Con esto se ha logrado también prolongar el promedio de vida. Más aún, ha hecho posible, gracias a la moderna tecnología metalúrgica y de plásticos, la producción de gran cantidad de enseres domésticos que facilitan la labor del ama de casa, a la que le queda más tiempo libre tanto para dedicarse a otras actividades como para disfrutar de las maravillas que ofrece el mundo moderno.
Por otro lado, la energía contenida en los combustibles fósiles es liberada y controlada en modernas máquinas que mueven los grandes barcos que cruzan los océanos o los rápidos aviones que permiten cruzar el Atlántico en unas cuantas horas, a diferencia del viaje transatlántico efectuado por Cristóbal Colón en 1492, en el que invirtió más de dos meses.
En el uso de los recursos energéticos del planeta, la moderna tecnología ha llevado al hombre a la exploración de los espacios extraterrestres, al estudio de la Luna, de los planetas y del cometa Halley, por ejemplo.
Con éstos y muchos más éxitos, la humanidad ha sobrestimado su poder de dominio sobre la naturaleza, y en su afán de uso y abuso de los recursos del planeta ha alterado la naturaleza con su depredación, la ha desequilibrado por medio de pesticidas que, ciertamente, han aumentado las cosechas, pero que al mismo tiempo han alterado el ecosistema. Las fábricas y vehículos automotores producen humos nocivos que contaminan la atmósfera de las ciudades y producen la lluvia ácida que seca los bosques y contamina los lagos de la nación. Lo mismo sucede en otras naciones, que reciben los humos transportados por el viento.
La máquina ha sido también aplicada a la guerra; el hombre no sólo ha empleado su potencialidad para el bienestar humano, la utiliza también para provocar su muerte.
Es, pues, imperativo que los habitantes del planeta nos unamos y tratemos de cambiar la mentalidad de los dirigentes de las naciones para que, en vez de gastar los recursos, patrimonio de la humanidad, en acumular armas para una posible destrucción, los utilicen en bien de todos, para que la vida en el planeta sea más justa, sin los grandes desequilibrios ahora existentes entre los que tienen el poder y los que carecen de él.
En 1948 el científico George Gamow postuló como origen del universo una gran explosión, que a partir de una enorme concentración de materia formó las innumerables galaxias que ahora pueblan el universo. Una de dichas galaxias es la Vía Láctea, formada por más de 100 000 millones de estrellas, entre las que se encuentra nuestro Sol.
Cuando la temperatura del universo era de alrededor de mil millones de grados, se comenzaron a formar los núcleos de los elementos. Primero se formaron los más simples, el hidrógeno (H) y el helio (He); posteriormente, en el interior de las estrellas se fueron formando los núcleos de los elementos, que actualmente forman parte de los cuerpos celestes, de nuestro planeta y de los seres vivos. Así, es posible afirmar que el origen de todo lo que nos rodea y origen de la vida misma, son las estrellas.
Después de la gran explosión el universo se ha ido expandiendo y enfriando paulatinamente hasta llegar a una temperatura de 3 K (–270 °C) que es la que tienen en la actualidad los espacios interestelares. Los elementos que existen en el universo se han ido descubriendo poco a poco. A mediados del siglo XIX se conocían 66 de ellos y varios científicos intentaron clasificarlos. El gran químico ruso Dmitri Mendeléiev (1834-1907) los ordenó de acuerdo con su peso atómico en lo que se conoce como la tabla periódica de los elementos, en la que se revela una notable periodicidad de las propiedades físicas y químicas, de manera que pudo predecir dichas propiedades en elementos aún desconocidos y que más tarde fueron descubiertos revelando gran coincidencia con las predicciones. Sin embargo, con el tiempo empezaron a aparecer algunas inconsistencias evidentes en la tabla periódica moderna (figura I.1). Por ejemplo, el argón (Ar) que ocupa el número 18 en la tabla periódica tiene un peso atómico (39.95) superior al del potasio (K) que ocupa el lugar 19 y tiene un peso atómico de 39.1 unidades de masa atómica (uma), por lo que de acuerdo con el ordenamiento por pesos atómicos sus posiciones deberían estar invertidas. Una mejor manera de ordenar los elementos es por su número atómico (Z), el cual corresponde al número de protones (peso atómico = 1 y carga +1), que contiene su núcleo, los que quedan neutralizados por igual número de electrones (peso atómico 0 y carga –1).
FIGURA I.1. La tabla periódica de los elementos.
El núcleo de los elementos contiene además de protones otros componentes de peso uno y carga cero, llamados neutrones (10n). Algunos elementos, a pesar de tener el mismo número atómico, tienen diferente peso atómico por contener en su núcleo diferente número de neutrones. A estos elementos se les llama isótopos, por ocupar el mismo lugar en la tabla periódica, por ejemplo, el carbono (C) que tiene número atómico 6 y peso atómico 12, se representa como 126C, siendo el subíndice su número atómico (Z) y el superíndice su peso atómico; cuando el núcleo del carbono adquiere un neutrón adicional tendremos el isótopo carbono-13 que se representa 136C y si adiciona un segundo neutrón tendremos el carbono-14 (146C) cuyo núcleo tiene ocho neutrones.
La tabla periódica, que hasta 1940 contaba con 92 elementos, comenzó a ampliarse con elementos obtenidos en forma sintética. En Berkeley, California, en los Estados Unidos, se sintetizaron los elementos del 96 al 106, los que se denominaron con nombres de lugares como americio, californio y berkelio; a otros, en honor a científicos notables como curio (por Marie y Pierre Curie), fermio (por Enrique Fermi) y nobelio (por Alfred Nobel).
En la década de los ochenta del siglo XX el grupo alemán de Darmstadt tomó la estafeta y comenzó a sintetizar elementos cada vez más pesados; para 1988, cuando ya habían sintetizado los elementos 107, 108 y 109, el científico Günter Herrmann, al advertir que preparar elementos más pesados se vuelve más y más difícil, mencionó que estos elementos deben existir en la naturaleza, pero en 1988 no había manera de sintetizarlos; sin embargo, ese mismo grupo en 1994 logró sintetizar los elementos 110 al 112 por medio de la fusión de cualquiera de los dos elementos estables más pesados que existen, el plomo (Pb) de Z = 82 y peso atómico 208 y el bismuto (Bi) de Z = 83 y peso atómico 209. Estos elementos, que se consideran blanco, son fundidos con otros elementos, que actúan como “proyectiles” y proporcionan sus protones, los que sumados a los del blanco darán el número requerido de protones del nuevo elemento. Para preparar el elemento Z = 110 se partió de plomo (Z = 82) con peso atómico 208 y para el elemento Z = 111 se partió de bismuto (Z = 83) con peso atómico 209. Para ambos se usó como proyectil a uno de los isótopos pesados del níquel (Ni, Z = 28) de pesos atómicos 62 y 64, respectivamente, de acuerdo con las siguientes ecuaciones:
62 28 Ni + 208 82Pb → 269110 Z + 10n
64 28 Ni + 20983 Bi → 272111 Z + 10n
Aunque en las ecuaciones señaladas su preparación se ve simple, la dificultad aumenta exponencialmente conforme aumenta Z. Para ejemplificar esta dificultad puede mencionarse que sólo una colisión en un billón entre 20983 Bi y 6428 Ni producirá el elemento 111.
No obstante las dificultades en la preparación de elementos pesados, en la primera década del siglo XXI en Dubna, Rusia, se sintetizaron los elementos 113 (Ununtrio), 114 (Ununquadio), 115 (Ununpentio), 116 (Ununhexio) y 118 (Ununoctio), dejando a la tabla periódica bastante ampliada pero con un hueco para ser ocupado por el elemento 117 (Ununseptio). Este elemento se obtuvo mediante los esfuerzos de varios laboratorios. Para su preparación se necesitaron los 20 protones del calcio-48 (4820Ca) y los 97 del elemento berkelio-249 (24997Bk), que es extremadamente difícil de sintetizar, para esto último se emplearon 250 días en el reactor del Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee, Estados Unidos, para obtener 22.2 mg de un material que enseguida fue sometido a purificación durante 90 días para producir una pequeña concentración de berkelio, cuya vida media es de 320 días, por lo que tuvo que enviarse inmediatamente al Instituto de Investigación Nuclear en Dubna, Rusia, donde fue sometido a la acción de siete trillones de iones de calcio-48 por segundo ininterrumpidamente durante cinco meses, al cabo de los cuales se obtuvieron seis átomos del elemento 117 e isótopos de los elementos ya conocidos 115, 113 y 111 pero con más neutrones, lo que les proporcionó una vida media más larga, confirmando la predicción que dice que elementos que lleguen a tener lo que se ha llamado el número mágico de 184 neutrones tendrán gran estabilidad.
Hasta el momento, la tabla periódica cuenta con 118 elementos y los científicos de Dubna consideran difícil de sintetizar el elemento 119, ya que tendrían que fundir calcio-20 con einstenio-99, el cual es muy difícil de obtener. Sin embargo, la ciencia parece no tener límites y probablemente pronto se sinteticen elementos pesados de la isla de estabilidad con 184 neutrones.
Los primeros elementos formados, que son también los más ligeros, el hidrógeno (H) y el helio (He), son los principales constituyentes del universo. El hidrógeno se encuentra en una proporción superior a 90% y el helio alrededor de 8%. Se ha demostrado que para los elementos más ligeros la estabilidad nuclear se incrementa conforme aumenta su masa atómica. Esto sugiere que cuando dos elementos ligeros se funden para dar un elemento más pesado y más estable se liberará una gran cantidad de energía. Este tipo de reacciones están sucediendo en el Sol, en donde la alta temperatura de millones de grados favorece la fusión o reacciones termonucleares en las que los isótopos del hidrógeno (deuterio y tritio) se funden para dar helio, liberando enormes cantidades de energía que genera la luz, el calor y demás condiciones para mantener la vida en la Tierra.
21H + 31H → 42He + 10n + energía
El hidrógeno, en las condiciones de nuestro planeta, se encuentra en forma de moléculas diatómicas (H2), siendo un gas más ligero que el aire, por lo que a un globo llenado con él habrá necesidad de sujetarlo o, de lo contrario, se elevará por los aires. Esta propiedad fue aprovechada por el hombre para viajar por la atmósfera. Desde finales del siglo XVII se construyeron máquinas voladoras para transportar hombres y equipo. Estas naves, llamadas dirigibles, eran peligrosas por el carácter inflamable del hidrógeno con el que se habían llenado.
El hidrógeno se combina con otros elementos formando moléculas. Cuando se mezcla con oxígeno en un soplete y se le prende fuego, arde produciendo flama de color azul pálido, liberando tal cantidad de calor que funde al hierro con facilidad, por lo que el soplete oxhídrico se usa para cortar láminas de acero. En esta reacción el oxígeno y el hidrógeno se combinan produciendo agua, que se escapa en forma de vapor.
Cuando en un recipiente cerrado se pone una unidad de peso de hidrógeno por ocho de oxígeno y se produce en su interior una chispa eléctrica, se provoca una explosión con formación de agua (figura I.2) sin gases sobrantes, pero si la cantidad de uno de los gases excede a las proporciones antes dichas, quedará el exceso sin reaccionar. A esto Proust le llamó ley de las proporciones constantes e indica que dos átomos de hidrógeno, cada uno de peso atómico 1, reaccionan con un átomo de oxígeno, con peso atómico de 16, produciendo una molécula de agua, con peso molecular de 18, y si se analiza agua sin importar su procedencia siempre se encontrará que está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.
2H2 + O2 → 2H2O + calor (fuego)
hidrógeno + oxígeno → agua + fuego
FIGURA I.2. Síntesis de agua partiendo de hidrógeno y oxígeno mediante una chispa eléctrica.
El agua, producto formado en la combustión del hidrógeno, es la molécula más abundante en la Tierra, donde se le encuentra en sus tres estados físicos: como líquido, cubriendo las ¾ partes de la superficie del planeta, constituyendo mares, ríos y lagos; como vapor, en grandes cantidades en la atmósfera, de donde se precipita como lluvia o nieve, y en su estado sólido (hielo), formando depósitos sobre las altas montañas y cubriendo las regiones polares, y en este caso en tal cantidad que, si este hielo se fundiera, el nivel del océano subiría de tal manera que inundaría la mayor parte de las ciudades costeras y gran parte de las tierras bajas, incluyendo una parte importante de Holanda, que quedarían totalmente bajo las aguas.
Esta molécula tan singular y abundante es la base de la vida: constituye más de la mitad del peso de los seres vivos. En los organismos marinos se le encuentra en una proporción de más de 90% en peso.
El agua, en estado puro, es un líquido incoloro, inodoro e insípido. Las propiedades físicas de tan importante sustancia a menudo se toman como tipo: su punto de fusión es 0 °C; su punto de ebullición a nivel del mar es de 100 °C, la mayor densidad del agua se alcanza a 4 °C, siendo de 1 g/ml; es decir, cada mililitro pesará un gramo y por lo tanto un litro pesará un kilogramo. Su calor específico es de 1 caloría por grado Celsius, por gramo (1 cal/°C·g), o lo que es lo mismo, un gramo de agua elevará su temperatura en un grado centígrado cuando se le suministra una cantidad de energía en forma de calor equivalente a una caloría. Por ejemplo, para elevar la temperatura de un litro de agua de 20 a 21 °C se necesitará suministrar una cantidad de calor equivalente a 1 000 calorías.
Como se ve, las propiedades físicas del agua son casi siempre la unidad. Esto no es accidental, pues siendo el agua el líquido más abundante y accesible, y teniendo propiedades tan singulares, no es de extrañar que se le tome como referencia para medir las de propiedades de otras sustancias, sobre todo si son líquidas.
El agua en estado sólido (hielo) es menos densa que en forma líquida. El hecho de que el hielo sea menos denso que el agua líquida tiene gran importancia en el mantenimiento de la vida en las regiones frías del planeta: cuando un lago se congela, sólo lo hace en su superficie, ya que el hielo, por ser menos denso que el agua, flota sobre ella y, por ser mal conductor del calor, aísla las capas más profundas impidiendo su congelación, con lo que se logra mantener las condiciones apropiadas para la conservación de la vida. Este hecho afortunado para la vida en el planeta tiene, sin embargo, consecuencias negativas para lo que llamamos progreso de nuestra civilización, ya que los grandes témpanos de hielo (icebergs) son un peligro para la navegación en aguas frías y han destruido muchas embarcaciones.
Más aún, el agua de las tuberías, que la conducen a nuestras ciudades, se expande al congelarse, rompiendo las tuberías; lo mismo sucede con muchos recipientes rígidos que se rompen cuando se congela el agua que contienen.
Como el agua se calienta o enfría más lentamente que el suelo, sirve para regular la temperatura. Es por eso que en las regiones alejadas del mar se tienen climas más extremosos que en las regiones marítimas.
El agua no sólo es abundante en la Tierra, también se han detectado evidencias de su presencia en otros cuerpos celestes. Por ejemplo, en Marte, aunque presumiblemente ha desaparecido de su superficie dejando vacíos los lechos de lagos y ríos, ya que la escasa gravedad del planeta (40% de la terrestre) no la pudo retener, aunque probablemente exista agua congelada en los polos, donde se encuentre mezclada con hielo seco (CO2 sólido). También puede existir debajo de la corteza marciana, ya sea como hielo en invierno o líquido en verano. El cometa Halley la contiene en forma de hielo, como revelan los últimos informes.
Una evidencia de la existencia de agua en el Marte primitivo la da el meteorito marciano ALH84001, encontrado en el continente antártico en 1984. La antigüedad del meteorito calculada por medio de lutecio-hafnio (Lu-Ha) es de 4 090 millones de años y por su naturaleza se deduce que se formó en presencia de agua.
El agua no es la única combinación que puede obtenerse entre hidrógeno y oxígeno. Existe además un compuesto que tiene un átomo de oxígeno más que el agua. La sustancia así formada es conocida como agua oxigenada, llamada con más propiedad peróxido de hidrógeno, cuya estructura es H2O2 o HO-OH. Esta sustancia, por tener un átomo de oxígeno extra, es inestable, es decir, libera oxígeno con facilidad para quedar como agua común. El agua oxigenada, por su facultad de liberar oxígeno, mata a muchos microbios por lo que se emplea como desinfectante de heridas, en cuyo contacto se puede ver al oxígeno desprenderse en forma de burbujas.
2H2O2 → 2H2O + O2
El agua oxigenada se emplea como decolorante, por lo que se utiliza, entre otras aplicaciones, para aclarar el color del cabello.
El hidrógeno se puede liberar de las moléculas en las que se encuentra combinado con otros elementos. Ya que el agua es el compuesto de hidrógeno más abundante y accesible, será la materia prima en que primero se piense para preparar hidrógeno. Como el agua está formada por átomos de hidrógeno (H), cuyo único electrón se pierde con cierta facilidad para dar iones positivos (H+) al pasar una corriente eléctrica a través del agua, es de esperarse la generación de protones que, por tener carga positiva, serán atraídos hacia el polo negativo (cátodo), donde se descargarán, liberando, por tanto, hidrógeno gaseoso (H2).
Sin embargo, existe el problema de que el agua pura es mala conductora de la corriente eléctrica, por lo que es necesario disolver en ella una base o un ácido fuerte que la hagan conductora. Al disolver, por ejemplo, ácido nítrico (HNO3), cuyo protón se separa con facilidad (HNO3 → H+ + NO3–) de los iones nitrato (NO3–), la solución se convierte en conductora. Los protones, por tener carga positiva, viajarán hacia el cátodo o polo negativo, donde se descargarán generando dos volúmenes de gas hidrógeno, mientras que en el polo positivo o ánodo se desprenderá un volumen de oxígeno gaseoso (figura I.3).
FIGURA I.3. Descomposición del agua por electrólisis.
A esta reacción se le conoce como electrólisis; es decir, ruptura de una molécula por medio de electricidad. Esta reacción no sólo se emplea para romper la molécula de agua, sino que se usa también para liberar los metales de sus sales.
Los iones metálicos (positivos) viajarán al cátodo en donde se descargan y se depositan, pudiéndose de esta manera recubrir un metal con otro. Por ejemplo, si la sal utilizada es sulfato de níquel, el ión de este metal viajará hacia el cátodo, y si éste es una pieza de hierro perfectamente limpio, se recubrirá con una capa homogénea de níquel que le dará un bonito aspecto y lo protegerá de la oxidación.
Por este procedimiento, entonces, se pueden recubrir metales con otros metales que tengan el aspecto o las propiedades físicas o químicas deseadas. Si el recubrimiento se efectúa con cromo, se tendrá el cromado; si el metal que se usa para recubrir es la plata, se tendrá el plateado; y así como estos ejemplos existen otras muchas posibilidades de usar la electrólisis para recubrir un metal con otro. La electrólisis tiene múltiples aplicaciones prácticas, entre otras, la obtención y purificación de metales. Por este procedimiento se purifica el cobre y se obtiene el aluminio.
Cuando se arroja un pequeño trozo de sodio metálico sobre agua se efectúa una reacción violenta, se desprende hidrógeno y se genera calor. En ocasiones la reacción es tan violenta que el hidrógeno liberado se incendia.
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
Una forma más moderada y fácil de controlar la reacción para preparar hidrógeno es la descomposición de un ácido fuerte por medio de un metal como fierro o zinc (figura I.4).
2HCl + Zn → ZnCl2 + H2