Química, universo, Tierra y vida
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Química, universo, Tierra y vida 51 LA CIENCIA PARA TODOS QUÍMICA ALFONSO ROMO DE VIVAR GUILLERMO DELGADO QUÍMICA, UNIVERSO, TIERRA Y VIDA La Ciencia para Todos Desde el nacimiento de la colección de divulgación científica del Fondo de Cultura Económica en 1986, ésta ha mantenido un ritmo siempre ascendente que ha superado las aspiraciones de las personas e instituciones que la hicieron posible. Los científicos siempre han aportado material, con lo que han sumado a su trabajo la incursión en un campo nuevo: escribir de modo que los temas más complejos y casi inaccesibles puedan ser entendidos por los estudiantes y los lectores sin formación científica. A los diez años de este fructífero trabajo se dio un paso adelante, que consistió en abrir la colección a los creadores de la ciencia que se piensa y crea en todos los ámbitos de la lengua española —y ahora también del portugués—, razón por la cual tomó el nombre de La Ciencia para Todos. Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, a través del mar océano, a la península ibérica, está en marcha un ejército integrado por un vasto número de investigadores, científicos y técnicos, que extienden sus actividades por todos los campos de la ciencia moderna, la cual se encuentra en plena revolución y continuamente va cambiando nuestra forma de pensar y observar cuanto nos rodea. La internacionalización de La Ciencia para Todos no es sólo en extensión sino en profundidad. Es necesario pensar una ciencia en nuestros idiomas que, de acuerdo con nuestra tradición humanista, crezca sin olvidar al hombre, que es, en última instancia, su fin. Y, en consecuencia, su propósito principal es poner el pensamiento científico en manos de nuestros jóvenes, quienes, al llegar su turno, crearán una ciencia que, sin desdeñar a ninguna otra, lleve la impronta de nuestros pueblos. Comité de selección de obras Dr. Antonio Alonso Dr. Francisco Bolívar Zapata Dr. Javier Bracho Dr. Juan Luis Cifuentes Dra. Rosalinda Contreras Dra. Julieta Fierro Dr. Jorge Flores Valdés Dr. Juan Ramón de la Fuente Dr. Leopoldo García-Colín Scherer Dr. Adolfo Guzmán Arenas Dr. Gonzalo Halffter Dr. Jaime Martuscelli Dra. Isaura Meza Dr. José Luis Morán López Dr. Héctor Nava Jaimes Dr. Manuel Peimbert Dr. José Antonio de la Peña Dr. Ruy Pérez Tamayo Dr. Julio Rubio Oca Dr. José Sarukhán Dr. Guillermo Soberón Dr. Elías Trabulse Alfonso Romo de Vivar • Guillermo Delgado QUÍMICA, UNIVERSO, TIERRA Y VIDA la ciencia/51 para todos Primera edición (La Ciencia desde México), Segunda edición (La Ciencia para Todos), Tercera edición, Cuarta edición, 1987 1999 2003 2011 Romo de Vivar, Alfonso, y Guillermo Delgado Química, universo, Tierra y vida / Alfonso Romo de Vivar, Guillermo Delgado. — 4ª ed. — México : FCE, Instituto de Química-UNAM, SEP, Conacyt, 2011. 175 p. ; ilus. ; 21 × 14 cm — (Colec. La Ciencia para Todos ; 51) Texto para nivel medio y medio superior ISBN 978-607-16-0735-5 1. Química 2. Astronomía 3. Biología 4. Divulgación científica I. Delgado, Guillermo, coaut. II. Ser. III. t. LC QD31 Dewey 508.2 C569 V.51 Distribución mundial La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Secretaría de Educación Pública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. Diseño de portada: Laura Esponda D. R. © 2011, Universidad Nacional Autónoma de México Instituto de Química Ciudad Universitaria, 04510 México, D. F. D. R. © 1987, Fondo de Cultura Económica Carretera Picacho-Ajusco, 227; 14738 México, D. F. Empresa certificada ISO 9001:2008 Comentarios: [email protected] www.fondodeculturaeconomica.com Tel. (55) 5227-4672; fax (55) 5227-4640 Se prohíbe la reproducción total o parcial de esta obra, sea cual fuere el medio, sin la anuencia por escrito del titular de los derechos. ISBN 978-607-16-0735-5 Impreso en México • Printed in Mexico ÍNDICE Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I. Átomos y moléculas en el universo . Hidrógeno . . . . . . . . . . . . . Helio . . . . . . . . . . . . . . . . La atmósfera primitiva de la Tierra Componentes del cuerpo humano Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 24 33 34 36 37 II. El átomo de carbono, los hidrocarburos y otras moléculas orgánicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . Isótopos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El carbono en estado libre . . . . . . . . . . . . . Compuestos del carbono . . . . . . . . . . . . . Los cometas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Compuestos oxigenados del carbono . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 41 43 47 58 60 71 III. La radiación solar y las reacciones fotoquímicas Reacciones fotoquímicas . . . . . . . . . . . Celdas fotovoltaicas . . . . . . . . . . . . . . Fotosíntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 . . . . . . . . 73 77 79 81 9 Formación de azúcares y otros compuestos orgánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV. La energía de los compuestos orgánicos La hemoglobina . . . . . . . . . . . . El cerebro humano . . . . . . . . . . . Descubrimiento del fuego . . . . . . . Envejecimiento . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . 85 86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 88 91 94 96 97 V. Usos mágicos y medicinales de las plantas Flora mexicana . . . . . . . . . . . . . . Flora sudamericana . . . . . . . . . . . Química de productos naturales . . . . Zoapatle . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 102 105 106 111 113 VI. Fermentaciones y modificaciones químicas Pulque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Colonche . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tesgüino . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pozol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fermentación alcohólica . . . . . . . . . Fermentación láctica . . . . . . . . . . . . Otras fermentaciones . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 116 118 119 119 120 121 121 123 VII. Jabones, saponinas y detergentes . . . . . . . . . Saponificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acción de las impurezas del agua sobre el jabón . Detergentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saponinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 126 127 128 131 134 10 VIII. Hormonas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Crecimiento y supervivencia de las plantas . . . . Mensajeros químicos en insectos y plantas . . . . Hormonas sexuales en los seres humanos . . . . Esteroides con actividad anabólica . . . . . . . . Hormonas humanas a partir de sustancias vegetales Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX. Guerras químicas, accidentes químicos . . . Guerra química en la naturaleza . . . . . . Uso de sustancias químicas para la guerra . Sustancias tóxicas en accidentes industriales Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 135 141 145 150 152 156 158 158 161 172 173 Abreviaturas de las publicaciones referidas . . . . . . . . . 175 11 Recuerda, hombre, que polvo eres y en polvo te convertirás. INTRODUCCIÓN 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 se15 rie 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 16 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. 17 I. Átomos y moléculas en el universo 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 19 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). 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). 20 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 64 Ni + 208 82Pb → 269110 Z + 10n Ni + 20983 Bi → 272111 Z + 10n 28 28 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 21 ROMO DE VIVAR_Química,Universo,Tierra_PDF_GHG.indd 21 08/11/11 01:21 p.m. Aunque pasen inadvertidas, la vida cotidiana está conformada por un sinnúmero de reacciones químicas, que abarcan lo mismo los complejos procesos fisiológicos del ser humano, que la elaboración de los alimentos que consume y los medicamentos que combaten las enfermedades, e incluso la fabricación de productos de uso diario como los jabones y los cosméticos. No obstante, la investigación y el empleo del conocimiento químico no ha involucrado siempre un beneficio para la humanidad, pues el hombre ha inventado también poderosas herramientas de muerte como las armas nucleares o las bioquímicas, que además han dañado nuestro entorno. Así, esta obra invita al lector a descubrir que la ciencia puede hallarse en los lugares más insospechados, y con ello a formar conciencia sobre las repercusiones de su uso en nuestra vida diaria. Alfonso Romo de Vivar es doctor en química orgánica e investigador emérito por la unam, además de ser fundador de la Revista Latinoamericana de Química. Ha sido merecedor del Premio Nacional de Química (1977) y del Premio Mario Molina (2011). Guillermo Delgado es químico egresado de la unam y se ha desempeñado como editor de la Revista de la Sociedad Química de México. En 2003 recibió el Premio Nacional de Química. 51 9 786071 607355 www.fondodeculturaeconomica.com LA CIENCIA PARA TODOS
