Introducción a la Química

Cosmetología.
Tema 1: Introducción a la Química.
Jorge Martínez Fraga.
Nivel Medio • CFGM de Peluquería • 14 de abril de 2012
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Contenido
Introducción a la Química.!
6
Los inicios de la química.
6
Breve Historia de la Química Moderna.
7
Inicios: la “Leyes Ponderales”.
7
Las primeras Teorías Atómicas.
8
Estructura Del Átomo.
8
La Tabla Periódica.
10
Del Átomo A La Molécula.
12
Enlace químico.
13
Formulación inorgánica.
14
Óxidos.
15
Anhídridos.
15
Hidrácidos.
15
Hidruros.
16
Otros compuestos binarios con Hidrógeno.
16
Sales binarias.
16
Otros compuestos binarios.
16
Hidróxidos.
17
Oxácidos o ácidos ternarios.
17
Sales ternarias.
17
Sales ácidas.
17
Peróxidos.
18
Formulación orgánica.
18
Hidrocarburos.
20
Alcoholes.
21
Éteres.
21
Aldehidos.
21
Cetonas.
22
Ácidos orgánicos.
22
Ésteres y sales orgánicas.
23
Derivados del benceno.
23
Tioles.
24
Aminas.
24
Amidas.
25
Nitroderivados.
25
Nitrilos.
25
Derivados sulfónicos.
25
Compuestos con varios grupos funcionales.
26
Moléculas con carga eléctrica.
26
Reacciones químicas.
26
Introducción.
26
Oxidación.
27
Reducción.
28
Reacciones ácido-base.
28
Polimerizaciones.
29
Mezclas de sustancias.
30
Introducción.
30
Sistemas homogéneos: disoluciones.
30
Sistemas heterogéneos.
31
Introducción.
31
Suspensiones y sistemas coloidales.
32
Emulsiones.
33
Tensoactivos.
34
Emulsiones de más de dos fases.
38
Microemulsiones.
39
Otras emulsiones.
39
Geles.
39
Espumas.
40
Aerosoles
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Introducción a la Química
Cosmetología
Introducción a la Química.
Breve introducción a la Química.
LOS INICIOS DE LA QUÍMICA.
El diccionario de la Real Academia de la Lengua define Química como la ciencia experimental
que se estudia las transformaciones de unas sustancias en otras, sin que se alteren los
elementos que las integren.
La química forma parte de la naturaleza y como tal ha sido compañera inseparable del hombre
desde sus inicios. Ya en la Edad de Piedra, los humanos consiguieron dominar el fuego,
realizaban mezclas para lograr pigmentos y colorantes. Y posteriormente aprendieron a
trabajar los metales, consiguiendo aleaciones, dando dureza y forma a sus herramientas.
El alquimista, de David Teniers (Jr.)
Aunque el ser humano siempre se ha tratado de entender la naturaleza y los procesos que la
rigen, no puede hablarse de química, al menos en sentido estricto, hasta mediados del siglo
XVIII. En esta época coincidirá el auge de un grupo de científicos con buenas ideas; y un
avance tecnológico que les permitirá trabajar en sus investigaciones desde un nuevo punto de
vista y con mayor fiabilidad: la balanza de precisión.
La balanza de precisión ayudará a estos pioneros de la química a realizar mediciones muy
exactas, y con ello enunciarán una serie de leyes que, al derivarse de la utilización de este
aparato se conocen como Leyes Ponderales de la química (ponderal: perteneciente al peso).
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Breve Historia de la Química Moderna.
Inicios: la “Leyes Ponderales”.
Gracias al desarrollo de la balanza de precisión Lavoisier (1743-1794), considerado el padre de
la química moderna, enunciará su “Ley De La Conservación De
La Masa” según la cual la cantidad de materia es igual al final y al
comienzo de una reacción química.
La ley en concreto reza: “En toda reacción química la masa se
conserva, esto es, la masa total de los reactivos es igual a la masa
total de los productos”.
También aclararía el concepto de elemento químico,
definiéndolo como una sustancia simple que no podía ser dividida por ningún método.
Posteriormente, J. L. Proust (1754 - 1826) enunciaría la “Ley De Las Proporciones
Definidas”, la cual explica que las sustancias se mezclan para formar compuestos lo hacen con
una proporción o unas pocas proporciones fijas.
La ley dice exactamente: “Los elementos se combinan para formar compuestos y lo hacen
siempre en proporciones fijas y definidas”.
Por ejemplo, el oxígeno y el hidrógeno se mezclarán siempre en una cantidad fija para formar
agua (unos 8 gramos de oxígeno por cada gramo de hidrógeno).
John Dalton (1766 – 1844), además de postular una de las leyes ponderales de la química, fue
el artífice de uno de los primeros modelos atómicos serios y basados en resultados
experimentales. A él debemos el concepto de átomo, que rescató
de antiguas teorías griegas.
La ley de Dalton es conocida como “Ley De Las Proporciones
Múltiples”. Esta ley dice que: “Las cantidades de un mismo
elemento que se unen con una cantidad fijada de otro elemento
para formar en cada caso un compuesto distinto están en la
relación de números enteros sencillos”.
El desarrollo de esta ley llevaría a J. Dalton a enunciar su teoría
atómica.
J. B. Ritcher (1762 – 1807) enunciaría la “Ley De Las Proporciones Recíprocas”, que dice
que: “Los pesos de diferentes elementos que se combinan con un mismo peso de un elemento
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dado, dan la relación de pesos de estos elementos cuando se combinan entre sí o bien
múltiplos o submúltiplos de estos pesos”.
Las primeras Teorías Atómicas.
Una cuestión que trató de resolverse durante esa época versaba sobre la continuidad de la
materia. Es decir, ¿es la materia continua, y podríamos dividirla sin límite si tuviésemos la
tecnología adecuada? ¿o por el contrario la materia está constituida al final por subunidades
indivisibles?
El debate venía de antiguo. Uno de los primeros conceptos de materia lo estableció el filósofo
griego Aristóteles (384 - 322 a.C.). Otro filósofo griego, Demócrito (460 - 370 a.C.) había
postulado que todo el universo estaba constituido por partículas indivisibles que
interaccionaban entre si llamadas átomos (de hecho, átomo es una palabra que deriva del
griego, atoma, que significa indivisible).
La primera teoría atómica empírica, es decir, basada en experimentos serios, sería enunciada
por J. Dalton (1766 - 1844). Explicaba que la materia está formada por partículas de muy
pequeño tamaño, indivisibles, que denominó con el mismo término que había usado
Demócrito: átomos. Estos átomos se unen entre si de formas definidas y constantes para
formar las sustancias más complejas. Por ejemplo, el agua está formada por átomos de
oxígeno y por átomos de hidrógeno que se unen siempre de una forma definida para formar la
molécula de agua. En este caso, un átomo de oxígeno se une con dos de hidrógeno para
formar moléculas de agua.
Los átomos se unirían entre los unos con otros mediante anclajes muy fuertes que
denominamos enlace químico.
En resumen, todas las cosas que vemos y tocamos, todo lo que nos rodea, desde una mesa o
una silla a una piedra, cualquier ser vivo o inerte, nuestro propio cuerpo, está formado, de
forma más íntima, por elementos muy simples que denominamos átomos.
Estructura Del Átomo.
Ahora nos podemos preguntar ¿cómo son los átomos? ¿son los átomos de todas las sustancias
iguales, o cada sustancia está constituida por su propio tipo de átomos? ¿cómo es posible que
algo tan elemental como un átomo de lugar a toda la variedad de materia que existe? ¿existe un
número ilimitado de átomos diferentes, o por el contrario solo existe unos pocos?
Lógicamente, no existe un átomo diferente para cada tipo de materia o sustancia diferente;
sería como suponer que existe un número infinito o casi infinito de átomos. Sin embargo,
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tiene que haber más de un tipo de átomos, ya que si no, ¿cómo sería posible que existiera la
variedad de materia que existe? ¿en qué se diferenciaría una barra de hierro de un trozo de
madera si todos los átomos que lo componen fueran exactamente iguales?
En realidad existe un número relativamente pequeño de átomos, concretamente existen algo
más de 100 átomos diferentes, que combinados de diferentes maneras, darán lugar a toda la
materia existente.
Existen sustancias que están compuestas por un solo tipo de átomos. Por ejemplo el helio con
el que llenamos los globos está formado por un solo tipo de átomo, átomos de helio. A las
sustancias que están compuestas por un solo tipo de átomos se les denomina elementos
químicos. Lógicamente existe alrededor de 100 tipos de elementos químicos diferentes, uno
por cada tipo de átomo.
Una vez sabemos que la materia está constituida por partículas simples e indivisibles llamados
átomos, el siguiente paso de la investigación en química se dirigió en averiguar cuál era la
estructura de esos átomos.
El primer modelo atómico serio lo postuló E. Rutherford (1871 - 1937). Con diversos
experimentos intuyó que los átomos estaban divididos en dos partes, el núcleo, en el centro,
que poseía la mayor parte de la masa del átomo y
carga positiva, y la corteza, en la que se movían a
gran velocidad unas partículas con muy poca
masa, y que poseían carga eléctrica negativa.
Lógicamente, para que el átomo no se encontrara
cargado eléctricamente, la carga positiva del
núcleo debe compensarse con exactamente la
misma cantidad de carga negativa en la corteza.
En ocasiones los átomos se encuentran cargados eléctricamente. Si un átomo posee más
protones que electrones, tendrá carga positiva (y se denominará catión). Si un átomo tiene
más electrones que protones, tendrá carga negativa ( se le denominará anión).
A las partículas con carga positiva que se encontraban en el núcleo se les denominó protones.
A las partículas con carga negativa que se encontraban en movimiento en la corteza del átomo
se les denominó electrones. La suma de la carga eléctrica de los electrones y los protones de
un átomo en equilibrio debe ser cero, por lo tanto en los átomos en equilibrio existe el mismo
número de protones que de electrones.
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Posteriormente se comprobó que en el núcleo también existían un grupo de partículas que no
tenían carga eléctrica negativa ni positivas, y cuya masa era igual a la de los protones (es decir,
eran protones sin carga eléctrica), y se les denominó neutrones.
En resumen, un átomo está formado por un núcleo con carga positiva, formado por protones
y neutrones, y una corteza formada por partículas de carga negativa y muy poca masa, en
movimiento, y que se denominan neutrones. Todas ellas son las denominadas partículas
subatómicas.
Los protones, neutrones y electrones de todos los átomos son iguales entre si. Por lo tanto,
dos átomos solo pueden diferenciarse en el número de protones y electrones que contienen.
El número de neutrones, por se más bajo, no resulta tan importante.
Por ejemplo, el hidrógeno está constituido por un núcleo que contiene un protón y una
corteza que contiene un sólo electrón en movimiento. El helio está constituido por un núcleo
con dos protones y uno o dos neutrones y una corteza con dos electrones. El carbono tiene un
núcleo con 6 protones y 6 neutrones y una corteza con 6 electrones.
N. Bohr (1885 - 1962) fue el principal
investigador que explicó la estructura del
átomo, describiendo la manera de moverse de
los electrones, y explicando como y porqué se
unen los átomos entre si formando enlaces.
Los estudios posteriores de Heisemberg, Plank,
de Broglie y Schrödinger darían lugar a la actual
teoría atómica, aun en revisión, denominada
Mecánica Cuántica.
La Tabla Periódica.
Para facilitar su estudio, los elementos químicos se organizan en una tabla denominada tabla
periódica de los elementos. La actual tabla periódica deriva de
los estudios de los elementos químicos realizados por D. I.
Mendeléiev (1835 - 1907) y J. L. Meyer (1830 - 1895).
Lógicamente, como un elemento es una sustancia que está
compuesta solo por un tipo de átomos, normalmente no se
habla de átomo, sino de elementos químicos, que son los que
encontramos en la naturaleza. Por eso se habla de tabla de los
elementos.
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En la tabla los elementos se organizan de menor a mayor número atómico, o lo que es lo
mismo, de menor a mayor número de protones y electrones. De esta forma, el primer
elemento de la tabla es el Hidrógeno, que tiene un protón y un electrón, el segundo el Helio,
que tiene dos protones y dos electrones, etc.
Sin embargo la tabla no es cuadrada, sino que tiene una forma relativamente irregular. En
concreto, la tabla se organiza en columnas (18 columnas): los elementos en la misma columna
tendrán propiedades semejantes los unos a los otros. Esta organización permite el fácil
estudio de los elementos químicos, ya que elementos próximos entre si en la tabla, tendrán
propiedades similares.
Existen una serie de elementos que se organizan aparte de los demás, llamados elementos de
transición interna, y que se caracterizan por ser radioactivos, extraños y muy poco abundantes
en la naturaleza.
Los elementos de la columna de la derecha se denominan gases nobles; son gases que no
reaccionan con ningún otro elemento para formar moléculas. Por lo tanto son muy estables.
Los elementos de la parte superior derecha son los no metales; por ejemplo cloro, oxígeno,
nitrógeno...
En el centro y la izquierda se encuentran los metales. Los del centro son los metales clásicos:
oro, hierro, cinc. A la izquierda, los elementos metálicos que no tienen características físicas
típicas de los metales, como por ejemplo el litio, el calcio o el magnesio. La única excepción
es el hidrógeno, que se localiza en primer lugar entre los metales, sin presentar ninguna de
sus características (no lo podemos considerar un metal).
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Los elementos químicos no se representan, normalmente, con su nombre completo, sino con
unas siglas, compuestas por una letra mayúscula o una letra mayúscula y una minúscula. Es un
lenguaje químico universal, que nos sirve para representar las fórmulas. Por ejemplo el
hidrógeno se representa con la H, el hierro Fe (del latín Ferrum), el oxígeno O, etc.
Del Átomo A La Molécula.
Los átomos se combinan entre si para formar moléculas. Es decir, las moléculas están
formadas por la unión de varios átomos. Los más de 100 elementos químicos forman una
especie de abecedario, y la unión de varios de estos podrá formar infinidad de moléculas
diferentes.
Los átomos, al igual que las letras cuando forman palabras, no pueden unirse de cualquier
forma para formar las moléculas. Lo hacen mediante proporciones definidas. Por ejemplo, el
oxígeno cuando se une con el hidrógeno, solo lo hace de dos formas concretas: dos átomos de
hidrógeno con uno de oxígeno para formar agua, o dos átomos de hidrógeno con dos de
oxígeno para formar peróxido de hidrógeno (más conocido como agua oxigenada).
La fórmula química de la molécula se realizará poniendo las siglas de los elementos que la
forman con el número de átomos de cada uno en minúscula, en la parte inferior. Si el número
de moléculas es uno, no se pone ningún número. Es decir, el agua sería H2O. El agua
oxigenada sería H2O2.
Los átomos se unen entre si para formar moléculas mediante enlaces conocidos como enlaces
químicos.
Al estudio de la composición de las diferentes
moléculas se denomina formulación. Se trata
de una serie de reglas que siguen los
elementos al unirse unos con otros. Los
átomos no se unen los unos con otros de
cualquier manera, sino que cada átomo tiene
tendencia a unirse con un número determinado
de otros átomos; es lo que se denominan valencias de los elementos químicos.
Existen dos grandes tipos de formulación: la inorgánica y la orgánica.
En sus inicios se establecía como diferencia entre ambas en que la inorgánica formula
sustancias que no precisan la intervención de seres vivos para su formación, mientras que la
orgánica si requiere la presencia de seres vivos. Pero esas definiciones se han quedado
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obsoletas con el tiempo, ya que hoy por hoy es posible obtener en los laboratorios
compuestos orgánicos, sin que medie ningún ser vivo.
Hablamos de formulación orgánica aquella basada en la formación de cadenas de carbono,
mientras que en la inorgánica no entran en juego estas cadenas de carbono.
Los compuestos inorgánicos son mucho más sencillos y existen poca variedad de sustancias
inorgánicas (unos pocos cientos). En cambio, las sustancias orgánicas son, en general, mucho
más complicadas; y existe un número casi infinito de sustancias orgánicas diferentes; entre
ellas, todas las que forman los seres vivos.
Enlace químico.
Las moléculas se mantienen gracias a los enlaces químicos que se establecen entre sus
átomos. Es decir, los átomos se unen entre si por medio de enlaces químicos para formar las
moléculas.
Podemos hablar de dos grandes tipos de enlaces: los enlaces fuertes y los enlaces débiles.
En cuanto a los enlaces fuertes, existen tres tipos fundamentales de enlace químico entre
átomos. Veamos un resumen de los mismos:
• Enlace iónico: el enlace iónico se establece cuando un átomo adquiere carga positiva, otro
átomo adquiere carga negativa y ambos se unen por la atracción de ambas cargas. Por
ejemplo, el cloruro sódico o sal, cuya fórmula es NaCl está formado por la unión de un
átomo de sodio con carga positiva, Na+ con un átomo de cloro con carga negativa, Cl-.
• Enlace covalente: en el enlace covalente los átomos no adquieren carga eléctrica. Lo que
ocurre es que comparten electrones entre si. Es decir, la molécula estaría formada por dos
átomos cuyas cortezas se fusionan, compartiendo un cierto número de electrones entre
ambos átomos. Este sistema en el que se comparten electrones hace que la molécula sea
muy estable. El enlace covalente es, en general, más fuerte que el iónico. Por ejemplo, los
enlaces que se forman entre el hidrógeno y el oxígeno en el agua son covalentes. También
los que unen los átomos de carbono entre si para formar la red tridimensional
extremadamente ordenada que conforma los diamantes.
• Enlace metálico: el enlace metálico se establece, como su nombre indica, entre metales.
En este caso también se comparten electrones, pero entre muchos átomos y dejando los
electrones muy libres. Esto provoca que los electrones sean muy móviles y por eso los
compuestos con enlace metálico conducen muy bien la electricidad.
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En cuanto a los enlaces débiles, tienden a formarse entre moléculas, no entre átomos sueltos.
Los dos enlaces débiles más importantes son los que siguen:
• Enlace de puente de hidrógeno: el enlace de puente de hidrógeno no se establece entre
átomos, sino entre moléculas. Se establece entre moléculas que no tienen una carga
eléctrica grande, pero si un pequeño esbozo de carga eléctrica denominado polaridad. Por
ejemplo, en el agua el hidrógeno no tiene carga eléctrica neta, pero tiene una pequeña
polaridad positiva δ+. Y el oxígeno tiene una pequeña polaridad negativa δ -. Eso hace que
el oxígeno de una molécula y los hidrógenos de otras se atraigan entre si, formando unos
pequeños enlaces muy débiles pero, sumados todos, bastante importantes. Los puentes de
hidrógeno son los que permiten, por ejemplo, que el agua sea un líquido en lugar de un gas
(si no hubiese puentes de hidrógeno, el agua sería un gas a temperatura ambiente).
• Fuerzas de Van der Waals: son también enlaces muy débiles que se dan entre moléculas y
que hacen que se mantengan unidos. Se basa en que algunas moléculas adquieren
polaridad durante unos instantes, perdiéndose esa polaridad al poco tiempo. Pero como
un compuesto tiene muchos millones de moléculas, cuando las moléculas tienen esta
propiedad de formar lo que se denomina dipolos instantáneos, estas se mantienen un poco
más unidas, consiguiéndose que sustancias que se esperaría que fueran gaseosas
aparezcan como líquidas o que sustancias que cabría esperar que fueran líquidas son en
realidad sóldias.
Formulación inorgánica.
Comencemos con la formulación inorgánica. Para facilitar el estudio de las sustancias, se las
suele dividir en diferentes tipos, cuya fórmula general es similar entre si. Y en general, sus
propiedades químicas también serán similares.
A continuación analizaremos estos grupos de sustancias. Indicamos el nombre genérico de
cada uno de los grupos. Señalaremos cuál es la fórmula general, es decir, que observando
cualquier compuesto, sabremos si pertenece a un grupo químico determinado al compararlo
con ésta. Las siglas a sustituir son las siguietes:
O - Oxígeno
H - Hidrógeno
M - Metal (Elemento químico metálico)
X - No Metal (Elemento químico no metálico)..
La a, b, c minúscula se sustituiría con se sustituirían por números en la fórmula.
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Introducción a la Química
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Posteriormente se escriben uno o dos ejemplos de compuestos característicos de cada grupo
y algunas de las características más importantes de cada uno de los grupos, o al menos las
características de muchos de los compuestos que entran a formar parte de ese grupo.
Óxidos.
Provienen de la oxidación de elementos metálicos (aunque también encontraremos
denominaciones de óxidos a la oxidación de algunos elementos no metálicos). Por lo tanto su
fórmula general es:
MaOb
Dado que la mayor parte de los metales tienen especial facilidad para oxidarse, los óxidos son
sustancias químicas muy frecuentes. Sólo debemos dejar hierro (Fe) a la intemperie y el
oxígeno del aire se encargará de transformarlo en alguno de los dos óxidos de hierro más
habituales en la naturaleza (FeO y Fe2O3). También son habituales los óxidos de metales de
los grupos 1 y 2, como el óxido de calcio , también llamado cal viva (CaO).
Anhídridos.
Los anhídridos son similares a los óxidos, pues son moléculas formadas por oxígeno unido a
otro compuesto. Pero en este caso, el acompañante debe ser, forzosamente, un no metal. La
mayor parte de los anhídridos son también conocidos como óxidos. La fórmula general, será,
por lo tanto:
XaOb
Al igual que los óxidos, son sustancias muy comunes, con ejemplos muy frecuentes, como el
anhídrido carbónico (CO2) o el anhídrido sulfuroso (SO2).
Hidrácidos.
Cuando algunos no metales se unen al hidrógeno dan lugar a compuestos denominados
hidrácidos. No todos los no metales dan lugar a hidrácidos (pero ningún metal dará lugar a un
hidrácido), por lo tanto no existe gran variedad, pero algunos son muy importantes. Son
importantes por su marcado carácter ácido (de ahí su nombre).
Su fórmula general sería:
HaX
Los hidrácidos más importantes son el ácido sulfhídrico (H2S) y el ácido clorhídrico (HCl).
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Introducción a la Química
Cosmetología
Hidruros.
Los hidruros se forman cuando combinamos hidrógeno con un metal. Su fórmula general
sería, por lo tanto:
HaM
Se trata de compuestos poco frecuentes y en general inestables. Como ejemplos podemos
nombrar al hidruro de sodio (HNa) o al hidruro de calcio (H2Ca).
Otros compuestos binarios con Hidrógeno.
Existen otros compuestos binarios con hidrógeno que no entran dentro de las categorías
anteriores, pero de los que debemos hablar porque son especialmente importantes.
Cuando el nitrógeno se une con el oxígeno forma un compuesto que no se considera ni óxido,
ni anhídrido, ni hidrácido. Su fórmula general es H2O y todos conocemos este compuesto por
su nombre común: agua.
Algo parecido pasa con el nitrógeno. La combinación de nitrógeno e hidrógeno da lugar a un
compuesto cuya fórmula es NH3 y que es conocido como amoniaco.
Existen más ejemplos, como la fosfina (PH3) o la arsina (AsH3).
Sales binarias.
Las sales binarias se forman al combinarse un metal con un no metal. Su fórmula sería, por lo
tanto:
MaXb
Existe multitud de sales binarias. Se trata de compuestos muy comunes, habituales en la
naturaleza. Un ejemplo típico, la sal de cocinar, el cloruro sódico (NaCl), aunque existen
multitud de ejemplos más, como el sulfuro de calcio (CaS), o el yoduro potásico (KI).
Otros compuestos binarios.
Existen otros compuestos binarios que se pueden formar bien por la unión de varios metales
entre si (formando, por ejemplo, aleaciones), o bien de varios no metales entre si (como por
ejemplo el sulfuro de selenio (SSe), muy usado en el champú anticaspa). Dado que este tema
trata solo de introducción a la química, prescindiremos de estos compuestos, por no ser
especialmente abundantes.
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Introducción a la Química
Cosmetología
Hidróxidos.
En los hidróxidos encontramos un grupo formado por hidrógeno y oxígeno que se une a un
metal. El grupo formado por hidrógeno y oxígeno se escribe entre paréntesis. De esta forma,
un hidróxido tendrá la siguiente fórmula general:
X(OH)a
Poseen un marcado carácter alcalino (básico), por lo que son reactivos químicos muy
habituales. Destacan, entre otros, el hidróxido de sodio, más conocido como sosa caústica
(Na(OH)), o el hidróxido de calcio, más conocido como cal muerta (Ca(OH)2).
Oxácidos o ácidos ternarios.
Los oxácidos son compuestos ternarios (tres elementos diferentes), en los que un no metal se
combina con oxígeno y con hidrógeno. La fórmula general es la siguiente:
HaXbOc
Como su nombre indica, son compuestos de carácter ácido, alguno de ellos muy importantes
y con multitud de aplicaciones químicas. Destacan el ácido sulfúrico (H2SO4), el ácido
fosfórico (H3PO4), o el ácido carbónico (H2CO3).
Sales ternarias.
Derivan de los oxácidos, en los cuales se sustituye el oxígeno por algún metal. Su fórmula
general, por lo tanto, será la siguiente:
MaXbOc
Se forman fácilmente haciendo reaccionar los ácidos con los metales y dado que existe una
gran variedad de ácidos y una aun mayor variedad de metales, las sales ternarias son
compuestos especialmente abundantes, muchas de ellas de gran importancia en la química.
Destacan, por ejemplo, el carbonato de calcio (CaCO3), el sulfato de magnesio (MgSO4) o el
fosfato de sodio (Na3PO4).
Sales ácidas.
Cuando los oxácidos tienen más de un hidrógeno puede suceder que, al formar la sal, solo se
sustituya alguno de los hidrógenos por el metal, quedando otro de los hidrógenos en el
compuesto. Esto constituirán las denominadas sales ácidas. Su fórmula general es:
MaHbXcOd
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Introducción a la Química
Cosmetología
Existen sales ácidas de uso común. Un ejemplo es el carbonato ácido de sodio o bicarbonato
de sodio (NaHCO3). Las sales ácidas del ácido fosfórico son importantes para la realización de
disoluciones tampón, que veremos más adelante en este tema.
Peróxidos.
No se trata de un grupo químico especialmente abundante, pero si es de especial importancia
en la cosmetología.
Se trata de compuestos similares a los óxidos, es decir, con oxígeno unido a un metal, o en
ocasiones a un no metal. Pero en estos compuestos el oxígeno viene siempre por partida
doble y con una proporción diferente a la de los óxidos. Su fórmula general sería la siguiente:
XaO2
Existen varios peróxidos, todos ellos caracterizados por su inestabilidad, pues se
descomponen con mucha facilidad. El peróxido más conocido y del que hablaremos en varias
ocasiones a lo largo de los temas es el peróxido de hidrógeno (H2O2), más conocido como
agua oxigenada.
Formulación orgánica.
Como decíamos, la formulación orgánica se basa en la formación y modificación de cadenas
de carbono.
El carbono es un elemento químico que, por su estructura atómica, permite la formación de
cuatro enlaces a su alrededor. Se podría representar de la siguiente forma:
Podríamos unir de esta forma cuatro átomos diferentes, uno a cada uno de los enlaces que
salen del mismo. Y si uniésemos otro carbono, podríamos ir haciendo una cadena de
carbonos. Esa es la base de la química orgánica. Podría expresarse de la siguiente manera:
Los enlaces que se quedan sin unir a otro carbono no pueden quedar sueltos, deben tener
algo unido.
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Introducción a la Química
Cosmetología
Generalmente, estos enlaces sueltos se completan uniéndose a ellos hidrógenos, quedando la
molécula final de la siguiente forma:
No obstante, esta es solo una posibilidad, y a los enlaces sueltos se les pueden unir otros tipos
de elementos o moléculas, como oxígeno, nitrógeno, azufre, etc.
Veamos un ejemplo:
En este caso, el tioetanol, en uno de los enlaces se ha cambiado el hidrógeno por azufre, y en
otro se ha cambiado el hidrógeno por oxígeno. Como al azufre y el oxígeno les quedaban
también enlaces libres, deben rellenarse, y normalmente se completa con hidrógeno.
En ocasiones el carbono no realiza cuatro enlaces independientes, sino que se une a otra
molécula usando dos de los enlaces. Es lo que se denomina enlace doble o doble enlace. Lo
más sencillo es verlo con un dibujo:
Como podemos ver, de cada carbono salen dos enlaces hacia el otro carbono: eso es el doble
enlace. Faltan otros dos enlaces en cada carbono, y lógicamente esos deben ser ocupados por
algo; en este caso, por hidrógeno.
El doble enlace se diferencia del enlace simple en que es mucho más fuerte.
Una tercera opción es el triple enlace, que es como el doble enlace, pero en este caso se
agrupan tres enlaces en uno, quedando libre en cada carbono un solo enlace. Volvamos a
verlo mediante un sencillo dibujo:
Evidentemente, el triple enlace es más fuerte que el doble enlace y que el enlace sencillo.
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Introducción a la Química
Cosmetología
De forma similar a lo que ocurre en la química inorgánica, en la química orgánica podemos
establecer varios tipos de grupos químicos. Pero en este caso son un poco más complejos.
Además, en una misma molécula puede haber varios grupos químicos diferentes.
El compuesto químico se nombrará siempre comenzando por el grupo químico más
importante (en la tabla que estudiaremos a continuación, los grupos químicos están
ordenados de menor a mayor importancia, más o menos).
Hidrocarburos.
Los hidrocarburos son cadenas lineales o ramificadas de carbono y completadas únicamente
por hidrógeno.
Los hidrocarburos más sencillos son aquellos en los que todos los carbonos se unen entre si
por enlaces simples. Se habla entonces de alcanos.
La molécula representada es el 4-etil-2, 3, 3, 6-tetrametilhexano. Existen alcanos muy
comunes y usados en la vida diaria, como el metano, el propano o el butano (combustibles), o
las ceras, que suelen ser mezclas de alcanos de cadena larga.
Si apareciese algún doble enlace en la molécula (uno o varios carbonos unidos por dobles
enlaces), hablaríamos de alquenos.
La molécula aquí representda se denominaría 4-etil-2-hepteno.
Si en la molécula apareciese uno o varios enlaces triples, entonces hablaríamos de alquinos.
El compuesto representado corresponde al 4-metil-2-pentino.
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Introducción a la Química
Cosmetología
Puede suceder que la cadena de carbonos se cierre sobre si misma. Hablamos entonces de
cicloalcanos, o si apareciesen dobles o triples enlaces cicloalquenos y
cicloalquinos respectivamente. En la figura adyacente vemos el ciclobutano.
Existe un compuesto cíclico de especial importancia, con
seis carbonos y en los que se alternan enlaces dobles y
sencillos. Se denomina benceno y reviste existen toda una serie de productos
que veremos más adelante como compuestos derivados del benceno.
Alcoholes.
Los alcoholes son moléculas orgánicas con el grupo funcional -OH. Se trata de compuestos
orgánicos muy frecuentes, como ocurre con el metanol, el etanol, o la
glicerina. La fórmula adyacente es, concretamente, el etanol.
Este otro ejemplo, un poco más complicado, es el 2-metil-4-heptanol.
Éteres.
Los éteres llevan un grupo -O- en medio de la molécula, es decir, un oxígeno (que tiene dos
enlaces, con lo que se unirá a dos carbonos).
Esta fórmula corresponde al etilpropiléter (o 2-oxopentano). Pero el más conocido es el éter
etílico, conocido simplemente como éter, usado antiguamente como anestésico.
Aldehidos.
Los aldehidos tienen un grupo funcional -CHO. La fórmula desarrollada del grupo sería
como sigue:
Existen varios aldehidos usados en la vida diaria, como el etanla, más conocido como
acetaldehido y sobre todo el metanal, más conocido como formaldehido o formol, usado para
conservar las restos orgánicos y preservarlos de la descomposición.
21
Introducción a la Química
Cosmetología
Veamos un aldheido un poco más complejo.
Este compuesto sería el 5-metilhexanal.
Cetonas.
Las acetonas llevan, dentro de la molécula, un grupo -CO- que corresponde a un carbono
unido con doble enlace a oxígeno, tal como sigue:
La cetona más conocida es la acetona (usada como disolvente, por ejemplo en el maquillaje de
uñas). Corresponde al compuesto que realmente se denominaría 2-propanona. Otro ejemplo:
El compuesto que hemos dibujado se denominaría 3-hexanona.
Ácidos orgánicos.
Su grupo funcional es -COOH, que desarrollado sería:
Como su nombre indica, presentan carácter ácido (aunque no son ácidos tan fuertes como los
inorgánicos). Existen varios ácidos orgánicos muy comunes y sencillos, como el ácido
metílico (más conocido como ácido fórmico, irritante), o el ácido etílico (más conocido como
ácido acético, principal componente del vinagre). Otros son más complejos, como el ácido
cítrico o el ácido salicílico (del que deriva la aspirina).
El ácido que representamos aquí se denominaría ácido 2-metilhexílico.
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Introducción a la Química
Cosmetología
Ésteres y sales orgánicas.
Derivan de los ácido orgánicos al sustituir el hidrógeno del grupo funcional por una cadena
de carbono o por algún metal respectivamente.
En cualquier caso, con encontramos con un grupo -COO- en algún punto de la molécula.
Veamos un ejemplo:
Este compuesto se denominaría 2-metilbutanato de 1-metiletilo.
Como decíamos, podemos sustituir el hidrógeno por un metal y tendremos una sal orgánica.
Por ejemplo:
Este compuesto sería el 2-metilhexanato de sodio.
Derivados del benceno.
Como ya indicamos, el benceno es un compuesto cíclico con seis carbonos, en el que se
alternan enlaces dobles y simples. Suele representarse gráficamente de alguna de estas
maneras:
Los derivados del benceno son una familia de compuestos muy importantes. Por ejemplo, en
cosmetología aparecen formando parte de los tintes capilares permanentes.
Un ejemplo de derivado del benceno es el siguiente:
Se denominaría 3-etil-1-propilbenceno.
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Introducción a la Química
Cosmetología
Tioles.
Los tioles o mercaptanos son productos químicos con azufre en su molécula, de forma que su
grupo funcional es -SH. Son importantes en cosméticos como los depilatorios. Un ejemplo de
tiol es el siguiente:
Se denominaría 1,2-dimetilpropanotiol.
Aminas.
Las aminas llevan nitrógeno en la molécula en forma de gurpo -NH.
Aunque el numero de hidrógenos puede ser variable en función de los carbonos a los que se
una el nitrógeno (y que nos dividen las aminas en primarias, secundarias y terciarias). Por
ejemplo, puede unirse a un solo carbon y tendríamos:
Se denominaría 1-pentanoamina.
Si el nitrógeno se une a dos carbonos:
N-metilpentanoamina.
Y si se une a tres carbonos:
Sería la N-etil-N-metilpentanoamina.
Podría incluso unirse a otro carbono más, adquiriendo carga positiva y hablándose entonces
de derivados del amonio cuaternario (componentes, por ejemplo, de los champús o de
algunos antimicrobianos).
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Introducción a la Química
Cosmetología
Amidas.
Las amidas también llevan nitrógeno, pero en forma de un grupo -CHNH2. La fórmula
desarrollada sería:
Un ejemplo:
Se denominaría pentanoamida.
Nitroderivados.
Los nitroderivados llevan un grupo -NO2 en algún punto dela molécula. Un ejemplo:
Se denominaría 2-metil-1-nitropropano.
Nitrilos.
En los nitrilos el grupo funcional el un grupo -CN. Quizás el nitrilo más conocido sea el
HCN, más conocido como cianuro (se trata de un producto muy tóxico). Veamos otro
ejemplo:
Se denominaría 3-metilbutanonitrilo.
Derivados sulfónicos.
Los derivados sulfónicos llevan un grupo -SO3 o similar. Son importantes por constituir un
componente fundamental de muchos cosméticos de higiene. Un ejemplo:
Este sería el ácido 1, 2-dimetlsulfónico.
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Introducción a la Química
Cosmetología
Compuestos con varios grupos funcionales.
En muchas ocasiones las moléculas orgánicas no llevan un solo grupo funcional, sino varios.
Por ejemplo, la molécula que escribimos a continuación:
Lleva un grupo tiol y un grupo ácido. Se denominaría ácido 2-metil-3-tiobutanóico.
Moléculas con carga eléctrica.
En ocasiones, las moléculas no se encuentran en estado neutro, sino que poseen una cierta
carga eléctrica. A las moléculas o átomos cargados eléctricamente se les llama iones.
Cuando una molécula posee más protones que electrones, esa molécula tendrá una carga
positiva. Si tiene dos protones más que electrones, esa molécula tendrá dos cargas positivas. A
las moléculas con carga eléctrica positiva, se les denomina cationes. Por ejemplo, Na+, Ca2+,
Fe3+, etc.
A las moléculas con cargas eléctricas negativas se les denomina aniones. Los aniones poseen
más electrones que protones (de ahí su carga negativa). Por ejemplo, Cl-, SO42-, PO43-, etc.
Reacciones químicas.
Introducción.
Los compuestos y elementos químicos pueden interaccionar unos con otros,
transformándose en compuestos diferentes. Es lo que se denominan reacciones químicas.
En una reacción química, una serie de sustancias, que denominamos reactivos, interactúan
unos con otros, obteniendo tras el proceso una serie de sustancias diferentes a los originales,
y que denominaremos productos.
El esquema básico de una reacción química sería el siguiente:
A+B→C+D
Reactivos
Productos
En una reacción química deben conservarse el número de átomos a un lado y a otro de la
misma, ya que durante una reacción se transforman sustancias, pero no se pueden ni ganar ni
perder átomos.
26
Introducción a la Química
Cosmetología
Veamos un ejemplo:
H2SO4 + Na(OH) → Na2SO4 + H2O
Esa reacción no sería correcta, ya que al lado izquierdo de la reacción tenemos un solo átomo
de sodio, y en la derecha tenemos dos átomos de sodio. Además, tampoco coincide el número
de hidrógenos (3 a la izquierda y 2 a la derecha). La reacción correcta sería la siguiente:
H2SO4 + 2 Na(OH) → Na2SO4 + 2 H2O
Existen dos grandes tipos de reacciones químicas en función de su energía, las reacciones
exotérmicas y las endotérmicas.
Las reacciones exotérmicas son aquellas que, al producirse, desprenden calor. Por ejemplo,
cuando el propano se oxida, desprende calor. Ese calor desprendido puede ser aprovechado,
por ejemplo en la cocina de nuestra casa o en nuestras calefacciones.
Las reacciones endotérmicas absorben calor. Es decir, para que tengan lugar, debemos
aportara calor a la reacción. Por ejemplo, la reacción del monóxido de hierro con el carbono
para dar lugar a hierro y dióxido de carbono necesita calor para llevarse a cabo.
En general, las reacciones endotérmicas no son espontáneas, es decir, no se producen por sus
propios medios, al necesitar que de alguna manera se le aporte calor. Por el contrario, muchas
reacciones exotérmicas son espontáneas, se producen de forma natural y sin que nadie
intervenga en el proceso. En algunas ocasiones, las reacciones exotérmicas necesitan una
activación para tener lugar. Por ejemplo, para que el propano se oxide, es necesario aplicarle
una chispa; una vez se ha iniciado la reacción, esta continúa de manera autónoma, sin
necesidad de más chispas y desprendiendo calor.
Existen infinidad de reacciones químicas diferentes. Vamos a ver unos ejemplos de las más
comunes y de las que nos van a ser útiles durante el curso.
Oxidación.
Las oxidaciones son reacciones en las que uno de los reactivos, que denominaremos oxidante,
le cederá oxígeno a otro de los reactivos, que se oxidará, transformándose en un compuesto
oxidado. Veamos un ejemplo:
2 Fe + O2 → 2 FeO
Esta es la reacción de oxidación del hierro por parte del oxígeno del aire.
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Introducción a la Química
Cosmetología
También hablaremos de reacciones de oxidación en aquellas en las que una de las sustancias
tenga una pérdida de hidrógeno. Veamos un ejemplo:
2 SH2 + O2 → 2 S + 2 H2O
En esta reacción podemos decir que el azufre se ha oxidado, aunque no haya ganado ninguna
molécula de oxígeno.
Reducción.
Las reducciones son las reacciones opuestas a las oxidaciones, es decir, son reacciones en las
que uno de los reactivos pierde oxígeno (cediéndoselo a otro de los reactivos); el reactivo que
pierde el oxígeno se reduce. Veamos un ejemplo:
2 FeO + C → 2 Fe + CO2
Esta es la reacción de reducción de hierro por parte del carbono. Cabe destacar que, si bien el
FeO se reduce, transformándose en Fe, el C se oxida, obteniendo oxígeno y transformándose
en CO2. En resumen, en toda reacción de reducción hay una reacción de oxidación y
viceversa.
También hablaremos de reacciones de reducción en aquellas en las que una sustancia tiene
una ganancia de átomos de hidrógeno. Por ejemplo:
N2 + 3 H2 → 2 NH3
Aquí decimos que el nitrógeno se ha reducido, aunque no haya perdido ninguna molécula de
oxígeno.
Reacciones ácido-base.
Las reacciones de ácido base se basan en las propiedades que tienen muchas sustancias de
generar o eliminar del medio en el que se encuentran iones H+. A las sustancias que tienen
capacidad de generar cationes H+ al medio en el que se encuentran se les denomina ácidos. A
las sustancias que tienen capacidad de eliminar cationes H+ del medio se les denomina bases.
Dentro del agua destilada hay una cierta cantidad de cationes H+ en disolución. Para que el
agua esté en equilibrio, y compensar esa cierta cantidad de iones con carga positiva, debe
haber una cierta cantidad de iones con carga negativa; son los aniones OH-.
La medición de la cantidad de cationes H+ en un medio se le conoce como pH. En el agua
destilada existe una cierta cantidad de cationes H+ y su pH es 7. Como el agua destilada es un
medio puro, se dice que el pH 7 es pH neutro.
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Introducción a la Química
Cosmetología
A las sustancias capaces de hacer aumentar la cantidad de H+ en un medio determinado se les
conoce como ácidos. Cuando la cantidad de H+ en un medio sube, la medición del pH baja.
De este modo, si el pH es menor de 7 se dice que el pH es ácido.
A las sustancias capaces de hacer disminuir la cantidad de H+ se les conoce como bases o
álcalis. Cuando la cantidad de H+ en un medio desciende, la medición de pH sube. De este
modo, si el pH de un medio es mayor de 7 se dice que el pH es básico.
Ejemplo de ácido:
H2SO4 + 2 H2O → SO42- + 2 H3O+ /
H3O+ → H2O + H+ (se generan H+)
Ejemplo de base:
2 Na(OH) + H+ → Na + + H2O (Se eliminan H+)
Cuando añadimos una base a un medio ácido, hacemos que su pH se acerque a pH neutro, es
decir, elevamos el pH. Cuando a un medio básico añadimos un ácido, bajamos su pH
haciendo que se aproxime al neutro. Son lo que se conoce como reacciones de neutralización.
Polimerizaciones.
Entendemos como polimerización a la formación de polímeros, es decir, que formamos una
molécula de gran tamaño a partir de moléculas iguales de menor tamaño que se unen entre si
formando una estructura de unidades iguales repetidas; a esta molécula la denominamos
polímero.
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Introducción a la Química
Cosmetología
MEZCLAS DE SUSTANCIAS.
Introducción.
En muchas ocasiones mezclamos productos o sustancias químicas sin que estas reaccionen
entre si. Por ejemplo, cuando añadimos sal al agua, la primera se disuelve en la segunda,
ambos productos químicos se mezclan, pero no reaccionan entre si, no hay ninguna reacción
química. Decimos, sencillamente, que hemos obtenido una
mezcla.
Las mezclas pueden dar lugar a dos grandes tipos de sistemas,
los denominados sistemas homogéneos y los sistemas
heterogéneos. Se diferencian en que, como su nombre indica,
los sistemas homogéneos son exactamente iguales en todos
sus puntos. Por pequeña que sea la cantidad que cuajamos de
la mezcla, tendrá siempre las mismas propiedades y la misma
proporción de disolvente y de soluto. Esto hace que, a simple
vista, aparezcan como un sistema uniforme, exactamente
igual en todos sus puntos. Y si el disolvente es agua, la mezcla será un líquido transparente
(puede tener diferentes colores, pero dejará pasar la luz con facilidad).
En cambio, los sistemas heterogéneos no serán exactamente iguales en todos sus puntos. Se
debe a que la mezcla está formada por un disolvente en la que el soluto no se ha unido
perfectamente, no se ha disuelto. Esto provoca que, si cogemos dos partes diferentes de la
mezcla, puede ser que sus características no sean exactamente iguales. Y ocasionará que, en
general, la mezcla no sea totalmente transparente, apareciendo más o menos turbia
(turbidez). Pensemos, por ejemplo, que añadimos harina al agua. Por mucho que revolvamos,
nunca llegan a mezclarse como lo hacen el agua y la sal. Y formará grumos, lo que ocasionará
que algunas zonas de la mezcla tengan más cantidad de harina que otras.
Sistemas homogéneos: disoluciones.
Entendemos por disolución a una mezcla homogénea de dos o más sustancias. Una de ellas
será mayoritaria, y la denominaremos disolvente. Otra estará en menor cantidad, y la
denominaremos soluto.
El soluto está disuelto en el disolvente.
En una disolución, el soluto está incluido dentro del disolvente de tal manera que no podemos
verlo a simple vista. El ejemplo más típico es la disolución de sal en agua. Una vez la sal se ha
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Introducción a la Química
Cosmetología
disuelto en el agua, somos incapaces de localizar las partículas de sal dentro del agua. Se debe
a que las partículas disueltas son de muy pequeño tamaño.
El disolvente más habitual es el agua. Pero no es el único. De hecho, el agua es el mejor
disolvente que existe para sustancias inorgánicas y para la muchas sustancias orgánicas. Y por
eso se le conoce como disolvente universal.
Pero existen muchas sustancias, sobre todo sustancias orgánicas de gran tamaño, que son
insolubles en agua, y para disolverlos necesitamos disolventes orgánicos, como la acetona,
algunos alcoholes o disolventes aromáticos.
La propiedad más importante de las disoluciones es la concentración, es decir, la cantidad de
soluto existente en relación con el disolvente (o con el total de disolución, que viene a ser lo
mismo).
Los sistemas más comunes de expresar la concentración de una disolución son los siguientes:
• % en peso: gramos de soluto por cada 100 gramos de disolución.
• % en volumen: volumen de soluto por cada 100 unidades de volumen de disolvente.
• gr/l : gramos de soluto por litros de disolventes.
• volúmenes: es usado en el caso del agua oxigenada. Lo analizaremos en su momento.
Sistemas heterogéneos.
Introducción.
En los sistemas heterogéneos no suele hablarse de disolvente y soluto ya que, en sentido
estricto, ninguna sustancia actúa como disolvente de la otra. Se habla de fase dispersante o
fase externa, que es aquella que actúa como contenedor, constituyendo normalmente la parte
mayoritaria. Y la fase dispersa o fase interna, que es aquella que actúa como contenido, que se
encuentra dentro de la fase dispersante.
En el ejemplo de la mezcla de harina y agua, la fase dispersante es el agua y la fase dispersa la
harina.
Hay muchos tipos de sistemas heterogéneos, en función de cómo es la fase dispersante y
cómo es la fase dispersa.
31
Introducción a la Química
Fase
dispersante
Cosmetología
LÍQUIDO
SÓLIDO
GAS
Fase
dispersa
Mezclas de líquidos que no
se disuelven los unos en los
otros. Por ejemplo, cuando
LÍQUIDO
se mezcla agua y aceite.
Cuando se fusionan (sin
disolverse) formarán las
Líquidos dentro de una matriz
Líquidos que impregnan sólidos
gaseosa. En cosmética
sin formar mezclas homogéneas.
veremos los aerosoles, que son
Por ejemplo, los geles y las
gases que impulsan líquidos
gelatinas.
(en los botes de desodorante,
por ejemplo).
emulsiones.
Sólidos dentro de una matriz
Sólidos mezclados dentro
de líquidos. El sólido no
SÓLIDO
puede disolverse y está
dentro del líquido flotando,
en suspensión. Por eso se
denominan suspensiones.
gaseosa. Por ejemplo,
Las mezclas de sólidos. Son
partículas sólidas que llevan
habituales cuando, por
algunos aerosoles. Se da en
ejemplo, los sólidos están en
algunos cosméticos, como
polvo. Veremos ejemplos en
desodorantes con talco. Y en
los maquillajes.
otros objetos cotidianos,
como los extintores de
incendios.
Gases mezclados dentro de
un líquido sin que se
consiga que sean
homogéneos. Aparece en
GAS
algunos líquidos familiares
que tienen cantidades de
gases superiores a los que
pueden disolver, como el
dióxido de carbono en las
Se trata de sólidos que
encierran partículas de gas sin
dejarlas escapar. El mejor
ejemplo en cosmetología son
las espumas: líquidos muy
Las mezclas de gases son
sistemas homogéneos.
densos o semisólidos con
líquidos en su interior.
bebidas de cola o en el cava.
Suspensiones y sistemas coloidales.
Las suspensiones son sistemas heterogéneos en los cuales la fase dispersa es un sólido y la
fase dispersante es un líquido. Hay dos grandes tipos, dependiendo del tamaño que tienen las
partículas de la fase dispersa. Si estas partículas tienen un tamaño de más de 1µm entonces
hablamos de suspensiones. Si mezclamos, por ejemplo, arena con agua, obtendremos una
suspensión, ya que las partículas de arena superan con mucho este tamaño.
Si, en cambio, tienen menos de 1µm hablaremos de dispersiones coloidales. Un ejemplo de
dispersiones coloidales es una mezcla de almidón en agua. Las dispersiones coloidales tienen
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Introducción a la Química
Cosmetología
varias diferencias con las suspensiones. Son más estables, ya que la fuerza de la gravedad no
tiende a hundir con tanta fuerza las partículas dentro del líquido.
Además, sus partículas no son visibles a simple vista ni al microscopio óptico, al contrario de
lo que ocurre con las suspensiones (sus partículas son visibles al microscopio óptico o incluso
a simple vista, como ocurre en el caso de la arena). Sin embargo las dispersiones coloidales no
son completamente transparentes, sino que poseen una cierta
turbidez.
Algunas dispersiones coloidales tienden a hacer más viscoso el
líquido en el que se encuentran. Se debe a que tienden a unirse entre
si, formando una maya o red, que inmovilizan las partículas de la fase
dispersa. Entonces hablamos de geles. A la molécula de la fase
dispersa encargada de formar el gel se le denomina agente
gelificante.
Existen multitud de agentes gelificante, muchos de ellos usados en cosmetología, dado que
muchos cosméticos son geles. Entre ellos destaca el carbopol, la agarosa, las celulosas o la
goma guar.
Dependiendo del tipo de fase dispersante que tengamos, tendremos hidrogeles si esta fase es
agua o un líquido acuoso. Y lipogeles si es un aceite o una sustancia grasa.
Emulsiones.
En las emulsiones tanto la fase dispersa como la dispersante son líquidos. Pero son líquidos
que no se disuelven el uno en el otro, es decir, son dos líquidos no miscibles entre si.
Cuando añadimos alcohol etílico al agua, este se mezcla con ella perfectamente. Es decir, el
alcohol es soluble en el agua y la unión de agua y alcohol forma una disolución. En cambio, si
mezclamos agua y aceite, formarán dos fases totalmente separadas, el aceite quedará en la
parte superior y el agua en la inferior (esto se debe a que el agua es más densa y por eso el
aceite flota sobre el agua).
En ese momento no tenemos ningún tipo de mezcla, ambas fases están totalmente separadas.
Sin embargo, si batimos la mezcla con una varilla o añadimos algún producto químico
concreto, podemos lograr que ambas se mezclen sin llegar a disolverse la una en la otra. En
ese momento diremos que han formado una emulsión.
33
Introducción a la Química
Cosmetología
Si mezclamos con la varilla, pronto descubriremos que ambos líquidos vuelven a separarse por
si mismos. Se dice que la emulsión se ha roto. En cambio, si usamos un producto químico
adecuado, podemos logar que ambos permanezcan unidos sin ninguna tendencia a separarse.
Para lograr la estabilización tenemos varias opciones. Una de ellas es que el producto químico
aumente la viscosidad del componente mayoritario, bien el agua, bien el aceite y de este modo
los líquidos pierdan la capacidad de moverse, transformándose en dos sustancias semisólidas
que no pueden mezclarse. A estos líquidos semisólidos se les llama geles y alas sustancias
capaces de formarlos se les llama gelificantes.
La otra opción es usar un producto químico que estabilice la emulsión haciendo que las fases
se puedan mezclar sin separarse. A los productos químicos capaces de formar emulsiones
estables se les denomina emulgentes y en su mayoría son sustancias tensoactivas o
tensoactivos.
Como ocurre con todas las mezclas, en las emulsiones hay un componente mayoritario y un
componente minoritario. Y como son mezclas de sustancias acuosas y sustancias oleosas,
diremos que hay una fase acuosa y una fase oleosa. Si el componente mayoritario es la fase
acuosa entonces la fase oleosa se encontrará dentro de la fase acuosa en forma de pequeñas
gotas. Diremos que la fase acuosa es la fase externa o dispersante y que la fase oleosa es la fase
interna o dispersa y hablaremos de emulsiones oleo-acuosas, emulsiones aceite en agua o
emulsiones O/A (O/W en inglés).
En cambio, si el componente mayoritario es el aceite, la fase acuosa se encontrará en forma de
pequeñas gotas dentro de la fase oleosa. Diremos que la fase oleosa es la fase externa o
dispersante y la fase acuosa es la fase interna o dispersa y hablaremos de emulsiones acuooleosas, emulsiones agua en aceite o emulsiones A/O (W/O en inglés).
Tensoactivos.
El método más común para estabilizar las emulsiones es el uso de productos emulgentes. Y
los más comunes son los tensoactivos. Son moléculas químicas que tienen afinidad tanto por
el agua como por el aceite. Es decir, parte de la molécula tiene afinidad por la fase acuosa y
parte de la molécula tiene afinidad por la parte oleosa. De este modo, se colocarán en la
interfase, en la zona de unión de ambas fases, estabilizando la emulsión, haciendo que las
gotitas de la fase dispersa no tengan tanta tendencia a unirse entre si y separarse de la fase
dispersante.
En general, la parte de la molécula del tensoactivo con afinidad por las grasas o aceites se
denomina zona lipófila y suele ser una cadena larga de carbonos con hidrógenos. Es decir, un
34
Introducción a la Química
Cosmetología
alcano de cadena larga. En cambio, la parte con afinidad por el agua será un grupo con carga
eléctrica, es decir, un anión o un catión, o bien un grupo polar, es decir, un grupo que no
llega a tener carga eléctrica neta, pero que tampoco se puede considerar una molécula neutra
(o sea, que tiene, por decirlo de algún modo, un poco de carga eléctrica); por ejemplo un
grupo ácido (-COOH) o un grupo alcohol (-OH).
Los tensoactivos suelen representarse gráficamente como una zona alargada correspondiente
a la zona hidrófoba o zona grasa, es decir, la cadena de carbono, mientras que la zona hidrófila
se representará como una zona puntual, ya que ciertamente ocupa una zona mucho menor de
la molécula. Veamos un ejemplo:
Existen varias maneras de calcificar los tensoactivos. Quizás la forma más habitual de
clasificarlos es atendiendo a su carga eléctrica. Al fin y al cabo, la carga eléctrica es la que va a
marcar su modo de funcionamiento.
Según su carga eléctrica tendremos:
• Tensoactivos aniónicos: son aquellos en los que su parte hidrófila (la parte que tiende a
unirse con el agua) posee carga negativa. Los tensoactivos aniónicos más comunes son
los alquil sulfatos (como el lauril sulfato sódico) y los alquil eter sulfatos (lauril eter
sulfato sódico).
• Tensoactivos catiónicos: son aquellos en los que su parte hidrófila posee carga positiva.
Los tensoactivos catiónicos más típicos son los derivados del amonio cuaternario.
• Tensoactivos no iónicos: su parte hidrófila tiene grupos polares, pero no poseen carga
eléctrica. Los tensoactivos no iónicos más habituales son las cadenas carbonatadas con
grupos alcohol y grupos eter, es decir, polialcoholes y polieteres.
• Tensoactivos anfóteros: su parte hidrófila posee a la vez carga positiva y negativa.
Dependiendo del pH del medio, pueden funcionar como aniónicos, catiónicos o con las
dos cargas a la vez. Los más habituales son los derivados de la betaína.
35
Introducción a la Química
Cosmetología
Otra forma de clasificar a los tensoactivos es atendiendo a la capacidad que tienen para
disolverse en agua o en grasa, es decir, según su afinidad por el agua o las grasas. Es lo que se
conoce como balance HLB (de sus siglas en inglés hidrophile lipophile balance). Los valores
altos de HLB indican que posee más capacidad de disolverse en agua, mientras que valores
bajos de HLB indican que pose más capacidad para disolverse en grasas.
Los valores de HLB menores de 8 indican que el tensoactivo es muy hidrófobo, es decir,
posee mucha afinidad por las grasas. Si el HLB es menor de 4, son insolubles en agua. Si el
HLB está entre 4 y 8 no se disolverán totalmente en agua, sino que formarán una dispersión
lechosa inestable.
Si su HLB se encuentra entre 8 y 12 poseerá una afinidad similar entre el agua y la grasa.
Formarán emulsiones estables, aunque ligeramente turbias.
Valores superiores a 12 indican mayor afinidad por el agua que por las grasas. Forman
emulsiones transparentes. Si el HLB es superior a 20, puede empezar a considerarse que la
disolución es completa.
Los tensoactivos con HLB menor de 8 (generalmente entre 4 y 6) actuarán como emulgentes
A/O, es decir, emulgentes en aquellas emulsiones en los que la fase externa es la grasa. En
cambio, para actuar como emulgente O/A el HLB debe ser superior a 10. Debemos pensar
que el modo de actuación de los tensoactivos es totalmente diferente en ambos casos, la
disposición que deben adoptar es justo la contrario en una emulsión A/O y en una O/A. Por
eso, en general, un buen tensoactivo para un tipo de emulsión no tiene porque serlo para la
otra. Veamos un esquema:
36
Introducción a la Química
Cosmetología
Ambos tipos de emulsiones presentan características muy diferentes. Lo cual es lógico, ya que
su fase dispersante, mayoritaria, es muy diferente. Por ejemplo, las emulsiones O/A al tener
una fase dispersante compuesta mayoritariamente por agua, que contendrá iones disueltos
(salvo que sea agua destilada), es probable que conduzca la electricidad. En cambio, la A/O
raramente podrá ser conductora.
Por otro lado, las emulsiones O/A podrán disolverse en agua, ya que le estaremos añadiendo
más fase dispersante, haciendo el sistema aun más estable. En cambio las emulsiones A/O no
podrán disolverse en agua y en cambio se disolverán bien en grasas.
Si queremos colorear la emulsión, en la emulsión O/A deberemos añadir un colorante
acuoso, ya que de lo contrario solo se colorearía la fase dispersa (podríamos observarla mejor
al microscopio, pero el efecto de la tinción no sería apreciable a simple vista). En cambio en
una emulsión A/O deberíamos añadir un colorante graso, soluble en grasas.
Lógicamente las emulsiones tienden a tener propiedades similares a las que tiene su fase
dispersante. Por eso las emulsiones A/O tienden a ser más viscosas, con aspecto más graso.
En cambio las O/A tienden a ser más líquidas.
Como ejemplo a nivel cotidiano, podemos decir que el ejemplo típico de emulsión O/A es la
leche (su componente más importante es el agua, pero tiene, en forma de pequeñas gotas, un
importante componente graso), mientras que el ejemplo típico de emulsión A/O es la
mahonesa (en la cual la parte más importante son las grasas del aceite).
Veamos las principales propiedades que poseen los tensoactivos:
• Por un lado está la propiedad emulgente, que ya hemos visto. Es decir, es su
capacidad de formar emulsiones, unir las fases acuosas y oleosas de una mezcla.
• Por otro lado está la propiedad humectante. Es la capacidad de aumentar la superficie
de contacto entre un líquido y la superficie sobre la que se encuentra. De esta manera,
un líquido con tensoactivo formará una gota más aplanada, más larga, con mayor
superficie de contacto.
37
Introducción a la Química
Cosmetología
• Propiedad espumante: es la capacidad de mezclar los líquidos con el aire formando
espuma.
• Capacidad detergente: Es la capacidad de eliminar suciedad de una superficie. Se
entiende que la suciedad que elimina es de naturaleza grasa.
Emulsiones de más de dos fases.
En el laboratorio pueden conseguirse emulsiones que tengan más de dos fases. Es decir, que
dentro de la fase dispersa tengamos otra fase, dispersa dentro de ella. En cada gotita de fase
dispersa habría gotitas de otra fase, que no puede ser miscible con la fase dispersa. Se
denominan emulsiones múltiples o sistemas trifásicos.
Hay dos ejemplos típicos de sistemas con más de dos fases. Puede ser que tengamos una
emulsión A/O/A. En esta, tendríamos una fase dispersante acuosa; dentro de ella, habría
pequeñas gotas de grasa, formando la fase dispersa. Pero dentro de cada gota de grasa, habría
a su vez gotitas aun más pequeñas de otra fase acuosa (debe ser distinta de la primera, para
que el sistema sea estable).
La otra opción son los sistemas O/A/O, en la cual la fase dispersante es grasa. Dentro de esta
fase dispersante hay una fase dispersa acuosa. Y dentro de la fase acuosa, una nueva pequeña
fase grasa.
Son emulsiones en general inestables. Y difíciles de fabricar. Pero tienen la ventaja de que
podrían llevar dos compuestos que necesitasen ser disueltos en un mismo tipo de fase, pero
que resultasen incompatibles entre si.
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Introducción a la Química
Cosmetología
Microemulsiones.
Son emulsiones en las que la fase dispersa se encuentra formando gotas de tamaño muy
pequeño, mucho más pequeño que en el caso de las emulsiones tradicionales. En las
emulsiones normales, podríamos llegar a ver las gotas usando un buen microscopio óptico y
una tinción adecuada. En cambio, en las microemulsiones necesitaríamos de un microscopio
electrónico (como referencia, el microscopio óptico llega a desarrollar 600 aumentos
efectivos, mientras que el electrónico supera con facilidad los 10000 aumentos).
Las microemulsiones más comunes son del tipo O/A siendo, por lo tanto, las pequeñas gotas
grasas. Suelen ser sistemas muy estables, pero requieren de gran cantidad de tensoactivo para
ser estabilizadas. Por eso pueden resultar irritantes.
Al llevar la fase dispersa en tan pequeño tamaño, son muy transparentes y sus propiedades se
asemejan mucho a las de la fase dispersante, es decir, normalmente a la fase acuosa y por eso
no suelen ser viscosas ni presentar un tacto graso desagradable.
Otras emulsiones.
Puede darse la circunstancia de que se formen emulsiones en las que ninguna de las partes sea
un líquido oleoso o un líquido acuoso. Es decir, emulsiones entre sustancias cuyas
propiedades no se ajusten exactamente a alguno de los dos grupos de sustancias.
El ejemplo más común en cosmetología son las emulsiones en las que una de las fases es una
silicona. Las siliconas son cadenas cuyo eje central es silicio en lugar de carbono. El hecho de
que formen cadenas largas hacen que se asemejen a los lípidos de alguna manera. Pero al
cambiar el carbono por silicio, poseen unas características propias diferentes.
Por ejemplo, actúan lubricantes, se extienden con facilidad, como ocurre con los lípidos y
grasas y forman capas sobre superficies. Por eso son muy usadas en cosmética. Pero además,
no poseen el tacto graso de los lípidos, lo que hace que sean más agradables de usar. Aparecen
en cosméticos sin grasa o cosméticos oil-free.
Dependiendo del papel de la silicona en la emulsión tendremos emulsiones A/S si la fase
dispersante es la silicona y emulsiones S/A si la fase dispersante es el agua.
Geles.
Los geles son sistemas coloidales, es decir, sistemas heterogéneos, en los cales la fase externa
es sólida mientras que la fase interna es líquida. Los geles tendrán una densidad similares a los
de un líquido, con una estructura y viscosidad semejantes a las de un sólido.
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Introducción a la Química
Cosmetología
Ya hablamos de los geles cuando nombramos las suspensiones coloidales. Como indicamos
en ese momento, algunas sustancias tienen la capacidad de hacer que la fase dispersante sea
más viscosa. Sus propiedades, por lo tanto, comenzarán a asemejarse a las de un sólido.
Cuando esto se consigue completamente, cuando la fase
dispersante tiene las propiedades de un sólido, mientras que
existe una fase dispersa que aun conserva sus propiedades
líquidas, decimos que hemos fabricado o conseguido un gel.
En los geles la fase dispersante puede ser una sustancia
acuosa o una sustancia oleosa y así tendremos hidrogeles y
lipogeles. Los agentes gelificantes son distintos en cada caso.
Es decir, los agentes que forman hidrogeles son diferentes los que forman lipogeles.
Su fácil manejo y su vistosidad, así como sus propiedades químicas, hacen que los geles sea
una sistema muy usado en cosmetología.
Espumas.
La espuma es una mezcla o sistema heterogéneo en la cual la fase dispersa se encuentra en
forma de gas. Este gas puede tener naturalezas muy variadas, aunque en cosmetología lo más
común es que se trate de aire.
La fase dispersante debe tener unas propiedades que hagan que las gotas de gas queden
retenidas y no tengan tendencia a escaparse. El agua, por si sola, no forma espumas. Pero ya
vimos que si le añadimos tensoactivos, sobre todo aquellos con bajo HLB, estos ayudan en la
formación de espumas ya que estabilizan la zona de contacto entre el gas y el agua.
No son raras las espumas en las cuales la fase dispersante no es agua, sino bien un compuesto
oleoso, una emulsión o un gel.
En los cosméticos, para lograr las espumas hay varias
opciones. O bien sistemas que obliguen a batir el
líquido para conseguir la mezcla de líquido y gas. Por
ejemplo, en los baños de espuma, debemos agitar el
agua para que se forme la capa de espuma en la
superficie. O bien remover con algún objeto, como
ocurre con la brocha en las espumas y jabones de afeitar. Sin embargo, el método más común
es envasar la fase dispersante junto con el gas a presión. De este modo, al liberarse al exterior,
el gas empuja al líquido y de paso queda retenido en su interior formando la espuma.
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Cosmetología
Aerosoles
Los aerosoles o esprays son sistemas heterogéneos formados por partículas sólidas o líquidas
(en este caso en forma de pequeñas gotas) suspendidas en un gas. Es decir, la fase dispersa es
un sólido de muy pequeño tamaño o una gota diminuta. Y la fase
dispersante es un gas.
En cosmética suelen envasarse en recipientes que contienen
ambas fases separadas. Debemos pensar que, en reposo, la fase
dispersa caerá al fondo del recipiente debido a la fuerza de la
gravedad. Por eso suelen agitarse antes de usarse, para que la
fase dispersa entre en suspensión. La fase dispersante suele estar
a una elevada presión, mayor de la atmosférica (de lo contrario, no saldría del envase). Cuando
permitimos la salida del contenido del envase, el gas arrastra a las partículas en suspensión,
formando el aerosol.
Hay muchos cosméticos en forma de aerosol. Los más típicos son los desodorantes.
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