El agua es fuego (y el fuego es agua)

La relación entre el agua y el fuego es mucho más estrecha de lo que te imaginas.

No iba muy desencaminado Tales de Mileto, el más grande de los siete sabios de Grecia, cuando, en el siglo VI antes de Cristo, afirmó que el agua era la sustancia primordial de la naturaleza. Recordemos que, para los antiguos griegos, había cuatro elementos básicos que, mezclándose en distintas formas y proporciones, daban lugar a todo lo existente, y estos elementos eran el aire, el agua, la tierra y el fuego. Y Tales, observando que el agua puede ser líquida, sólida o gaseosa y que está presente en la tierra (en forma de humedad) y en el aire (en forma de vapor), pensó que esa era la esencia última de todas las cosas.

Grandes Ideas - Tales y la Ciencia de Leonardo Sanchez Coello

Pero ¿y el cuarto elemento, el fuego?, ¿acaso no es lo contrario del agua, que precisamente por eso se usa desde siempre para apagarlo? Parece el punto más débil de la teoría de Tales, y sin embargo la relación entre agua y fuego es la más estrecha de las que se dan entre los cuatro elementos.

La fórmula del agua, H₂O, es sin duda la más conocida de las fórmulas químicas; pero no todo el mundo sabe que es el segundo término de una reacción que representa una combustión: 2H₂ + O₂ à 2H₂O

El hidrógeno es muy inflamable (por eso en los globos aerostáticos se suele usar helio, menos ligero y más caro, pero inerte), y, cuando arde, dos moléculas de hidrógeno se combinan con una molécula de oxígeno para dar lugar a dos moléculas de agua. Así que el agua, en su origen, es fuego, lo que equivale a decir que el fuego -la intensa reacción exotérmica que se produce al combinarse el hidrógeno y el oxígeno- es agua, como intuía Tales.

¿Y los demás fuegos? Lo que arde habitualmente en la naturaleza y en nuestros hogares, o en los motores de explosión, no es hidrógeno. ¿O sí? En buena medida sí: los combustibles habituales son hidrocarburos y otros compuestos de hidrógeno y carbono, y cuando arden la combustión produce sobre todo agua y dióxido de carbono. Por ejemplo, al quemar metano, el más simple de los hidrocarburos, se produce la siguiente reacción: CH₄ + 2O₂ à CO₂ + 2H₂O

Una molécula de metano se combina con dos moléculas de oxígeno para dar lugar a una molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua; en este caso el fuego es… gaseosa muy caliente.

Algo parecido ocurre al quemar alcohol ordinario (etanol): CH₃ – CH₂OH + 3O₂ à 2CO₂ + 3H₂O

Una molécula de etanol se combina con tres moléculas de oxígeno para formar dos moléculas de dióxido de carbono y tres de agua. En este caso el propio combustible aporta oxígeno y, por otra parte, la proporción de dióxido de carbono es mayor, pero la llama sigue siendo “agua con gas”.

La familiar fórmula H₂O significa que una molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, y sus peculiares características moleculares convierten hacen del agua el “disolvente universal”: muchas de las reacciones químicas que se producen en la naturaleza tienen lugar en medio acuoso, y en otras muchas, como acabamos de ver, se produce agua. Además de la combustión, la más conocida reacción generadora de agua es la de un ácido con un hidróxido, como nos recuerda una frase muy familiar para quienes estudian química: “ácido más base, sal más agua”; por ejemplo, al reaccionar el ácido clorhídrico con el hidróxido sódico, se producen cloruro sódico (sal común) y agua: HCl + NaOH à NaCl + H₂O

Su condición de disolvente universal hace que el agua sea fundamental para la vida tal como la conocemos, pues en estado líquido (en el que se mantiene de manera bastante estable entre 0º y 100º centígrados) suministra un medio idóneo para que las moléculas de otras sustancias se muevan libremente y se combinen entre sí. Por eso nuestro cuerpo contiene alrededor de un 70% de agua y no podemos sobrevivir mucho tiempo sin beber. Después de todo, Tales no iba desencaminado.

Tomado de: El País (España)

¿Por qué son tan peligrosos los ácidos?

El ácido quema porque se disocia y entonces se produce una reacción química con calor que provoca una quemadura química.

El lector que nos ha enviado esta pregunta especifica que no entiende que si una sustancia necesita el agua para manifestar su nivel de acidez por qué en ausencia de agua, los ácidos siguen siendo peligrosos. Por poner un ejemplo claro: ¿por qué nos quemamos si nos cae un poco de, por ejemplo, ácido sulfúrico en la piel?

La respuesta es que también ahí hay agua. Vayamos despacio. El ácido quema porque se disocia, dona un protón al agua, (un ácido de Bronsted), y entonces se produce una reacción química con calor que provoca lo que llamamos una quemadura química. Es ese calor el que causa irritación cuando ocasiona una desnaturalización de proteínas, y, en el caso de algunos ácidos, quemaduras muy graves. Y eso ocurre cuando el ácido entra en contacto con nuestra piel y provoca corrosión en ella.

Y es así con todos los ácidos aunque unos son más fuertes y otros menos. Por ejemplo, el ácido acético que es un ácido orgánico es menos fuerte, aunque si te echaras ácido acético puro tu piel se irritaría pero no es lo mismo que, por ejemplo, el sulfúrico que es uno de los ácidos fuertes.

Lo que determina la capacidad de cada ácido para producir esas consecuencias es la constante de disociación o constante de acidez. Esta constante de disociación es la medida de la fuerza de un ácido en disolución, o lo que es lo mismo su capacidad de donar protones a la solución con la que entra en contacto. Todos sabemos que el ácido sulfúrico puede hacer agujeros y eso es porque tiene una constante de disociación muy alta, sin embargo, si te cae en la piel ácido acético solo te provoca una irritación y eso es porque su constante de disociación, su capacidad de ceder protones al medio con el que entra en contacto, es mucho más baja que la del sulfúrico. Cuantos más protones cede un compuesto, mayor es la reacción química que se produce y mayor su producción de energía y, por lo tanto, más capacidad de producir corrosión.

Sala de control del área química de la fábrica de ácido acetilsalicílico de Bayer en Asturias. Gianluca Battista

Hay que tener mucho cuidado al manejar ácidos por esa razón. Es necesario ponerse protección: gafas, guantes y, además, trabajar con ellos en una campana. Y las medidas son más estrictas en función de cuál sea la constante de disociación del ácido en cuestión. Por ejemplo, cuando usamos ácido acético para preparar fases móviles de los cromatógrafos en nuestro laboratorio no lo manejamos con tanta precaución como cuando manejamos ácido sulfúrico. El sulfúrico lo cogemos con guantes especiales resistentes al ácido y siempre trabajamos con él en la campana porque además emite gases.

En nuestro laboratorio usamos mucho el ácido sulfúrico para preparar un reactivo que se llama óleum y que es básicamente agua con ácido sulfúrico. Por ejemplo, cuando necesitamos separar los distintos productos naturales de las plantas los ponemos en unas placas finas de Silicagel y se rebelan con ácido sulfúrico. Y también usamos el ácido sulfúrico para limpiar material de vidrio (mezcla crómica) que no hay manera de limpiar de otra forma.

Los ácidos orgánicos están en todas partes. Por ejemplo, hay ácidos que se producen por fermentaciones biológicas como el láctico o el acético que son ácidos suaves y forman parte de muchos alimentos. Juegan un papel muy importante en nuestra alimentación diaria. También nuestro cuerpo produce ácidos, cuando hacemos ejercicio generamos ácido láctico que es el que más tarde provoca las agujetas en los músculos.

Toda nuestra vida cotidiana está rodeada de ácidos. Las hormigas secretan ácido fórmico y por eso cuando te pican y te irritan lo que te está irritando es el ácido fórmico que las hormigas usan como defensa.

Tomado: El Mundo (España)

Las reacciones químicas que no te enseñaron en la escuela...

¿No te gustaba la ciencia cuando estabas en el colegio? ¿Te parecía aburrida? ¿Esos átomos y moléculas eran demasiado difíciles de conceptualizar? No temas. Tu amor por la ciencia pronto será restaurado con las increíbles reacciones químicas que mostraremos a continuación. Todas son verdaderas, y han estado entreteniendo a la gente por años. Obsérvalas… y por las dudas, no las intentes en tu casa.

El Galio se derrite a temperatura ambiente.

Este metal plateado tiene un punto de derretimiento de casi 29,4°. Se utiliza tanto para hacer aleaciones con bajos puntos de derretimiento, como en los electrónicos.

El hexafluoruro de azufre es un gas tan denso que puede hacer flotar a los objetos sólidos.

Debido a su densidad, se utiliza a menudo en la aislación eléctrica.

Si lo inhalaras, haría que tus cuerdas vocales vibren mucho más lento y que tu voz suene más baja. Esta es la reacción opuesta a inhalar helio.

El hielo seco y el agua hacen una burbuja gigante.

El hielo seco se sublima, esto implica que pasa directamente de sólido a gaseoso. Que da como resultado el vapor que ves aquí. Además crea una tonelada de niebla fría y espesa, que se utiliza para efectos especiales.

Quemar dicromato de amonio invoca al Kraken.

De acuerdo, no literalmente, pero estos tentáculos extraños se forman en realidad a raíz de esta reacción por el calor.

El agua forma un puente.

Al introducir una corriente, las moléculas de agua se vinculan más fuertemente, formando este “puente” entre dos contenedores.

El estaño blanco se convierte en estaño gris.

Cuando la temperatura disminuye a -13°C, el estaño blanco (conocido como estaño beta) se convierte en una versión gris más frágil de si mismo (llamado gris o estaño alfa). El estaño se descompone ante las bajas temperaturas en una reacción conocida como “la peste del estaño”.

El ácido sulfúrico convierte el azúcar en esto.

Esto está acelerado, pero el ácido sulfúrico deshidrata el azúcar, dejando atrás el agua y el carbono en esta forma de columna.

Esto, y mucho más, en:

El Ciudadano (Chile)

Grafeno + Agua Salada = Electricidad

El grafeno es una sustancia formada por carbón puro, compuesta por átomos dispuestos en un patrón regula hexagonal similar al grafito, pero con un grosor de un átomo de espesor y un peso de 0,77 miligramos por metro cuadrado. Puede saber más sobre el grafeno aquí.

Las aplicaciones del grafeno parecen ser ilimitadas, desde ordenadores a cubiertas de edificios, vendajes o componentes electrónicos. Recientemente se ha descubierto que si fluye sobre el grafeno agua salada, el resultado es electricidad.

Los últimos avances científicos en el campo de la energía hidroeléctrica, han ido en la línea de empujar los fluidos iónicos a través de un gradiente de presión. El problema es que los gradientes de presión son complicados de generar, por lo que el proceso no es factible para generar grandes cantidades de electricidad. Pero por el contrario, si se arrastra agua salada sobre grafeno se obtiene electricidad, sin la necesidad de emplear un gradiente de presión.

Al empujar el agua sobre el grafeno, su carga se desequilibra. Los electrones de grafeno son desabsorbidos en un punto y absorbidos en otro, generando electricidad por sí mismo.

La velocidad con la que el agua salada se arrastra sobre el grafeno tiene un impacto directo sobre la generación de la electricidad. Cuanto más rápida se desliza el agua más electricidad se obtiene. Por otra parte si se aumenta el flujo del agua, también se incrementa la energía producida.

Actualmente el proceso se genera a nivel nanométrico, pero el sistema podría ser ampliado para su uso a nivel doméstico o industrial.

Vía | Nature

Fuente:

Xakata Ciencia

Lea en los Archivos de CXonocer Ciencia:

Grafeno: el nuevo material más ligero del mundo

Grafeno: el material del futuro

Grafeno: de la mina de un lápiz a las grandes transnacionales

La Energía Química y la Combustión

Energía química

La humanidad ha utilizado desde su existencia reacciones químicas para producir energía. Desde las más rudimentarias, de combustión de madera o carbón, hasta las más sofisticadas, que tienen lugar en los motores de los modernos aviones o naves espaciales.

Las reacciones químicas, pues, van acompañadas de un desprendimiento, o en otros casos de una absorción, de energía.

¿Cuánta energía puede producir una reacción química? ¿De dónde procede esa energía? ¿Cómo puede medirse y calcularse?

Energía química almacenada
 
La energía es una propiedad inherente a la materia. La materia posee energía almacenada que se debe, por una parte, a la posición o a la altura de un cuerpo (energía cinética) y, por otra, a la naturaleza o las sustancias de que esté hecho el cuerpo al que se hace referencia, ya que a cada elemento o compuesto le corresponde cierta cantidad de energía química almacenada a la que se le denomina contenido energético.

Cuando se lleva a cabo un fenómeno químico, éste va acompañado por una manifestación de energía, ya sea que haya absorción o desprendimiento de ella, debido a la energía química que almacenan las sustancias
Lo anterior significa que, cuando la energía química almacenada de los reactivos es mayor que la energía de los productos, hay un excedente de energía que se libera, pues la energía se mantiene constante, es decir, no se crea ni se destruye.

Por ejemplo, al reaccionar metano (gas combustible) con el oxígeno (gas comburente), hay desprendimiento de energía como producto, porque el contenido energético del metano y del oxígeno es mayor al que posee el dióxido de carbono y el agua, que son las sustancias que se forman durante la reacción:

Por lo tanto, si, al reaccionar, una o varias sustancias producen otras con mayor contenido energético, habrá absorción de energía por parte de los reactivos, como lo muestra la siguiente reacción de fotosíntesis:

Las sustancias de gran contenido energético se utilizan como combustible, ya que al reaccionar con el oxígeno se genera una gran cantidad de energía en forma de luz y calor.

Alimentos
 
Los alimentos también almacenan energía química y mediante éstos los organismos obtienen la energía necesaria para vivir, es decir, para formar y renovar tejidos, mantener su temperatura, realizar trabajo muscular, etcétera.

Los alimentos contienen nutrientes tales como los carbohidratos, los lípidos (grasas), las proteínas y las vitaminas, a los cuales se les denomina biogenésicos (por ser de origen orgánico); otros nutrimentos de origen inorgánico son el agua y los minerales como el sodio, el fósforo, el azufre, el cloro, el cobalto, el manganeso y el zinc.

Los organismos utilizan los alimentos para obtener de ellos energía y nutrimentos; estos últimos son descompuestos para ser utilizados en el crecimiento y restauración celular. A este proceso de transformación se le denomina metabolismo.

La energía que se puede metabolizar a partir de los carbohidratos es de 4 kcal por gramo; de los lípidos, de 9 kcal por gramo y, de las proteínas, de 4 kcal por gramo. Se recomienda que en una dieta adecuada se ingieran alimentos que proporcionen aproximadamente 3.000 kcal por día (según la actividad física que se desempeñe), que contengan, de manera balanceada, todos los nutrimentos. Por ejemplo: 75 g de proteínas, 80 g de lípidos y de 400 a 500 g de carbohidratos. Además, se debe considerar que el agua es muy importante como nutrimento y que los seres humanos necesitan de 2 a 2,5 litros  por día, aunque los alimentos también proporcionan una cantidad proporcional de ella que se conoce como agua metabólica.
Es necesario recordar que los organismos obtienen energía a través de un mecanismo autotrófico o heterotrófico.

El mecanismo autotrófico es propio de las plantas, algas y cianobacterias que, a partir de dióxido de carbono y energía luminosa del Sol, producen oxígeno y glucosa. De esta última se forman moléculas más complejas.

El mecanismo heterotrófico es propio de organismos como los de los animales; éstos ingieren el alimento previamente elaborado (carbohidratos, lípidos, etcétera), sus células lo oxidan mediante la respiración y con ello producen CO2, vapor de agua y otras sustancias de desecho.

Eficiencia de un motor de combustión interna
 
Las reacciones químicas de combustión de compuestos de carbono con oxígeno para liberar energía son bien conocidas por todos. Ocurren, por ejemplo, al quemar madera o gas en el horno o bien cuando la bencina de un auto proporciona la energía necesaria para su funcionamiento. Estas reacciones son demasiado violentas y poco controladas para que los organismos vivientes las puedan usar dentro de una célula.

Para que un motor funcione, éste requiere de combustible que, al reaccionar, desprende energía. En el caso del motor de combustión interna, la energía del combustible se transforma en potencia y movimiento, de tal forma que la fuerza producida sirve para hacer funcionar un autobús, una hélice y un generador, entre otras cosas.

El motor de cuatro tiempos es el motor de combustión interna más conocido, y su funcionamiento se lleva a cabo en cuatro etapas, las cuales son:

Primer tiempo (admisión): tiene lugar la penetración de una mezcla de combustible y aire a la válvula de admisión, al bajar el pistón.

Segundo tiempo (compresión): el pistón sube y comprime la mezcla al reducir el volumen.

Tercer tiempo (explosión): al encender la bujía, ésta provoca la explosión de la mezcla; en este momento el pistón es empujado y baja.

Cuarto tiempo (expulsión): los gases producidos por la explosión son expulsados a través de la válvula de expulsión; en este momento el pistón baja.

Representación esquemática del funcionamiento de un motor de cuatro tiempos.

La combustión

La combustión es una oxidación violenta, la cual, a su vez, desprende energía en forma de calor y luz. Los principales productos de ella son: el CO₂, el vapor de agua y la energía.

Ejemplos de este proceso son la combustión del gas de la estufa, de la leña, y del carbón. En todos estos fenómenos se presenta una oxidación y, por lo tanto, también tiene lugar una reducción, ya que cuando se produce la combustión de una de estas sustancias, el oxígeno se reduce ganando electrones y el elemento que se oxida los pierde.

En el organismo de los seres vivos existen procesos de "combustión orgánica", los cuales se denominan así por la similitud que guardan con los productos obtenidos. Sin embargo, no son propiamente combustiones, pues no son, oxidaciones violentas.

Un ejemplo de éstas es la degradación de la glucosa que, durante la respiración celular, produce CO₂, H₂O y energía, de acuerdo con la siguiente reacción:

En esta ecuación se observa que cada átomo de oxígeno "gana" 2 electrones (se reduce) y el carbono "pierde" 4 electrones (se oxida).

La oxidación del gas butano es una combustión inorgánica, ya que no se efectúa en los seres vivos. Su reacción es la siguiente:

Energía química en el organismo

Las células requieren energía para llevar a cabo la mayoría de los procesos biológicos. La energía proviene de los alimentos que ingerimos.

El oxígeno presente en el aire que respiramos se combina con los átomos de carbono e hidrógeno presentes en las moléculas de los alimentos liberando energía y formando después de numerosos pasos dióxido de carbono y agua.

La fuente original de alimentos son las plantas verdes. Estas son capaces de utilizar la energía solar, dióxido de carbono del aire y agua para crear moléculas orgánicas complejas formadas mayormente por carbono, hidrógeno y oxígeno y ricas en energía.

Estas moléculas son de tres tipos básicos: carbohidratos, lípidos y proteínas. Cualquiera de estos grupos puede combinarse con oxígeno y generar la energía necesaria para la vida.

Los animales no pueden generar carbohidratos, lípidos o proteínas a partir de las simples moléculas de dióxido de carbono, agua y usando la energía solar. En cambio, se alimentan de plantas que ya han hecho este trabajo o de otros animales que ya se han devorado plantas.

Bioquímica de la respiración celular

La conversión de los nutrientes en energía ocurre durante los llamados procesos de catabolismo. La moneda fundamental de energía dentro de las células es una molécula denominada ATP. La estructura de esta molécula es tal que contiene uniones químicas capaces de liberar mucha energía al partirse.

Dos ejemplos fundamentales de catabolismo son:
 
1. Fermentación.
2. Respiración.

La fermentación es un proceso de generación de energía que no depende de la presencia de oxígeno. Los productos finales del proceso son moléculas orgánicas pequeñas como el etanol. Este es el proceso mediante el cual se generan las bebidas alcohólicas.

La respiración es un proceso que sí requiere de oxígeno y que genera mayores cantidades de energía mediante una oxidación completa liberando dióxido de carbono y agua. La energía proviene en definitiva de los alimentos que comemos. Estos son sometidos a diversos procesos enzimáticos que los convierten en moléculas más pequeñas que forman la base de los mecanismos generadores de energía.

Tomado de:

Profesor en Línea

¿Qué sucede si metemos una bola de Níquel "al rojo" en agua?

Depositamos una bola de níquel al rojo vivo en una taza de agua; el resultado es una reacción inesperada.

Esto se debe al conocido como efecto Leidenfrost, en realidad la bola se rodea con una capa de vapor que mantiene al resto del agua a distancia. Hasta que ésta se enfría lo suficiente y luego ¡boom!, de repente una locura y una nube de vapor. Ya tienes el agua caliente para una infusión.

Este mismo efecto es el que te permite meter tu mano en plomo fundido durante un tiempo sin sufrir daños. Este pequeño vídeo nos permite ver cómo funciona realmente.

Tomado de:

Xakata Ciencia

Nuevo proceso obtiene energía del carbón sin quemarlo

Una de las principales fuentes de contaminación atmosférica y también de las principales causantes del exceso de dióxido de carbono son las plantas de energía que queman carbón para calentar agua y mover unas turbinas con el vapor generado, que a su vez generan la electricidad. El carbón es barato, por lo que siguen proliferando, a pesar de tener una tecnología obsoleta. Pero ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Ohio State han dado con una versión de planta energética a base de carbón que no necesita quemarlo, sino que lo convierte en calor de forma química, y captura el 99 por ciento del dióxido de carbono que produce en la reacción. 



La tecnología desarrollada ha logrado pasar todas las pruebas para poder comenzar con las pruebas de gran escala. Durante 203 horas, la tecnología desarrollada en Ohio State produjo calor y capturó el 99 por ciento de CO2. Liang-Shih Fan, profesor de ingeniería química y biomolecular, es el director del laboratorio que desarrolló la tecnología llamada Coal-Direct Chemical Looping, que consigue extraer energía del carbón de forma química, y contiene las emisiones producidas de forma eficiente antes de que sean liberadas a la atmósfera.

La combustión es una reacción química que consume oxígeno y produce calor, dice Fan. También produce dióxido de carbono, que en exceso en la atmósfera, produce un efecto invernadero atrapando el calor radiado por el Sol, y generando el Calentamiento Global. Fan y su equipo han descubierto la forma de liberar calor sin quemar, controlando cuidadosamente la reacción química, así se puede contener por completo, dentro del reactor, el dióxido de carbono.

Como el carbón no se ha abandonado nunca, a pesar de la energía nuclear, de la quema de gas y petróleo, y de las tecnologías renovables como la energía eólica y la energía solar. Así es que la mejor forma de luchar contra los efectos que produce su explotación como fuente energética, es diseñando una forma eficiente de evitar la contaminación.

En total, se han realizado pruebas piloto que acumulan 830 horas que demuestran la fiabilidad del sistema desarrollado por Fan y su equipo. Ahora buscan llevarla al siguiente nivel, una planta piloto a gran escala que está en construcción en el centro de captura de carbono del departamento de energía de Estados Unidos. La idea es comenzar hacia fines de 2013 con las pruebas, para poder producir 250 kilovatios, utilizando sintegas como fuente. El sintegas es el combustible gaseoso que se obtiene a partir del carbón, en este caso, a través del proceso químico.

Su tecnología utiliza pequeñas bolas de metal para llevar oxígeno al combustible, a fin de generar la reacción química. El carbón en polvo se mezcla con las bolas de óxido de hierro, y es calentado a altas temperaturas, hasta que los materiales reaccionan entre sí. El carbono del carbón se une con el oxígeno del óxido de hierro y crea dióxido de carbono, que se lleva a un compartimento donde es capturado. Las cenizas calientes de hierro y carbón son dejadas detrás. Como las bolitas de hierro son mucho más grandes que la ceniza de carbón, son fácilmente separables. Así es que son llevadas a otra recámara donde la energía calórica genera electricidad. La ceniza es removida del sistema. El dióxido de carbono es separado y puede ser reciclado o almacenado para su posterior venta a industrias que deben producirlo, como por ejemplo la de las gaseosas. Las bolitas de hierro son luego expuestas al aire dentro del reactor, así que se re oxidan, y pueden ser vueltas a usar casi de forma indefinida, sino también pueden ser recicladas.

Este sistema excede las demandas del departamento de energía estadounidense para nuevas tecnologías que utilicen fuentes fósiles. Estas no deberían aumentar el costo de la electricidad más de un 35 por ciento, y deberían capturar más del 90 por ciento del dióxido de carbono que generen. 

Tomado de:

Sinapsit.com

Femtoquímica: Viendo una reacción química paso a paso

Una de las preguntas más interesantes de la químicas es:

¿Cómo se lleva a cabo una reacción química?

La respuesta no es fácil, las reacciones química involucran roturas de enlaces en los compuestos que actúan como reactivos y formación de nuevos enlaces para dar lugar a los productos de la reacción. Estos procesos son muy rápidos y para poder “verlos” necesitamos iluminar las moléculas que reaccionan con una resolución temporal muy corta.

En esta entrada queremos hablar de un campo fascinante de la química, la femtoquímica, que se apoya en la posibilidad de tener pulsos de láser de una duración del orden del femtosegundo (0.000000000000001 segundos = s).

En Naukas podéis encontrar un vídeo que explica lo que es la femtofotografía

Energía en las reacción químicas

Una reacción química se produce cuando los reactivos dan lugar a los productos de la reacción. Para que este proceso se lleve a cabo han de verificarse ciertas condiciones energéticas.

Por un lado, tenemos la energía de los reactivos y la energía de los productos. Generalmente, es necesario que la energía de los productos sea menor que la energía de los reactivos. Además, para que la reacción se lleve a cabo los reactivos han de superar una cierta barrera energética, barrera de activación, para poder romper sus propios enlaces y formar unos nuevos para llegar a formar los productos.

Un perfil típico de la energía de una reacción química está dado por:

Teóricamente, cuando los reactivos tienen la suficiente energía como para superar la barrera energética denominada, energía de activación, estos entran en un estado excitado que se llama Estado de Transición. Este estado no era más que una idea teórica, nunca había sido visto.

La razón para no poder ver a los reactivos reaccionando es que el tiempo típico para una reacción (rotura y formación de nuevos enlaces una vez que hay la energía suficiente) es del orden de 1 picosegundo (s) (en condiciones de laboratorio normales).  Para poder ver este proceso es necesario poder fotografiar la reacción con una resolución temporal del orden de unos pocos femtosegundos.

Fotografía Ultrarápida

 

Afortunadamente, actualmente tenemos a nuestra disposición láseres que son capaces de generar pulsos ultracortos (de hasta 6 femtosegundos).  El procedimiento para realizar la fotografía es:

1.-  Lanzamos un haz de moléculas.
2.- Lanzamos un pulso del láser ultracorto sobre el jet y este alcanza una molécula aislada.
3.- Un segundo pulso de láser es lanzado contra esta molécula y, una vez reflejado, se graba en un detector. Con esto conseguimos una foto del estado de la molécula en un instante de tiempo dado.
4.-  Si repetimos este proceso a intervalos del femtosegundo tendremos una serie de fotografías (fotogramas) que nos darán la película de la reacción química que se esté llevando a cabo.

 

El ejemplo del ciclobutano

El ciclobutano es una molécula orgánica de cuatro átomos de carbono unidos por enlaces simples que puede sufrir una reacción inducida fotoquímicamente (con luz) dando lugar a dos moléculas de etileno (molécula de dos átomos de carbono unidos por un doble enlace).

Ciclobutano

Etileno

Teóricamente esta reacción puede llevarse a cabo de dos formas:

a) Se rompen a la vez dos enlaces opuestos en el ciclobutano en el estado de transición y se forman los dos etilenos.  Reacción en un paso.

b) Se rompe un enlace y se forma un estado intermedio, el tetrametileno, que es un paso intermedio para llegar a los dos etilenos finales.  Reacción en dos pasos.

La energía de estas reacciones es, respectivamente:

El interés en ver el estado de transición de esta reacción es claro.  Esta reacción fue estudiada por Zewail y su equipo mediante las técnicas femtofotográficas comentadas anteriormente. El resultado fue que se formaba el estado intermedio de tetrametileno y que su vida media rondaba los 700 femtosegundos (lo cual es bastante para una reacción química de este tipo). Esto resuelve la duda y nos dice que esta reacción se lleva a cabo en dos pasos, en contra de la creencia que estaba más extendida antes de este experimento.

Los pasos de esta reacción (indicando el tiempo en el que tienen lugar) son:

Lo que se obtiene en el experimento son medidas de las distancias de enlace en cada tiempo:

Y aquí, un animación del proces basada en estos datos:

La importancia de la femtoquímica

Aparte de la evidente, la de poder estudiar mecanismos de reacción visualizándolos, la femtoquímica proporciona una herramienta de gran utilidad en el entendimiento de las reacciones químicas fundamentales para la vida.

Tras la introducción de estas técnicas pronto se aplicaron al estudio de reacciones bioquímicas fundamentales. La femtoquímica nos puede ayudar a:

1.-  Entender mejor la interacción enzima-sustrato.

2.-  Un mejor control y entendimiento de las reacciones entre anticuerpos y antígenos.

3.-  Un estudio pormenorizado de las reacciones que afectan al ADN.

Además, estas técnicas pueden ayudarnos a entender mejor las reacciones que se llevan a cabo en interfase superficial que son de gran interés industrial.

P.S. La introducción de estas técnicas fuero valedoras para la obtención del premio Nobel de química del 1999 concedido al Profesor Zewail

Fuente:

Cuentos Cuánticos