2.- ¿Que podemos explicar con la química?

¿QUÉ PODEMOS EXPLICAR CON LA QUÍMICA?
Como la Química es una ciencia que se dedica al estudio de la materia y su relación con la energía, ella nos puede explicar esencialmente todo. Es decir, toda la materia que nos rodea funciona bajo principios y leyes generales que le dan sus propiedades características y aquellas propiedades que no puede en la actualidad explicar la química se convierten en un reto para el investigador y deben ser objeto de estudio científico.
La Química puede explicar: Los puntos de fusión, los puntos de ebullición, densidad, los colores de diferentes materiales y elementos, que provoca las propiedades ácidas o básicas de las sustancias, a que se debe el magnetismo del Fe, porque son excelentes conductores el Cu, Ag y Au; las propiedades medicinales de la aspirina, que provoca la vejes en el ser humano, mediante que mecanismos el DNA se autoreproduce, que efectos tienen los gases y desechos industriales en los ecosistemas, porqué la crema suaviza la piel, porque el jabón limpia las grasas, porque el diamante es tan duro o el plomo es tan suave, etc.
Existen algunas teorías que han logrado sorprender a la opinión pública y que han sido confirmadas por el conocimiento de la química, entre ellos podemos mencionar tres: a) La desaparición de los dinosaurios, b) La formación del sistema solar, c) El origen de la Luna.

A) DESAPARICIÓN DE LOS DINOSAURIOS.
Dentro de las disciplinas paleontológicas, los especialistas han vertido diferentes opiniones acerca de la extinción de los dinosaurios, una de las teorías más mencionadas en el ámbito internacional es la planteada por el doctor Luis Alvarez, investigador de la Universidad de Berkeley y Premio Nobel de Física, y sus colaboradores, ellos señalan que la desaparición de estos impresionantes animales y de otras especies de flora y fauna ocurrió como consecuencia del impacto de un gigantesco asteroide o meteorito contra la Tierra, este impacto quizás sucedió en Chicxulub, Yucatán, donde existe la estructura más grande, hasta ahora conocida, en la Tierra, sumergida bajo el mar. Hace 65 millones de años viajando a una velocidad de 20 o 30 kilómetros por segundo, un objeto celeste de diez kilómetros de diámetro chocó contra la Tierra, fue como si hubieran estallado 300 millones de bombas de hidrógeno, el impacto provocó un cráter de entre 150 y 300 kilómetros de diámetro, con una profundidad entre 1,100 y 1,400 metros, aproximadamente 200 metros de agua oceánica se levantaron para formar una ola gigante arrasadora de todo lo que hubiera en la costa, una inmensa nube de polvo levantada por el impacto tapó la entrada de los rayos solares y se oscureció, la temperatura bajó a 20 o 30 grados bajo cero. El carbonato y el sulfato de calcio existentes en los sedimentos de Yucatán se mezclaron con otros elementos de la atmósfera al ser impulsados hacia arriba por el choque y dieron lugar a la lluvia ácida, en este desastre murieron más del 70% de las especies marinas y terrestres, su descubrimiento fue inducido por la composición química encontrada en las capas correspondientes a esa época.
El doctor Álvarez público en la revista Science (1980) que una gran cantidad de Iridio y Niobio se encontraba en la arcilla de hace 65 millones de años, inicialmente esto se descubrió en Gubio, Italia; pero poco después esta característica anómala se encontró en prácticamente todo el mundo, en especial el Iridio y Niobio son característicos de los meteoritos y en los núcleos de los cometas. En diciembre de 1991 PEMEX dio rocas de un pozo de Yucatán a la UNAM, que en conjunto con la NASA comprobaron que el cráter de Chicxulub es una estructura de impacto de 65 millones de años, el cuarzo contenido en las rocas de este cráter revelan rayas paralelas que corren en diferentes direcciones y que son características de fuertes impactos. Además contienen altas concentraciones de Iridio.

B) LA FORMACIÓN DEL SISTEMA SOLAR.
Las características químicas que presenta el sistema solar dan la pauta para un modelo y teoría de ¿Cómo? se formó. Entre las regularidades que presenta el sistema solar destacan las siguientes:
a). - Todos los planetas se mueven en el mismo plano que coincide con el ecuador del Sol.
b). - Todos giran en la misma dirección que es contraria a las manecillas del reloj, viendo el plano por encima del Polo Norte y que coincide también con la dirección de rotación del Sol.
c). - Los cuatro planetas interiores (Mercurio, Venus, Tierra, Marte) son pequeños, rocosos y pesados, mientras que los planetas exteriores (Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno) son gigantes, gaseosos y ligeros.
La composición Química de los planetas y que en la mayoría de los casos es obtenida por la luz que refleja cada planeta, revela que los elementos de los planetas fueron formados en la explosión de una supernova, que es el mecanismo de nucleosíntesis que puede explicar la presencia de oro, plomo, radio, polonio, uranio, encontrados en la Tierra. Por otro lado la diferente composición planetaria es explicada por las características químicas que presentan las diferentes sustancias químicas. Inicialmente se formaron conglomerados planetarios alrededor de una inmensa masa central (protosol) cuando la contracción gravitacional calentó los gases hasta los 10 millones de grados empezaron a suceder las reacciones nucleares y el Sol se incendio, esto causo que la atmósfera de los planetas más cercanos al Sol se evaporara literalmente y que sólo dejara sus núcleos desnudos, sólidos, rocosos y pequeños; por otro lado los planetas más alejados del Sol se encontraban en regiones más frías donde los gases pueden condensarse (temperaturas de -150 K), así por atracción gravitacional los planetas exteriores fueron recogiendo todos los gases evaporados de la región interior e incrementaron su tamaño, convirtiéndose en planetas gigantes, ligeros y gaseosos.
C) EL ORIGEN DE LA LUNA
Uno de los secretos más intrigantes es el origen de la Luna, por muchos años los científicos habían pensado que la Luna se había formado de la misma nube original que formó a la Tierra y que desde entonces ella gira alrededor de nuestro planeta; otra idea era que la Luna vagaba muy cerca de la Tierra y fue atrapada por ella debido a su mayor masa y más intenso campo gravitacional, pero los viajes del Apolo a la Luna demostraron que las muestras recogidas no se ajustaban a ninguna de estas ideas.
Las ideas anteriores fallaban en los aspectos químicos, según decía Jay Melosh, un científico planetario de la Universidad de Arizona, Melosh sugirió la hipótesis de un impacto gigantesco, primero sugerido a mediados de los setenta, pero no gano amplia aceptación hasta una década después, cuando trataron de explicar la química de la Luna, por ejemplo, explicar porque faltan en la Luna los elementos pesados comunes en la Tierra, de acuerdo al modelo de Melosh, un poco después de formada la Tierra, unos 4,500 millones de años, un planeta de cerca de 1.5 veces más masivo que Marte (o 15% más masivo que la Tierra) se impacto contra la Tierra en un ángulo oblicuo, el impacto vaporizó una gran parte de la corteza terrestre y del manto superior, arrojándolo hacia el espacio a gran velocidad, el choque también aceleró la rotación y quizás fue la causa de la inclinación de la Tierra con respecto al plano de translación, el impacto impulsó gran cantidad de material ligero de las capas exteriores de la Tierra, por eso falta hierro y níquel en la Luna que son los principales componentes del núcleo de la Tierra. El material expulsado hacia el espacio se depositó dentro de un disco caliente alrededor de la Tierra y relativamente cercano, el disco se enfrío completamente y el vapor condensado formó un delgado anillo de pequeñas partículas. En quizás sólo unos cientos de años o menos, estas partículas coalescieron (se juntaron) formándose la Luna.

DEFINICIONES

QUIMICA. - Es la Ciencia que estudia la materia así como los cambios y transformaciones que le ocurren por la acción de la energía.
En esta definición se presentan dos grandes conceptos de la naturaleza: materia y energía.
LA MATERIA: El Universo se encuentra variedad inagotable de formas, por ejemplo: Estrella, galaxia, planeta, volcán, océano, árbol, niño, manzana, león, flor, etc., todo lo que nos rodea es materia, presenta algunas propiedades comunes como son:
a) Ocupa un lugar en el espacio.
b) Es objetiva, es decir, existe independientemente de nuestro conocimiento.
c) Tiene masa y peso.
d) Se presenta en cuatro estados físicos.
e) Se distinguen entre sí por sus propiedades físicas y químicas.
f) Es una forma de energía y se pueden interconvertir.
g) Y la propiedad más importante de la materia es que tiene movimiento.
Comentaremos algunas de estas propiedades y las ampliaremos en el curso, se dice que la materia ocupa un lugar en el espacio, pero esto nos hace suponer en la existencia de un espacio disponible, listo para ser ocupado por la materia, el concepto correcto es que la presencia de la materia genera el espacio. En este sentido en el Universo no existe el vacío, porque esto supone la no existencia de la materia y por lo tanto la imposibilidad de que exista el espacio.
La materia tiene masa y peso, estas palabras aparentemente sinónimas tienen una diferencia de fondo, la masa es la cantidad de materia contenida en un cuerpo y es una constante, sin embargo, el peso se refiere a la fuerza gravitacional con que un planeta u otro cuerpo ejerce sobre la materia, en este sentido un material pesa diferente en la Tierra, la Luna o en Júpiter a pesar de contener la misma cantidad de masa, el peso esta así sujeto a la fuerza gravitacional y puede ser calculada por la primera Ley de Newton.
Se presenta en cuatro estados físicos, tres estables y uno transitorio; estos son el estado sólido, líquido y gaseoso; el otro es el plasma. La diferencia fundamental entre el estado sólido, líquido y gaseoso radica en el orden intermolecular y el grado de movimiento que tienen las moléculas de un compuesto, por ejemplo, en el agua sólida que conocemos como hielo, las moléculas de agua se encuentran ordenadas en posiciones precisas del espacio, unida por enlaces que impiden su movimiento y desplazamiento, esto le da su rigidez característica y le impide cambiar de forma, si un sólido lo calentamos obligamos a sus moléculas a vibrar, rotar y desplazarse, estos movimientos originan rupturas de algunos enlaces y desplazamientos que destruyen la configuración rígida, así se llega al estado líquido, donde aún se conservan algunos enlaces químicos, pero se pierde la rigidez, por esa razón el líquido adquiere la forma del recipiente que las contiene, finalmente si un líquido se calienta, éste adquiere la energía suficiente (movimiento de rotación y translación) para romper los enlaces que aún están presentes entre las moléculas, separándolas del conglomerado molecular y destruyendo así el estado líquido, el estado gaseoso al no tener enlaces intermoleculares, sus componentes tienen las dimensiones atómicas y por ello son invisibles, por otro lado ellas son libres de moverse en todas las direcciones por lo que ocupan cualquier volumen y su gran separación los hace compresibles.
Todos los materiales o sustancias que existen pueden distinguirse por sus propiedades físicas: punto de fusión, punto de ebullición, densidad, color, conductividad eléctrica, propiedades magnéticas, propiedades ópticas, etc, y por sus propiedades químicas: reactividad, poder oxidante, poder reductor, cualidades ácidas, propiedades básicas, efecto catalítico y en general la capacidad que tiene la materia para reordenarse internamente.
Hace dos siglos el químico francés Antonio Lorenzo Lavoisier hizo un descubrimiento de enorme importancia, ayudado de una balanza observó que: "EN TODO CAMBIO O PROCESO QUÍMICO LA MATERIA NO SE PUEDE CREAR NI DESTRUIR SOLO TRANSFORMAR" y a este descubrimiento se le conoce como Ley de la Conservación de la Materia.
Para hablar de las dos últimas cualidades enumeradas que presenta la materia es necesario tener el concepto de energía. La propiedad fundamental que tiene la materia es su MOVIMIENTO, cualquiera que sea su forma de presentación, el movimiento es una propiedad intrínseca de la materia, es decir, al existir la materia existe también su movimiento, que es indestructible como la misma materia. Este movimiento se manifiesta de diferentes maneras, las cuales pueden pasar de una a otra. La ENERGÍA es la medida del movimiento de la materia.
La energía se expresa cuantitativamente de un modo determinado por medio de parámetros, que son característicos para cada forma concreta de movimiento. Así, para el movimiento de translación de una masa libre la energía se expresa mediante la magnitud E =1/2mv2 (m es la masa y v la velocidad). La energía de una corriente eléctrica es eE (e es la cantidad de electricidad y E es la diferencia de potencial eléctrico).
Un descubrimiento fundamental realizado el siglo pasado se refiere a la transformación de la energía de una
forma a otra, pero conservando la constancia. De esta manera, la energía como medida del movimiento de la materia y que esta se pueda transformar de una en otra, refleja la unidad de todas las formas de movimiento, su transformación mutua y la imposibilidad de destruir el movimiento.
LEY DE CONSERVACIÓN Y TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA: "La energía no se crea ni se destruye, sino que en todos los procesos y fenómenos, la energía total de todas las partes del sistema material, que actúan en el proceso dado, no aumenta ni disminuye, quedando constante".
La energía puede dividirse en dos grandes sectores para su estudio: calor y trabajo.
CALOR.- Es la transmisión de energía a través de choques caóticos de moléculas de dos cuerpos en contacto. El calor es la medida de la energía transmitida de esta forma.
TRABAJO. - En este caso se incluyen distintas formas de paso del movimiento, que tienen como rasgo común la translación de masas que abarcan gran cantidad de moléculas, bajo la acción de ciertas fuerzas, tales son la elevación de un cuerpo en el campo gravitacional, el paso de cierta cantidad de electricidad desde un potencial
electrostático grande a otro menor, la expansión de un gas que se encuentra bajo presión, etc. El trabajo es la medida general del movimiento transmitido de esta manera.
El calor y el trabajo son las dos grandes formas en que se manifiesta la energía y caracterizan cualitativa y cuantitativamente dos formas distintas de transmisión del movimiento de una parte del mundo material a otra.

TRANSFORMACIÓN DE LA MATERIA EN ENERGÍA: E = mc2
En el año 1905 el físico alemán Albert Einstein publicó un artículo llamado: "¿Depende la inercia de un cuerpo de la energía contenida en él?".
Este artículo es un modelo perfecto de lo que es el procedimiento deductivo de la física, Einstein se imagino a un átomo desintegrándose radiactivamente y emitiendo rayos gamma. Aplicando el principio de que la energía y la cantidad de movimiento tenían que conservarse en la desintegración, fue capaz de razonar que el átomo que resultaba después de la desintegración debía tener menos masa que el átomo original, además la cantidad de masa que había perdido tenia que ser igual a la energía total, E, emitida en forma de rayos gamma, dividida entre la velocidad de la luz al cuadrado, es decir, m = E/c2. En sus propias palabras "Si un cuerpo libera energía E en forma de radiación su masa disminuye en E/c2". Fue en este trabajo donde nació su formula más famosa.

IMPLICACIONES DE E = mc2
El aspecto más significativo es la unificación natural de los dos grandes conceptos del universo: la masa y la energía, relacionados por una sencilla ecuación y que nos lleva a enunciar una Ley General de Conservación de la masa y la energía: "En el Universo existe una cantidad constante de masa y energía, pudiendo interconvertirse una en otra".
Otro aspecto es que la ecuación de Einstein reveló una nueva y hasta entonces insospechada fuente de energía. El mero hecho de que un objeto material tenga masa le proporciona una energía, mc2, que es muy sustancial porque la velocidad de la luz es muy grande. En general, esta energía no esta disponible desde un punto de vista práctico, pero se ha demostrado la interconversión de la masa en energía y viceversa en el fenómeno llamado aniquilación de pares, todas las partículas tienen antipartículas, pero el par electrón-positrón fue el primero en descubrirse, cuando el electrón encuentra a un positrón o viceversa, en reposo, pueden aniquilarse dando lugar a dos rayos de luz, uno de los cuales transporta una energía igual a mc2, donde m representa la masa del electrón o del positrón.
Otra implicación muy importante de esta ecuación es la "fusión nuclear", que algún día puede convertirse en nuestra fuente de energía más barata y no contaminante. Para empezar un protón y un neutrón pueden unirse para formar un núcleo pesado de hidrógeno, perdiendo cierta cantidad de energía, que se la lleva en forma de luz. Esta pérdida de energía significa que el núcleo de hidrógeno tiene menos masa que la suma del protón y el neutrón. No hay en la física clásica ningún mecanismo que pueda explicar esta pérdida de masa, la ecuación de Einstein proporciona una explicación sencilla y natural.
Otro problema que fue resuelto por la fusión nuclear y la energía generada en el proceso fue como las estrellas, incluyendo el Sol, continuaban "quemándose"; esto es, emiten cantidades tan grandes de energía durante tanto tiempo y con tanta intensidad. La primera y más ingenua explicación que se dio fue que el Sol es un montón de carbón encendido. Esta idea feliz se podía rebatir inmediatamente si uno calcula durante cuánto tiempo podría quemarse tal montón de carbón para producir la misma cantidad de energía que la observada para el Sol. La respuesta es de cerca de 1,500 años, mientras que la edad del sistema solar es de varios miles de millones de años. Después del descubrimiento de la radiactividad se propuso la idea de que quizá la energía del Sol era debida a la desintegración radiactiva. Si el Sol estuviese hecho de uranio puro radiaría energía similar a la observada durante varios miles de millones de años. Pero el Sol no esta hecho de uranio sino de hidrógeno y helio, según lo revelan los espectros de emisión atómica. Esto condujo a un callejón sin salida hasta los años veinte, cuando George Gamow, basándose en las ideas de la mecánica cuántica, sugirió que el proceso de fusión podría realmente tener lugar a las temperaturas existentes en el interior de las estrellas. En 1939 y de forma independiente, H. A. Bethe y C. F. Von Weizsacker dieron los detalles de la química nuclear, completando de esta forma la explicación de la generación de la energía solar. En esta imagen no hay problemas con la duración de la vida del Sol, puesto que una pérdida de masa pequeña origina una gran cantidad de energía.