Efectos relativistas

Entre muchas generalizaciones acerca de los elementos más pesados hay dos que dependen de la teoría cuántica para su explicación:

La energía de ionización de los electrones 6s es anormalmente elevada, conduciendo a la notable estabilización del Hg(0), Tl(I), Pb(II) y Bi(III) comparado con Cd(0), In(I), Sn(II) y Sb(III); Mientras que las energías de enlace por lo general disminuyen al bajar en un grupo de elementos del bloque p, con frecuencia aumentan al bajar en un grupo de metales del grupo d, tanto en los propios elementos como en sus compuestos.

Estas observaciones pueden explicarse (aunque distan mucho de ser sencillas) si se combina la teoría de la relatividad de Einstein con la mecánica cuántica, en cuyo caso se atribuyen a efectos relativistas. Nos centraremos en generalizaciones químicas.

Según la teoría de la relatividad, la masa m de una partícula aumenta a partir de su masa en reposo mo cuando su velocidad v se acerca a la velocidad de la luz, c, y m viene dada por la ecuación:

Para un sistema de un electrón, el modelo de Bohr del átomo (que, a pesar de sus deficiencias, da el valor correcto para la energía de ionización) conduce a la velocidad del electrón, expresada por la siguiente ecuación:

Donde Z = número atómico, e = carga del electrón, ε0 = permitividad del vacío, h = constante de Planck.

Para n = 1 y Z = 1, v es solo ≈ (1/137) c, pero para Z = 80, v/c se hace ≈ 0.58, conduciendo a m ≈ 1.2 m0. Como el radio de la órbita de Bohr viene dado por la ecuación:


El aumento de m tiene como resultado aproximadamente un 20% de contracción del radio del orbital 1s (n = 1); esto se denomina contracción relativista. Otros orbitales s están afectados de manera análoga y, como consecuencia, cuando Z es elevado los orbitales s han disminuido el solapamiento con los orbitales de otros átomos. Un tratamiento detallado muestra que los p (que tienen una densidad electrónica baja cerca del núcleo) están menos afectados. Por otra parte, los orbitales d (que están apantallados de forma más efectiva de la carga nuclear por los orbitales s y p contraídos) experimentan una expansión relativista; un argumento similar se aplica a los orbitales f. La contracción relativista de los orbitales s significa que para un átomo de elevado número atómico, hay una energía extra de atracción entre los electrones s y del núcleo. Esto se pone de manifiesto en las energías de ionización más elevadas para los electrones 6s, que contribuyen al efecto termodinámico del par inerte 6s.

Génesis

¿Cómo se creó esta maravillosa mezcla heterogénea de elementos? En el principio hubo una gran explosión, así parece, y las cosas estaban verdaderamente calientes. Un segundo después la temperatura disminuyó a unos diez billones de grados Celsius, los protones, neutrones y electrones pudieron existir.

Cuando Dios hizo el Sol

se acostó de espaldas sobre su blanca

playa de arena, y extendiendo

sus pálidas manos,

hacia su espacio, formó

allí una esfera de hidrógeno,

Dios lo hizo, lo encendió

con su fuego nuclear. Él

sintió, Dios sintió, su calor

en su mano suave. Y

era bueno, era su Sol.

Cuando Dios se dispuso después

a hacer la Luna, puso

sus pies en el casco de hielo

de Marte, y extendió la mano

de nuevo, asiendo un pedazo

de un viejo sol, y Dios

lo lanzó, como bola de nieve,

hacia su Tierra. La Tierra

se estremeció, y así la Luna,

la Luna de Dios, alcanzó a ser.

Él sintió su luz reflejada,

y era buena, su Luna.

Cuando llegó el momento para que

Dios poblara esta Tierra azul,

se paró en el arrozal

y en el mar, hundido hasta

las rodillas, y, Dios querido, Él

no hizo a las personas a su

imagen, simplemente extendió

sus manos ya tostadas por su Sol

para plantar una mitocondria,

aquí un ojo de calamar, una semilla

de arroz. Les dio el azar, reglas,

el tiempo de Dios, y muy pronto

vinieron las criaturas, hablaron.

Era buena, la palabra

entre Dios y su gente.

Clasificación del Instrumental de Laboratorio

La Química es sin duda muy interesante, pues además de ser una de las ciencias más útiles para la humanidad, es una actividad placentera donde cualquier persona interesada en ella puede descubrir acontecimientos maravillosos en los fenómenos cotidianos que suceden a su alrededor.

Para su estudio y comprensión es necesario experimentar, por lo cual es necesario el conocimiento y manejo de algunos utensilios e instrumentos de uso común. Esta es la razón que me lleva a escribir estas líneas.

Bien, el instrumental del laboratorio se clasifica de acuerdo a su uso, separándose en dos grupos que son los Utensilios y los Aparatos.

Utensilio: Cualquier instrumento sencillo que sirve para el uso manual y frecuente. Se clasifican según su uso en el laboratorio.

1. Utensilios de sostén: Aquellos que permiten sujetar algunas piezas e instrumentos de laboratorio. Ejemplos son el soporte universal, la gradilla, el tripie y todo tipo de pinzas.

2. Utensilios usados como recipientes: Son todos aquellos que permiten contener sustancias. Por ejemplo los matraces Erlenmeyer y bola, el vaso de precipitados y los frascos goteros.

3. Utensilios volumétricos: Todos aquellos que permiten medir exactamente volúmenes de sustancias liquidas. Ejemplos son la bureta, la pipeta aforada, la probeta y el matraz aforado. La diferencia con los recipientes es que estos últimos no miden volúmenes precisos y solo sirven para almacenar temporalmente alguna sustancia o disolución.

4. Utensilios de uso específico: Aquellos que permiten realizar determinadas operaciones especiales y que solo pueden utilizarse para ello. Por ejemplo el embudo Büchner.

Aparato: Instrumento que permite realizar algunas operaciones específicas y que solo puede utilizarse para ello. Los aparatos se clasifican según su método de operación en:

1. Métodos ópticos, como en los microscopios ópticos de uso común.

2. Métodos fotométricos, como en un espectrofotómetro.

3. Métodos mecánicos, como en la balanza analítica.

4. Métodos electrométricos, como en el potenciómetro.

5. Métodos cromatográficos, como en las columnas de cromatografía liquida de alta resolución (HPLC).

Ahora, las determinaciones que podemos hacer con estos instrumentos, especialmente enfocadas a las ciencias medico-biológicas, son entre otras:

La presencia de microorganismos teñidos con colorantes.

La concentración de glucosa en la sangre o de acido úrico en la orina.

La masa de muestras de análisis o de sustancias solidas y liquidas.

La concentración de iones hidrógeno en una disolución de manera precisa.

La composición de una mezcla tanto cualitativa como cuantitativamente.

Conceptos curiosos sobre los Mecanismos de Reacción.

Una ecuación química no expresa mucho acerca de cómo se llevó a cabo la reacción. En muchos casos, solo se presenta la suma de una serie de reacciones sencillas, que se conocen como etapas elementales (o reacciones elementales) porque representan el avance de la reacción a nivel molecular. La secuencia de pasos elementales que lleva a la formación de productos se llama mecanismo de reacción. Para mostrar lo que se quiere decir con el estudio del mecanismo de una reacción, considérese la reacción entre metano y cloro para formar cloruro de metilo:

CH4 + Cl2 --> CH3Cl + HCl

Se sabe que los productos no se forman directamente como resultado de la colisión de una molécula de CH4 con una molécula de Cl2 porque han sido detectados los radicales cloro y metilo durante el curso de la reacción. Se propone un mecanismo para explicar la cloración del metano.

El mecanismo de reacción de cloración del metano consta de tres etapas:
1.- Etapa de iniciación, que genera un intermedio reactivo.
2.- Etapa de propagación, en la que el intermedio reactivo reacciona con la molécula estable para formar otro intermediario reactivo, permitiendo que el proceso continúe hasta que los reactivos se agoten o se destruya el intermedio reactivo.
3.- Etapa de terminación, en la que se dan reacciones colaterales que destruyen los intermedios reactivos, y tienden a aminorar o parar la reacción.

Esta reacción es una sustitución; el cloro no se añade al metano, sino que el átomo de cloro es sustituido por un átomo de hidrógeno, dando como subproducto HCl.

Ahora también puede hacerse un resumen de las especies que pueden aparecer en un mecanismo de reacción:
1.- Reactivo: Es la sustancia que se consume. En este caso el metano y el cloro.
2.- Producto: Es la sustancia que se forma. En el ejemplo el cloruro de metilo y el HCl.
3.- Intermediario de reacción: Especie que se forma durante las primeras etapas y que se consume en igual cantidad en las etapas posteriores. En este caso los radicales cloro y metilo.
4.- Catalizador: Especie que se consume durante las primeras etapas y que luego se regenera en igual cantidad en etapas posteriores. En el ejemplo la energía luminosa necesaria para activar la reacción.