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.

Las niñas no juegan a la química.

Es algo bien establecido el hecho de que la ciencia es un juguete para los adultos, no apto para aquellos que no poseemos un título de doctorado, pero es muy curioso notar que quienes nos aventuramos a aprender y elucidar los secretos del Universo, en especial las personas que estudiamos física o química, somos mayoritariamente hombres. No estoy diciendo que sean ciencias exclusivas de hombres, pero debemos considerar el hecho de que históricamente hablando, estas dos grandes ciencias fueron desarrolladas por varones ilustres que observaron los fenómenos de la naturaleza. Y aparentemente esa influencia continúa hasta nuestros días.

Paradójicamente este paradigma es contrarrestado en ciencias como la biología, donde la belleza y gracia de sus objetos de estudio son afines a la sensibilidad de las chicas que cada vez más se enfocan a las ciencias básicas y de la salud. Pero, por ejemplo, en la química, los estadísticos muestran el hecho de que la cantidad de mujeres que ingresan y egresan anualmente es una cantidad casi constante. La mayoría de las niñas que en estos momentos se encuentran en una carrera relacionada con las ciencias químicas estuvieron relacionadas en algún momento con las olimpiadas de química o con actividades afines a ella. Muchas de ellas terminan incluso posdoctorados y laboran como catedráticas en universidades, institutos tecnológicos y unidades de investigación.

Pero, es menester hacer hincapié en el hecho de que si bien pocas, y me refiero dentro del nivel bachillerato, hay mujeres que hacen química de manera fantástica, que tienen un cumulo de conocimientos exquisito, poseedoras de una habilidad inaudita para el trabajo experimental y que se encuentran dentro de las mejores estudiantes de esta ciencia a nivel nacional. Algunas trabajan en centros de investigación, otras se irán a estudiar a otro país, y algunas más en estos momentos están representando a todos los jóvenes preuniversitarios amantes de la química de México. Amigas que estudiarán en la facultad o en escuelas privadas de alto nivel académico, a quienes les hago un reconocimiento público y recuerdo que mujeres valerosas y aguerridas como ustedes dignifican y enaltecen al género femenino. Pido para todas ellas un aplauso de pie.

Ferroceno

En el año de 1952 se produjo una revolución en el campo de la química organometálica cuando se sintetizó un compuesto de hierro y el ion ciclopentadienilo, C5H5- (cuya abreviatura común es Cp). Se demostró que en este compuesto el ion hierro está entre los dos anillos aromáticos como si fuera una especie de sándwich. Este primer miembro establecido de la clase, el Fe(η5-C5H5)2 cristalino de color naranja, se conoce comúnmente como ferroceno. En virtud de que el ion Cp tiene una carga negativa, nominalmente el hierro del ferroceno tiene una carga nominal de +2. La ruta de carácter más general para llegar a los metalocenos (ferroceno, niqueloceno, entre otros) implica la formación del anión Cp por reacción del ciclopentadieno con sodio metálico en un disolvente orgánico polar, seguida de la reacción del producto con el cloruro del metal.

2 C5H6 +2 Na(s) → 2 Na+ + 2 C5H5- + H2(g)
2 C5H5- + FeCl2 → Fe(η5-C5H5)2 + 2 Cl-
2 Na+ + 2 Cl- → 2 NaCl(s)

Por lo común los compuestos organometálicos son volátiles y se descomponen en presencia de oxigeno o agua; sin embargo, el ferroceno es muy estable, pues funde a 172.85 °C y es térmicamente estable al menos hasta los 500 °C. Parte de la estabilidad es consecuencia de la aromaticidad de los seis electrones π de cada anillo de Cp; por lo tanto este anillo es tan difícil de atacar como el benceno. El ferroceno reacciona solo con reactivos muy enérgicos, y aun éstos rara vez lo descomponen. Por ejemplo, el ácido nítrico oxida el ferroceno al ion ferricinio, Fe(η5-C5H5)2+ de color azul verdoso, pero deja intactos los anillos aromáticos.

A partir del descubrimiento del ferroceno los complejos que contienen moléculas orgánicas ligadas por medio de sus sistemas π han llegado a ser cosa común. Por ejemplo, se conocen compuestos de la molécula aromática más sencilla, el benceno, como el di-hexahaptobencenocromo(0), Cr(η6-C6H6)2.

El mundo de los compuestos organometálicos está repleto de sorpresas. Por ejemplo, el hierro forma un compuesto con dos ligantes de Cp y dos ligantes de carbonilo, pero sólo uno de los anillos está unido de costado; el otro forma un enlace σ por medio de uno solo de los átomos de carbono de su anillo. Por tanto, la fórmula del compuesto se escribe: Fe(η1-C5H5)(η5-C5H5)(CO)2.

Solo por diversión

Durante el tiempo que estuve estudiando para competir en las olimpiadas de química, como en toda la vida, existieron momentos buenos, momentos no tan agradables y sin duda alguna, momentos inolvidables. Todo esto pasó de manera fugaz, mi vida comenzó a no tener un sentido fijo y perdí el objetivo principal de la misión. Fue una relación simbiótica entre las comodidades que la química me daba y mi deseo de aprender cada día cosas nuevas. Cada vez era más difuso el horizonte.

Pero platicando con un muy estimado amigo de Baja California, recordé que el motivo de estar concursando no es otro más que la diversión; puramente engendrada apartir de disfrutar los encantos de la química y del amor tan profundo que tengo por esta ciencia. Así recordé aquellos tiempos en los que no me importaba enfundarme en una bata y saltar al acecho de nuevas reacciones; esos momentos en los que con productos de uso domestico común conformé mi primer laboratorio de trabajo; lejanos días en los que con tubos de ensaye de mi juego de química y con pequeñas remesas de químicos baratos descubría los secretos intimos de la naturaleza.

Creo que así comienza todo. Todo lo grande comienza siempre pequeño; todo lo difícil comienza siempre fácil. Y creo que en ese momento próximo al final es cuando uno olvida todo el hermoso background que tiene, el que suscribe menosprecia el saber que el Cr 2+ es azul; el Cr 3+ es verde; el Cr 6+ es anaranjado en medio ácido y amarillo en medio básico. Es ahí donde uno comete el error: nunca debemos hacer de menos lo que conocemos, lo que a nosotros nos consta. Cualquiera puede decir que la reacción de Tollens produce un espejo de plata, pero pocas personas que yo conozco han exclamado cuan hermoso es ese precipitado de plata fina.

Esto es una reflexión acerca de los conocimientos y la forma de adquirirlos. No basta leer en un libro que la reacción de Cu 2+ con amoniaco produce el ion tetraaminocobre II, hay que ver el tubo de ensaye y contemplar el encanto, misterio y belleza de la química. Esta actividad sin duda genera entusiasmo y motivación por buscar entender los misterios de las sustancias. Puede ser una forma novedosa de enseñar (y aprender) química.