Bienvenido a PRACTICA CIENCIA. Este es un blog dedicado a la divulgación científica. Su principal característica es un enfoque basado en la experimentación como punto de partida y en presentar cada nueva entrada justo cuando las anteriores han fijado de manera sólida los conocimientos previos necesarios. Este blog hace uso sistemático de vídeos de youtube, ya que el autor considera que no hay nada como ver para creer y hoy en día hay excelente material didáctico en la red el cual puede ser legalmente utilizado ya que apuntamos directamente a la fuente y al autor del mismo. Así, este blog está cogiendo el formato de lo que podríamos denominar una "youtupedia": entradas apoyadas por vídeos donde hay multitud de enlaces que nos derivan a otras entradas y en el que además se intenta que haya siempre un hilo conductor. Todo ello amenizado por los propios comentarios del autor que son fruto de su experiencia en el campo, tras años de estudio y autoindagación.
El óxido de fósforo es una de las moléculas más bonitas y complejas de la química inorgánica, Cuando se constituye a partir de oxígeno líquido y un trozo de fósforo sólido, activado por una chispa de calor, la reacción que le da lugar emite gran cantidad de luz.
Su forma es doblemente tetraédrica, tanto por la disposición hibridación de los átomos de fósforo, cómo por la forma en que cada uno de ellos se posiciona en los cuatro vértices de un tetraedro.
Aunque su fórmula empírica es P2O5, la molecular es P4O10.
Uno de los principales grupos funcionales de los compuestos de química orgánica son los ácidos carboxílicos. Uno de ellos es el ácido acético, cuyo nombre más formal según los estándares de nomenclatura es el de ácido etanoico. Éste se caracteriza por la sustitución de uno de sus grupos metil (CH2 en posiciones intermedias o CH3 en los extremos) por un grupo COOH (grupo carboxilo), en el que el carbono forma un enlace doble con un oxígeno y otro simple para unirse a otro (OH).
Los grupos funcionales son pequeños agregados de átomos que al ser adheridos a una cadena o ciclo de una molécula orgánica le transfieren ciertos rasgos o propiedades característicos.
La química orgánica se dedica al estudio de las moléculas cuya estructura se basa en la ilimitada utilización de un cierto número de átomos de carbono, elemento altamente enlazante, normalmente junto a una cantidad considerable también de hidrógeno, junto con eventualmente otros átomo como el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo o cualquiera de los halógenos.
Los compuestos químicos orgánicos forman parte normalmente de las moléculas de la vida, proteínas, ácidos nucleicos, las cuales surgen por la combinación de cadenas de hidrocarburos en las que ciertos átomos de hidrógeno han sido sustituidos por grupos funcionales. También forman parte de los combustibles fósiles.
El benceno fue aislado químicamente por primera vez por Micheal Faraday. Aunque su fórmula empírica, C6H6, no se pudo establecer hasta que Mitscherlich consiguió medir su masa molecular. Aún mucho más difícil fue dilucidar su estructura espacial. Varios científicos propusieron diferentes modelos fallidos al no encajar bien con las propiedades que se medían según era de esperar, hasta que Kekulé dio con la bella forma del benceno: un anillo hexagonal con tres dobles enlaces que entran en resonancia entre sus dos posibles configuraciones. La leyenda cuenta que Kekulé adivino la forma correcta del benceno tras aparecérsele en un sueño una serpiente que se mordía la cola cerrándose en círculo.
El carbonato de calcio es una de las formas minerales de encontrar carbono en la naturaleza, siendo el principal componente de la piedra caliza. Su estructura parte de la cristalina que forma en base a enlaces iónicos entre el catión Ca2+ y el anión (CO3)2-.
En el anión (CO3)2- el carbono forma un doble enlace y dos enlaces simples con los oxígenos, adquiriendo una disposición plana.
El carbono es un átomo crucial para el establecimiento, desarrollo y mantenimiento de la vida en nuestro planeta. Y todo parece que radica en un complejidad 'exactamente' intermedia. Ni tan simple como el hidrógeno, el cual solamente posee un electrón. Ni completo como un gas noble, el cual posee ocho electrones en su capa de valencia. El carbono, por contra, posee cuatro electrones en su capa de valencia (la mitad de los necesarios para ser 'completo'), que más los dos que tiene en su capa más interna, le confieren un total de seis electrones.
Esa equidistancia entre el todo y la nada en cuanto al número de electrones de su capa de valencia (cuyo nivel cuántico se corresponde con n = 2) y el hecho de ser el átomo más pequeño en cumplir esa propiedad (los otros se corresponden con niveles dados por n = 3, 4, 5,...; silicio, germanio, estaño, plomo,...) es lo que parece que lo distingue sobre todos los demás elementos químicos. ¿Por qué?
Si le faltaran o sobraran uno, dos o tres electrones para ser completos, le bastaría con asociarse con respectivamente uno, dos o tres átomos (más o menos dependiendo de que los enlaces sean simples, dobles o triples). Pero por su carácter tetravalente (puntualmente puede ser también bivalente si lo que hace es ceder los dos electrones en los orbitales p) el número de átomos con los que se suele rodear es máximo y su número es cuatro. Cuando los átomos con los que buscan compartir electrones para completarse son los de hidrógeno da lugar a los hidrocarburos. La simplicidad del hidrógeno combinada con la tetravalencia del carbono da lugar a una plasticidad que se manifiesta por la enorme cantidad de posibles moléculas que se pueden constituir a partir de ellos, más de 500.000 compuestos de formas, tamaños y funciones increíblemente variados, los cuales, con pequeñas modificaciones aceptan otros átomos (oxígeno, nitrógeno y fósforo principalmente) para construir las moléculas de la vida (proteínas, ácidos nucléicos, ADN, ARN).
La electrostática y la geometría se confabulan en el carbono. ¿Cómo? De forma natural, su carácter tetravalente adopta la forma, a través de la constitución de cuatro orbitales híbridos moleculares, de un tetraedro. Los orbitales híbridos (sp3) aparecen cuando el carbono "se prepara" para enlazar, al traspasar uno de los dos electrones de su orbital 2s al orbital libre 2p (véase el vídeo de arriba) y conseguir transformarse en una nueva forma en la que adquiere una distribución simétrica propiciada por la repulsión mutua de todos los cuatro electrones exteriores. Esta geometría es la que subyace a algunas de las formas en las que encontramos al carbono en la naturaleza, sólidos basados en una celda unitaria de estructura hexagonal o cúbica (como en el caso del diamante). En otros casos lo encontramos en compuestos inorgánicos como la piedra caliza, cuyo principal contenido es carbonato de calcio.
Como su nombre indica, los hidrocarburos, son las moléculas orgánicas que solamente se constituyen a partir de átomos de carbono y hidrógeno. El carbono es un átomo muy singular. Su estructura electrónica, con cuatro electrones de valencia en la última capa, justo la mitad de los necesarios para conseguir completar los ocho electrones requeridos para alcanzar la máxima estabilidad según la teoría de Lewis, lo convierten en un elemento muy reactivo y capaz de crear formas moleculares muy variadas, especialmente cuando combina con el hidrógeno, la sencillez personificada, por su único electrón enlazante. Los otros elementos de la misma columna (silicio, germanio, estaño y plomo), por su mayor tamaño, son mucho menos dados a crear moléculas con la plasticidad con la que lo hace el carbono.
Los hidrocarburos que forma el carbono estableciendo únicamente enlaces simples se conocen como alcanos. Cuando existe al menos un enlace doble entre dos carbono entonces se denominan alquenos. Los alquinos son los hidrocarburos en los que hay, al menos, un enlace triple entre dos carbonos.
En el vídeo de arriba se introduce la nomenclatura que se utiliza para identificar a cualquier tipo posible de hidrocarburo, ya sea que se constituye en una cadena lineal o en una circular (cuyo caso más sencillo es el anillo de benzeno).
Los alcanos son moléculas orgánicas en la que solamente intervienen átomos de carbono e hidrógeno formando enlaces simples entre sí. Su nombre viene condicionado por el número de carbonos que poseen. Los cuatro primeros tienen nombre distintivos y a partir de ahí siguen una nomenclatura más específica. Éstos son:
Metano: CH4.
Etano: C2H6.
Propano: C3H8.
Butano: C4H10.
La fórmula empírica, no en vano, no nos sirve para visualizar la disposición espacial de los átomos o la posibilidad de que ésta pueda darse en diversas configuraciones posibles. De ahí lo interesante del vídeo de arriba.
A menudo lo que ocurre es que el compuesto se escribe sobre una hoja de papel dando una idea de como se distribuyen sus átomos, si bien proyectada en dos dimensiones. Veamos con luce en este caso la fórmula del etano:
Sin embargo, no es sino desde la disposición espacial que podemos apreciar su justa forma y distribución. Así, para el etano, se adivina la posibilidad de constituirse en dos formas diferentes, según que los átomos de hidrógeno de ambos grupos metilo queden enfrentados (disposición enfrentada) o alternados (disposición alternada).
A partir de 5 carbono los alcanos reciben nombre basados en prefijos pent-, hex-, hept-, octo-, non-, dec-, etc, y el sufijo -ano. La disposición de los átomos de carbono desde el propano en adelante es en forma de zig-zag, tal y como se puede apreciar en la siguiente molécula de decano.
El metano, CH4, es el más sencillo posible de los compuestos de Química Orgánica. Pertenece al grupo de los alcanos. aquellos compuestos orgánicos que solamente establecen enlaces simples entre sus átomos. Además, tal y como se explica de forma muy pedagógica en el vídeo, se dispone en una forma tetraédrica totalmente simétrica debido a la repulsión mutua entre los electrones de los hidrógenos, lo cual lleva encontrar la forma en el espacio de alejarse lo más posible unos de otros: formando un ángulo entre ellos de 109'5 º.
La glucosa es la molécula orgánica probablemente más importante para la vida. Su fórmula empírica es CH2O, por lo que esta expresión no es muy útil, ya que puede llevar a confundirla con el ácido acético. Pero cuando vamos su fórmula molecular (C6H12O6) apreciamos su mayor complejidad. Cuando nos planteamos su fórmula estructural advertimos varias posibilidades. En primera instancia, vemos que puede aparecer en su forma lineal como D-glucosa o L-glucosa.
Estas formas lineales pueden plegarse para cerrarse en círculo sobre si misma en su más conocida forma hexagonal. En ella, dependiendo de pequeños detalles, como la orientación de un hidrógeno H o un grupo OH en uno de sus carbonos, aparecerá en una configuración ligeramente diferente.
Las plantas son capaces de sintetizar la glucosa a partir de dióxido de carbono y agua actuando la luz solar como catalizador.
El cloruro de sodio, NaCl, comúnmente conocido como sal común, es un compuesto iónico que se constituye en una red cristalina de celda unitaria cúbica.
La forma de entender este enlace iónico es por la cesión de un electrón por parte del sodio al cloro, de forma que ambos se ionizan para adquirir una configuración de última capa de 8 electrones, la cual, según la teoría de Lewis, dota a los átomos de una máxima estabilidad en su semejanza con los gases nobles que se encuentran en el mismo nivel energético.
El sodio al ceder un electrón se convierte en el ion Na+. El cloro al adquirirlo se convierte en ion Cl-. Entonces, por el mero hecho de tener cargas negativas netas opuestas, se atraen y se distribuyen en la estructura que permita la mayor envoltura posible de unas cargas por las de signo contrario, estableciendo un patrón que pueda mantenerse a lo largo y ancho del espacio. Esto lleva a que cada ion de sodio se rodeo por seis iones de cloro y viceversa. Esta es la naturaleza del enlace iónico que no debe entenderse nunca a nivel atómico, como un enlace entre un sodio y un cloro, sino como la síntesis de la red cristalina que se replica en el espacio con una determinada proporción de iones de un tipo de átomo y de otro, fruto de la atracción electrostática que surge entre ellos.
El cloruro de sodio se forma a partir de sodio en estado sólido y cloro en estado gaseoso. El cloro en estado gaseoso se encuentra en su forma molecular Cl2. En ella, dos átomo de cloro forman un enlace covalente, gracias al cual, compartiendo mutuamente un electrón, ambos se benefician alcanzando el número de 8 electrones con el que obtienen la tan valorada estabilidad.
