REACCIONES QUÍMICAS: CARBONATO DE CALCIO + ÁCIDO CLORHÍDRICO

Una reacción química es un proceso de transformación en el que se ven involucradas diversas sustancias químicas, unas de partida, llamadas reactivos, y otras que se crean, denominados productos.

Una reacción química muy fácil de llevar a término por la accesibilidad de sus reactivos es la de carbonato de calcio con ácido clorhídrico. El carbonato de calcio, CaCO3, es fácil de encontrar en forma de piedra caliza, la cual está por doquier en la tierra. De hecho, en el vídeo, varios trozos de piedra caliza son recogidos directamente del suelo en el patio de un colegio. El ácido clorhídrico, HCl, se encuentra disuelto en el Salfumant, un conocido producto de limpieza.

Sólo es necesario poner ambos en contacto en cantidades adecuadas para que se produzca la reacción química.

El único instrumento de alta precisión requerido para sacar conclusiones del balance de la reacción es una balanza de alta resolución, capaz de medir hasta la milésima de gramo. Con las medidas adecuadas realizadas de peso, antes y después de la reacción, considerando la Ley de la conservación de la materia de Lavoisier (ya adelantada históricamente por Lomonosov en Rusia), y la aplicación práctica del concepto de mol para la determinación de masas atómicas anotadas en la tabla periódica de los elementos, se deduce en el vídeo de arriba el porcentaje de pureza de carbonato de calcio en la piedra caliza.

Para establecer relaciones entre las cantidades de reactivos consumidas y de productos que se crean en la reacción y sus pesos correspondientes deberemos tomar nota de las masas atómicas de los elementos químicos involucrados: el calcio (Ca), el carbono (C), el oxígeno (O), el hidrógeno (H) y el cloro (Cl). Estos datos se pueden leer en la tabla periódica de los elementos.

La clave para deducir la masa producida de dióxido de carbono es restar la masa total inicial contenido en la balanza (matraz + Salfumant + piedra caliza) y la masa total final, cuya diferencia únicamente puede explicarse por el gas liberado al ambiente.

CROMOSOMAS

El material genético contenido en las células de un ser humano se puede imaginar como una enciclopedia de 23 tomos. Tal es la cantidad de información que se debe almacenar que no cabría en un solo tomo. Cada uno de estos "tomos" es un cromosoma. El cromosoma contiene el material genético con el que se codifican las instrucciones que deben llevarse a término para sintetizar las aproximadamente 30.000 proteínas que son necesarias producir para sostener la vida. El fragmento concreto de código genético que hay que leer para realizar una función concreta se conocen como gen. Podemos imaginarnos un gen como un fragmento de una página de la enciclopedia de la vida con las instrucciones sobre cómo hacer algo concreto, así como el diccionario contiene la definición precisa y el significado de cada palabra. Sólo que en este caso el lenguaje utilizado solamente emplea cuatro "letras" diferentes: A (adenina), C (citosina), G (guanina), T (timina); las iniciales de las cuatro bases orgánicas con los que se crea la secuencia codificada el ácido desoxirribonucleico o ADN.

LA REPRODUCCIÓN CELULAR

Sólo uno de aproximadamente 100 millones de espermatozoides  tendrá eventualmente la posibilidad de fecundar el óvulo. Cuando eso ocurre, los cromosomas del hombre y la mujer se dividen, y una copia de cada se completa con nuevo material genético y se reparten a ambos lados del núcleo antes de que éste se empiece a multiplicar por división en un primer paso conocido como mitosis.

Empieza así un proceso que a lo largo de 9 meses y 56 generaciones producirá los aproximadamente 12 billones de células que contiene el feto preparado para el nacimiento. Una extraordinaria y maravillosa inteligencia impele todo el proceso de creación de los múltiples y variados tipos de células y su reparto por el cuerpo para crear los tejidos del cerebro, corazón y hasta el más remoto órgano vital.

DEMONIO DE MAXWELL Y MÓVIL PERPETUO DE SEGUNDA ESPECIE

Una de la paradojas más interesantes de la Ciencia es la del demonio de Maxwell que pretende recrear un experimento mental para contradecir el Segundo Principio de la Termodinámica construyendo lo que se conoce como móvil perpetuo de segunda especie.

Este experimento mental consiste en imaginarse a dos gases contenidos en dos recipientes que están en contacto por una membrana, la cual dispone de una puerta o apertura que un demonio puede abrir haciéndolo deliberadamente siempre en la misma dirección. El demonio actuaría de forma inteligente de forma que dejara pasar solamente las moléculas energéticas en una dirección. De esta forma, en el recipiente de la izquierda, por ejemplo, se acumularían más moléculas y más energéticas que en el de la derecha, de forma que aumentaría la presión y la temperatura. Y eso se podría aprovechar, por ejemplo, para mover las aspas de un sencillo y ligero molinillo. Pasado un tiempo, el demonio abriría la compuerta para que se mezclaran otra vez los gases hasta alcanzar el equilibrio en el punto de máxima entropía y reiniciaría el proceso de nuevo.

Este mecanismo fue ingeniado por Maxwell en 1869.

Según Léon Brouillin y otros científicos la posible explicación a la paradoja de Maxwell se sustentaría en dos principios:

• a la propia decisión del demonio requiere el uso de una información en la que subyace un gasto de energía que hay que tener en cuenta. Esta consideración abre la puerta a un interesante campo de la ciencia que sugiere que la entropía tiene una contraparte lógica que es susceptible de ser estudiada en sistemas de información como los binarios que usan los ordenadores y cuya unidad es el bit.
• a la energía cinética involucrada para abrir la puerta por el demonio siempre en la misma dirección.

Este es un tema apasionante que tuve ocasión de profundizar gracias a una edición monográfica de la revista Investigación y Ciencia que llevaba por título El Orden y el Caos. Lamentablemente este monográfico se encuentra agotado desde hace algunos años por lo que es bastante difícil de conseguir. Pero podemos al menos consultar el desglose de temas que incluye y una breve introducción a los mismos pinchando en el siguiente link.

Aunque el demonio de Maxwell sea un mero artificio intelectual, en el mundo real al procesos equivalentes, cómo la catalización de determinadas reacciones químicas por encimas que actúan en función de la información que obtienen de la información genética sintetizada en una proteína. Por supuesto que en este caso este proceso ocurre en un sistema abierto y, aunque la entropía en la reacción química en si pueda disminuir, no así si se tiene en cuenta la del entorno.

LINEAS ESPECTRALES DEL ÁTOMO DE HIDRÓGENO

Poco tiempo después de observar la serie espectral de Balmer se observaron también las series de Lymann, Bracket, Paschen y Pfund, cuya diferencia esencial era en nivel energético atómico de procedencia en las transiciones de los electrones que provocaban la emisión de un fotón (n = 1, 3, 4, y 5 respectivament).

Todas estas lineas espectrales incluida la serie de Balmer podían ser explicadas por la siguiente fórmula empírica.

SERIE DE BALMER

El análisis de las lineas espectrales de emisión del hidrógeno obtenidas al calentar el mismo por alto voltaje y separadas por mediación de un prisma llevó a la definición de una fórmula empírica que se conoce como serie de Balmer y que hoy en día sabemos que se corresponde con la luz emitida al saltar un electrón desde el nivel energético n = 2 a cualquier otro de energía menos (m > 2).

Este espectro puede ser observado con instrumentos ópticos convencionales porque su longitud de onda cae dentro del visible.

Tanto el espectro correspondiente a la serie de Balmer como las otras lineas espectrales que se descubrieron más adelante pudieron ser cuadradas por la fórmula empírica de Rydberg.

EFECTO COMPTON

El efecto Compton confirmó la naturaleza ondulatoria de los fotones de la luz. Así se comprobó básicamente que la hacer "colisionar" una haz de luz de longitud de onda determinada, el haz salía con una distribución de longitudes de onda que dependía del ángulo de desviación (o de scattering) exactamente como se predecía por conservación del momento y la energía si se suponía que los fotones estaban constituidos por quantos de luz hf tal como había enunciado Planck y Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico.