Átomos y moléculas en el universo
La tabla periódica de los elementos
Se postuló como origen del universo una gran explosión. Y a partir de un gas denso se formaron las galaxias que pueblan el universo.
Cuando la temperatura del universo era aproximadamente mil millones de grados, se empezaron a formar los núcleos de los elementos. Primero se formaron los elementos más simples, hidrógeno y helio y después en el interior de las estrellas se formaron núcleos de otros elementos.
El hidrógeno y el helio siguen siendo los principales constituyentes del universo.
Un átomo de hidrógeno esta formado por un núcleo en el hay un protón que posee carga positiva, la cual está neutralizada por un electrón que tiene carga negativa.
Cuando el hidrógeno se mezcla con el oxígeno en un soplete y se le prende fuego, produce una flama de color azul pálido, liberando gran cantidad de calor. En esta reacción el oxígeno y el hidrógeno se combinan formando agua que se escapa en forma de vapor.
Si se pone una unidad de pedo de hidrógeno por 8 de oxígeno y si se produce en su interior una chispa eléctrica, se provoca una explosión con formación de agua sin gases sobrantes, pero si la cantidad de uno de los gases excede a las proporciones, quedará el exceso sin reaccionar. A esto se le conoce como la Ley de las proporciones constantes e indica que dos átomos de hidrógeno, cada uno de peso atómico 1, reacciona con un átomo de oxígeno, con peso atómico de 16, produciendo una molécula de agua con peso molecular de 18.
Propiedades del agua
El agua es la molécula más abundante en la Tierra, se encuentra en sus tres estados físicos.
En estado líquido cubre las 3/4 partes de la superficie del planeta, en el estado gaseoso se encuentra gran parte en la atmósfera y el estado sólido en las altas montañas, y cubriendo las regiones polares.
En en los organismos marinos se encuentra en más de 90% de peso.
El agua en su estado puro, es un líquido incoloro,insípido e indoloro. Un gramo de agua elevará su temperatura en un grado centígrado cuando se le suministra una cantidad de energía en forma de calor equivalente a una caloría, su punto de fusión es de 0° y al nivel del mar su punto de ebullición es de 100°.
El hielo por ser menos denso que el agua, flota sobre ella y por ser mal conductor de calor, aisla las capas más profundas impidiendo su congelación, conservando las condiciones apropiadas para la vida.
Las grandes reservas de agua como reguladoras del clima
El agua se calienta y enfría mas lentamente que el suelo, lo que sirve para regular la temperatura.
Por ello las regiones marítimas tienen climas más extremos que las regiones alejadas del mar.
Agua oxigenada, peróxido de hidrógeno, H2O2
Aparte del agua otra sustancia que se obtiene al combinar hidrógeno y oxígeno solo que con un átomo más de oxígeno es la conocida agua oxigenada o peróxido de hidrógeno.
Esta sustancia por tener otro átomo de oxígeno es inestable, libera oxígeno con facilidad para quedar como agua.
Por la facultad de liberar oxígeno mata a muchos microbios por lo que se usó como desinfectante de heridas. También se emplea como decolorante.
El agua oxigenada que sirve como desinfectante es muy diluida, y en los laboratorios químicos es más concentrada y peligrosa ya que si se pone en contacto con la piel causa quemaduras.
Preparación de hidrógeno
El hidrógeno se puede liberar de las moléculas de las que se encuentra combinado con otros elementos. El agua es el compuesto de hidrógeno más abundante y accesible. Como el agua está formada por átomos de hidrógeno, cuyo único electrón se pierde con cierta facilidad para dar iones positivos al pasar una corriente eléctrica a través del agua, el esperase la generación de protones que, por tener carga positiva, serán atraídos hacia el polo negativo, cátodo, donde se descargara, liberando hidrógeno gaseoso.
El agua es mala conductora de la corriente eléctrica, por lo que es necesario disolver en ella una base o un ácido fuerte para volverlo conductora.
Esa reacción es conocida como electrólisis, que es la ruptura de una molécula por medio de electricidad.
Preparación de H2 en el laboratorio
Una redacción para preparar hidrógeno es la descomposición de un ácido fuerte por medio del metal. En esta reacción el metal desplazará al hidrógeno. Si el hidrógeno liberado se hace arder en presencia de aire, se podrá condensar el agua formada por la combinación con el oxígeno del aire.
La electrólisis en la obtención de metales
Aluminio
La bauxita es un óxido de aluminio muy abundante, de el se obtiene el aluminio metálico mediante un proceso electrolítico muy ingenioso descubierto en Estados Unidos por Charles M. Hall, de 22 años, y en Francia por P. L. T. Heroult también de 22 años.
Para obtener aluminio a partir de bauxita, tiene que ser purificada y disuelta en un baño de criolita fundida, la solución caliente es colocada en una tina de carbón, se inserta barra de grafito y se hace pasar corriente eléctrica a través del mineral fundido. Como resultado de este proceso, el óxido se descompone y el aluminio se deposita en el fondo de la tina, de donde es posible recuperarlo.
Helio
Es el segundo elemento más abundante en el universo, es un gas ligero que a diferencia del hidrógeno, es inerte, no se combina con otros elementos. El helio es tan poco reactivo, que no se combina ni consigo mismo.
El helio tiene en su núcleo dos protones y su única capa electrónica se encuentra saturada con dos electrones por lo cual es un elemento inerte.
La atmósfera primitiva de la Tierra
Oparin supone que la atmósfera esta compuesta por vapor de agua, amoníaco e hidrocarburos, principalmente metano,
conteniendo también ácido sulfhídrico.
En 1953, Miller dio apoyo a la teoría de Oparin mediante un experimento: puso en un recipiente cerrado vapor de agua, metano, hidrógeno y amoniaco, y sometió esta réplica a la atmósfera primitiva a descargas eléctricas durante una semana y después se formaron en su interior ácidos orgánicos, distintos aminoácidos y urea.
Probablemente el vapor de agua se disoció por acción de los rayos ultravioleta, dando lugar al oxígeno y debido a su radioactividad, se combinaba con los elementos de la corteza terrestre para dar óxidos, óxido al amoniaco que abundaba en la atmósfera de la Tierra joven, dando como producto agua y nitrógeno, con el tiempo la cantidad de nitrógeno aumento hasta predominar en la atmósfera.
Una cantidad del O2 que quedaba se combinó entre sí debido a la radiación ultravioleta, dando lugar a la formación del ozono, al formar una capa en la atmósfera superior impidió la entrada de ese tipo de rayos. Esto facilitó la vida vegetal y por medio de la fotosíntesis, descompuso el CO2, con la consiguiente liberación de oxígeno que se fue acumulado en la atmósfera hasta propiciar la vida animal.
La atmósfera esta compuesta por 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno, 0.09% de argón, vapor de agua, bióxido de carbono.
Componentes del cuerpo humano
Los principales elementos de que está formado el cuerpo humano son carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno.
El agua que es la molécula que mas abunda en el cuerpo humano llega a ser mas del 70% de su peso. Todos los elementos de la Tierra y de la atmósfera que se utilizaron para crear un ser vivo, regresan a su punto de origen.
El átomo de carbono, los hidrocarburos, otras moléculas orgánicas, su posible existencia en la Tierra primitiva y en otros cuerpos celestes.
La generación del carbono se dio en el interior de las estrellas antes de la formación del sistema solar.
A partir de materiales cósmicos, polvo y gas provenientes de los restos de estrellas que explotaron.
Cuando la tenue nube de polvo y gas fue comprimida por la onda de choque producida por la explosión de una estrella supernova se formó la nebulosa en cuyo centro la materia se concentró y calentó formando el Sol.
Rodeando al sol, la materia era cada vez más fría y sus elementos más ligeros.
Los planetas interiores, Mercurio, Venus, Tierra y Marte son rocosos con gran proporción de metales, óxidos y silicatos. Los planetas exteriores contienen más gases.
Los elementos transuránicos han sido preparados artificialmente por el hombre mediante colisiones entre distintos átomos.
Cuando la colisión se efectúa entre átomos y neutrones se obtiene átomos con idéntico número atómico, pero diferente peso molecular y se les llama isótopos.
Cualquier elemento natural o sintético es identificado por su número atómico, que corresponde al número de protones que lleva en su núcleo. Los elementos tienen un número variable de isótopos.
Los diferentes isótopos de un elemento ocuparán el mismo lugar en la tabla periódica y tendrán idénticas propiedades químicas ya que su configuración electrónica permanece estable.
El carbono en estado libre
El diamante es un cuerpo puro y transparente en el que cada átomo de carbono se encuentra unido a otros cuatro localizados en los vértices de un tetrahedro. En el grafito los átomos de carbono están unidos a tres átomos formando capas de hexágonos.
El diamante y el grafito tienen propiedades diferentes debido a las diferencias que existen en las uniones entre los átomos de carbono.
A diferencia del diamante el grafito es un buen conductor de energía eléctrica.
Compuestos del carbono
El átomo de carbono por tener cuatro electrones de valencia tiende a rodearse por cuatro átomos con los que comparte cuatro de sus electrones para así completar su octeto.
La tierra tuvo en su primera época una atmósfera rica en el hidrógeno por lo que el carbono reacciono con el formando moléculas de hidrocarburos. Como el hidrógeno contiene un solo electrón de valencia, cada átomo de carbono se une a cuatro de hidrógeno formando el más sencillo de los hidrocarburos el metano.
En el metano los cuatro átomos de hidrógeno se encuentran acomodados en los vértices de un tetrahedro.
Los hidrocarburos cíclicos se representan esquemáticamente por medio de polígonos: el ciclopentano por medio de un pentágono y el ciclohexano por un hexágono, cada ángulo representa un CH2.
Los cuatro primeros hidrocarburos lineales se llaman: metano, etano, propano y butano, son gases inflamables. Los siguientes tres: el pentano, el hexano y el heptano son líquidos inflamables con bajo punto de ebullición.
Los hidrocarburos con mayor número de átomos de carbono son líquidos de punto de ebullición elevado hasta llegar a 14 átomos de carbono, que es el primer hidrocarburo sólido.
Dos átomos de carbono pueden unirse entre sí usando no sólo una valencia, sino dos o tres. Con dos valencias se tendrá una molécula llamada alqueno.
Al existir la tendencia de los átomos de carbono a quedar unidos entre sí por una sola valencia, quedan disponibles las valencias extras para unirse a un hidrógeno u otros átomos, dando hidrocarburos saturados o hidrocarburos sustituidos.
También se puede que dos átomos de carbono unan tres de sus cuatro valencias, formando así sustancias llamadas alquinos.
El acetileno se ha encontrado en meteoritos y muestras de la luna, en donde se halla combinado con metales formando sustancias duras, llamadas carburos.
Los carburos metálicos se forman por interacción entre el átomo de carbono y un óxido metálico a elevadas temperaturas. Los metales alcalinos forman carburos que pueden representarse como M2C2 y los alcalino térreos forman carburos representados por MC2.
Metano
Resultado de la unión de un átomo de carbono con cuatro hidrógenos.
El metano es un gas volátil e inflamable. Se produce en el estómago de los mamíferos cuando tienen una mala digestión.
El metano y otros compuestos químicos en los cuerpos celestes
El metano forma parte de la atmósfera de los planetas fríos.
Júpiter
Se encuentra en forma de gas en la atmósfera de Júpiter donde se transforma químicamente con la ayuda de la radiación ultravioleta del Sol. Las nuevas moléculas de hidrocarburos llegan a solidificar precipitándose en forma de lluvia o nieve durante las tormentas eléctricas.
Saturno
Este planeta es distinguido por su sistema de anillos, en su atmósfera predomina el hidrógeno pero también es rica en metano, etano y amoniaco. El entano y el amoniaco se encuentran en estado sólido, y el helio se condensa cayendo como lluvia, esto es debido a las bajas temperaturas del planeta.
A la mayor luna de Saturno, con tamaño comparable al de la Tierra, se le conoce como Titán. Las temperaturas de este son de 93°K (-180°C) o menos, gracias a esto el metano puede existir en sus tres estados físicos.
Urano y Neptuno
Son gigantescos planetas de color verde azulado, más fríos y densos que Saturno. La atmósfera de esos planetas contiene hidrógeno metano identificado por su espectro de infrarrojo.
Urano mide 51000km de diámetro y se encuentra a dos mil ochocientos setentaiocho millones seiscientos mil kilómetros. Está cubierto de una capa de agua, amoniaco y metano. Su atmósfera tiene hidrógeno, helio y metano. El metano le da el color verdoso al planeta, ya que las ligaduras C-H absorben la luz roja.
Neptuno es aproximadamente de las mismas dimensiones que Uranio y con una composición química parecida.
Plutón
Es el más pequeño y el más alejado de todos los planetas del sistema solar, es el menos denso. Su composición química es 78% de agua sólida, 5% de metano y 21% de roca.
En su atmósfera se ha detectado metano, además de los gases nobles argón y neón por lo cual su atmósfera es inerte.
Los cometas
Los cometas están en los helados confines del sistema solar son pequeños cuerpos celestes formados de hielo, gas y polvo. Cuando alguno de ellos es perturbado por el paso de una estrella, se pone en movimiento y al recibir el calor del sol cobra vida, libera gases y polvo e inicia un viaje alrededor del sol, en su recorrido tarda miles de años, libera materia, átomos y moléculas.
Los cometas son pequeños cuerpos de hielo que mientras brillan a la luz del sol emiten gases y polvo, sus moléculas se descomponen en iones y radicales por acción del viento y radiacion ultravioleta.
