Colaboradores Jeff C. Bryan Stephen Contakes Glen E. Rodgers All O. Sezer James Tour Nivaldo Tro John B. Vincent Ilustrador Steve Rawlings
Nivaldo Tro
Título original 30-Second Chemistry Dirección creativa Michael Whitehead Edición Susan Kelly, Tom Kitch, Stephanie Evans, Jamie Pumfrey, Joanna Bentley Diseño Ginny Zeal Ilustraciones Steve Rawlings Traducción Dr. Ing. Alfonso Rodríguez Arias Coordinación de la edición en lengua española Cristina Rodríguez Fischer Primera edición en lengua española 2018 © 2018 Naturart, S.A. Editado por BLUME Carrer de les Alberes, 52, 2.º, Vallvidrera 08017 Barcelona Tel. 93 205 40 00 e-mail info@blume.net © 2017 The Ivy Press Limited, Brighton, Reino Unido I.S.B.N.: 978-84-17254-11-7 Impreso en China Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, sea por medios mecánicos o electrónicos, sin la debida autorización por escrito del editor.
WWW.BLUME.NET Este libro se ha impreso sobre papel manufacturado con materia prima procedente de bosques de gestión responsable. En la producción de nuestros libros procuramos, con el máximo empeño, cumplir con los requisitos medioambientales que promueven la conservación y el uso responsable de los bosques, en especial de los bosques primarios. Asimismo, en nuestra preocupación por el planeta, intentamos emplear al máximo materiales reciclados, y solicitamos a nuestros proveedores que usen materiales de manufactura cuya fabricación esté libre de cloro elemental (ECF) o de metales pesados, entre otros.
CONTENIDO
48 50 52 54
El estado sólido Perfil: Robert Boyle Materiales cerámicos Soluciones
6 Introducción 10 Átomos, moléculas y compuestos 12 GLOSARIO 14 La materia está hecha de partículas 16 La estructura del átomo 18 El interior del átomo 20 ¿De dónde proceden los átomos? 22 La naturaleza dual del electrón 24 El lugar ocupado por los electrones en el átomo 26 Patrones periódicos 28 Enlaces químicos de los átomos 30 Perfil: John Dalton 32 El modelo de Lewis de los enlaces químicos 34 Teorías del enlace de valencia y de los orbitales moleculares 36 Los opuestos se atraen 38 Estados de la materia 40 GLOSARIO 42 Las fuerzas que mantienen unida la materia 44 El estado gaseoso 46 El estado líquido
56 Reacciones químicas y energética 58 GLOSARIO 60 Ecuaciones químicas 62 Reacciones de combustión y fuentes de energía 64 Neutralización: ácidos y bases 66 Creación de sólidos: reacciones de precipitación 68 Uso de la química para generar electricidad 70 Velocidades de reacción y cinética química 72 Perfil: Humphry Davy 74 La energía y la primera ley de la termodinámica 76 La entropía y la segunda ley de la termodinámica 78 La entropía y la tercera ley de la termodinámica 80 Entropía y los procesos espontáneos 82 84 86 88 90 92
Química inorgánica GLOSARIO El principio de unicidad El color Química de los clústeres Catalizadores de metales de transición 94 Perfil: Mario J. Molina 96 El carbono: no solo para los lápices 98 Nanotecnología
100 102 104 106 108 110 112 114 116 118
Química orgánica GLOSARIO Química orgánica y vitalismo Hidrocarburos Alcoholes Aldehídos, cetonas y ésteres Ácidos carboxílicos y aminas Perfil: Friedrich Wöhler La química copia de la naturaleza Polímeros
120 122 124 126 128 130 132
Bioquímica GLOSARIO Carbohidratos Lípidos Aminoácidos y proteínas Perfil: Anna Jane Harrison El plano biológico: ácidos nucleicos 134 Síntesis de medicamentos por biotecnología
136 138 140 142 144 146 148 150
Química nuclear GLOSARIO Radiactividad División del átomo Pérdida de peso nuclear El efecto de la radiación sobre la vida Perfil: Otto Hahn Medicina nuclear
152 154 156 158 160
Apéndice Fuentes Notas sobre los colaboradores Índice Agradecimientos
EL ESTADO SÓLIDO el concepto en 30 segundos Las partículas que componen NÚCLEO EN 3 SEGUNDOS
Los sólidos tienen una forma y un tamaño definidos, ya que las partículas que los forman están fijas en un lugar. VALENCIA EN 3 MINUTOS
Los sólidos se comportan de un modo diferente a los líquidos y los gases. Tienen una forma y un tamaño definidos y no pueden adaptase a la forma del recipiente que los contienen como los líquidos, ni son compresibles como los gases.
48 g Estados de la materia
un sólido son como la gente que baila en el club nocturno abarrotado del capítulo anterior (líquidos), excepto que tienen menos energía en relación a las fuerzas que las atraen. Los bailarines todavía se agitan, pero no se pueden mover unos alrededor de los otros, ya que están intensamente atraídos por los que los rodean. De un modo parecido, la atracción entre las partículas en un sólido es tan fuerte en comparación con la energía que poseen que no pueden fluir como lo hacen en los líquidos. Las partículas que conforman un sólido cristalino no solo permanecen fijas en un lugar, sino que están dispuestas de una manera ordenada como los ladrillos de una pared. Por el contrario, las que constituyen un sólido amorfo se disponen de un modo más aleatorio, como un montón de macarrones en un plato. Los sólidos cristalinos (como la sal y el hielo) tienden a ser menos flexibles que los amorfos (como el plástico o el vidrio). Aunque las partículas que forman los sólidos no se mueven entre ellas, sí se agitan y contonean. Cuando se calienta un sólido, las partículas reciben más energía. Finalmente, si se calientan lo suficiente, empiezan a desplazarse entre ellas y el sólido se funde. La cantidad de energía (la temperatura) necesaria para la fusión depende de cuán fuerte sea la atracción de las moléculas entre sí.
CONCEPTOS RELACIONADOS
Véanse también LA MATERIA ESTÁ HECHA DE PARTÍCULAS pág. 14 LAS FUERZAS QUE MANTIENEN UNIDA LA MATERIA pág. 42 EL ESTADO LÍQUIDO pág. 46
MINIBIOGRAFÍAS WILLIAM LAWRENCE BRAGG
1890–1971 Físico británico nacido en Australia, que obtuvo el premio Nobel de Física de 1915, y que descubrió el modo de observar el interior de las estructuras de los sólidos. LINUS PAULING
1901–1994 Estadounidense que obtuvo el premio Nobel de Química en 1954 y que explicó cómo los átomos y las moléculas se atraen entre sí.
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Jeff C. Bryan
Las moléculas en el estado sólido son como bailarines que no se pueden mover en una pista de baile abarrotada.
ALDEHÍDOS, CETONAS Y ÉSTERES el concepto en 30 segundos Los placenteros olor y sabor de NÚCLEO EN 3 SEGUNDOS
Los aldehídos, las cetonas y los ésteres son compuestos presentes en la naturaleza y son los causantes de los agradables aromas y sabores de muchos productos naturales y sintéticos. VALENCIA EN 3 MINUTOS
Los aldehídos, las cetona y los ésteres son muy abundantes en los organismos vivos. Los humanos y los animales acumulan energía en forma de grasas y aceites. La testosterona y la progesterona (las hormonas sexuales masculinas y femeninas, respectivamente), la aldosterona (que regula el nivel de sodio en sangre) y las feromonas (que son emitidas por los animales para estimular una respuesta social) son cetonas. El retinal (retinaldehído) es un aldehído que es la base de la visión. El acetaldehído es la causa de la «resaca» que se padece cuando el alcohol es metabolizado en el hígado. 110 g Química orgánica
las almendras frescas y de la menta piperita se deben básicamente al benzaldehído y la mentona, dos compuestos orgánicos presentes en la naturaleza cuyas moléculas contienen el grupo funcional carbonilo (–C=O). El benzaldehído es un ejemplo de una familia de compuestos orgánicos denominados aldehídos. En un aldehído, el grupo –C=O se encuentra en el extremo de la cadena de los átomos de carbono. La mentona es, a su vez, un ejemplo de una familia de compuestos orgánicos denominados cetonas. En una cetona, el grupo carbonilo se halla en el medio de la cadena de carbono. Otra familia muy usual de compuestos orgánicos es la de los ésteres. En un éster, un átomo de oxígeno interrumpe el enlace del grupo carbonilo con la cadena de carbón (–CO2C–). El acetato de bencilo, un componente del sabor de las fresas, las peras y el jazmín, es un éster. Los aldehídos y cetonas pequeños (con baja masa molar), como el formaldehído (un importante disolvente industrial) y la acetona (un quitaesmalte para las uñas), tienen un fuerte olor acre. Sin embargo, los aldehídos de masas molares más grandes presentan, por lo general, olores más agradables y afrutados. Los aldehídos, las cetonas y los ésteres se encuentran en la naturaleza y se producen de forma industrial como aromatizantes y saborizantes de los alimentos y los productos farmacéuticos. Muchos de los solventes utilizados en los adhesivos, pinturas, perfumes, plásticos y tejidos contienen también aldehídos, cetonas y ésteres.
CONCEPTOS RELACIONADOS
Véanse también ALCOHOLES pág. 108 ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Y AMINAS pág. 112 MINIBIOGRAFÍAS LEOPOLD GMELIN
1788–1853 Químico alemán que fue el primero en introducir los términos éster y cetona. JUSTUS VON LIEBIG
1803–1873 Químico alemán, considerado el padre de la química orgánica, que fue el primero en utilizar el término aldehído.
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Ali O. Sezer
Muchos de los olores que experimentamos en la vida cotidiana proceden de familias naturales de aldehídos, cetonas y ésteres.
OH CH 3
CH3 OH CH3
O
HO
MEDICINA NUCLEAR el concepto en 30 segundos La medicina nuclear implica NÚCLEO EN 3 SEGUNDOS
La medicina nuclear utiliza los radiofármacos para examinar la fisiología y para tratar enfermedades.
VALENCIA EN 3 MINUTOS
A medida que aumenta el conocimiento de la fisiología humana, los radiofármacos se van haciendo tan sofisticados que pueden generar imágenes y formar parte de terapias a los niveles celular y molecular. Imaginemos que fuera posible eliminar el cáncer cuando todavía es tan pequeño que no puede ni siquiera ser localizado con los métodos convencionales. Puede que pronto seamos capaz de detectar y tratar el cáncer antes de que se presenten los primeros síntomas.
150 g Química nuclear
inyectar en el paciente un material radiactivo (un radiofármaco) para diagnosticar o tratar una enfermedad. Un ejemplo es la 18F-fluorodeoxiglucosa (FDG), una molécula radiactiva de azúcar. En nuestro cuerpo, los azúcares tienden a dirigirse a los lugares donde se metabolizan. También se concentran en los tumores cancerosos, ya que el cáncer es un devorador de azúcar. Una vez que el radiofármaco llega a su destino, los detectores de radiación pueden situarse en torno del paciente y generar imágenes en tres dimensiones de los órganos donde se ha acumulado el radiofármaco. Por lo general, los datos que se obtienen en un escáner de medicina nuclear nos dicen más acerca del funcionamiento del órgano (fisiología), que de su forma (anatomía). Al modificar la naturaleza química, el tamaño, la forma y la carga del radiofármaco, es posible obtener imágenes de cualquier órgano del cuerpo y determinar cómo está funcionando. La medicina nuclear hace a los pacientes algo más radiactivos. Sin embargo, no hay que olvidar que ya lo somos todos; la medicina nuclear tan solo añade algo más de radiactividad, que se concentra en una parte del organismo. Por lo general, la dosis es suficientemente baja como para no producir efectos perjudiciales conmensurables, y los beneficios del diagnóstico o del tratamiento de una enfermedad ya activa superan cualquier posible riesgo que pueda suponer.
CONCEPTOS RELACIONADOS
Véanse también LA QUÍMICA COPIA DE LA NATURALEZA pág. 116 RADIACTIVIDAD pág. 140 MINIBIOGRAFÍAS GEORGE DE HEVESY
1885–1966 Húngaro galardonado con el premio Nobel de Química en 1943 que fue el primero en desvelar que los isótopos radiactivos se podían usar para estudiar complejos procesos químicos como el metabolismo. HAL ANGER
1920–2005 Ingeniero electricista y biofísico estadounidense que inventó las cámaras que aún hoy se utilizan ampliamente en la medicina nuclear.
TEXTO EN 30 SEGUNDOS Jeff C. Bryan
Las sustancias radiactivas se pueden utilizar para obtener imágenes de los órganos internos.