Materiales y tecnología

La investigación y el desarrollo de la química en el siglo XX han generado nuevos materiales con efecto de mejoramiento profundo de la calidad de vida y han ayudado a mejorar la tecnología de diversas maneras. Unos cuantos ejemplos son los polímeros (incluidos el caucho y el nailon), la cerámica (como la que se usa en utensilios de cocina), los cristales líquidos (como los de las pantallas electrónicas), los adhesivos (como los usados en notas adherentes) y los materiales de recubrimiento (por ejemplo, las pinturas de látex).
¿Qué nos reserva el futuro cercano? Algo muy probable es el uso de materiales superconductores a temperatura ambiente. La electricidad se conduce por cables de cobre, que no son conductores perfectos. Por consiguiente, casi 20% de la energía eléctrica se pierde en forma de calor entre la planta generadora de electricidad y los hogares u oficinas, lo que constituye un desperdicio enorme. Los superconductores son materiales desprovistos de resistencia eléctrica, y por lo tanto conducen la electricidad sin pérdida de energía. Aunque el fenómeno de la superconductividad a temperaturas muy bajas (más de 400 grados Fahrenheit por debajo del punto de congelación del agua) se ha conocido durante más de 80 años, un adelanto importante a mediados del decenio de 1980 reveló que es posible fabricar materiales que actúen como superconductores a la temperatura ambiente o cercana de ella. Los químicos han ayudado en el diseño y síntesis de nuevos materiales promisorios en dicha búsqueda. En los 30 años siguientes, veremos la aplicación en gran escala de superconductores a altas temperaturas en la resonancia magnética de imágenes (RMI), trenes de levitación magnética y fusión nuclear.
Si fuera necesario mencionar un adelanto tecnológico que ha conformado nuestras vidas más que ningún otro, habría que señalar a las computadoras. El "motor" que impulsa la revolución de las computadoras es el microprocesador -el diminuto chip de silicio que ha servido de base para numerosas invenciones, como las computadoras portátiles y aparatos de fax-. La eficiencia de los microprocesadores se juzga según la velocidad con la que realizan operaciones matemáticas, como la suma. El ritmo del progreso es tal que desde su advenimiento se ha duplicado la velocidad de los microprocesadores cada 18 meses. La calidad de un microprocesador depende de la pureza del chip de silicio y de la capacidad para agregar la cantidad necesaria de otras sustancias, situación en que los químicos desempeñan una función importante en la investigación y desarrollo de chips de silicio. En el futuro, los científicos empezarán a explorar las perspectivas de la "computación molecular", es decir, la sustitución del silicio con moléculas. La ventaja radica en que puede lograrse que ciertas moléculas respondan a la luz, no a los electrones, con lo que se tendrían computadoras ópticas, no electrónicas. Con base en la ingeniería genética apropiada, los científicos pueden sintetizar esas moléculas con microorganismos, que sustituirían a grandes fábricas. Las computadoras ópticas también tendrían una capacidad mucho mayor de almacenamiento que las electrónicas.

Análisis dimensional

En física la palabra dimensión indica la naturaleza física de una cantidad; por ejemplo, la distancia entre dos puntos puede ser medida en pies, metros o estadios, que son formas diferentes de expresar la dimensión de longitud.
Los símbolos aplicados en esta sección para especificar las dimensiones de longitud, masa y tiempo son L, M y T, respectivamente. El paréntesis [  ] con frecuencia se aplicará para indicar las dimensiones de una cantidad física. Por ejemplo, en esta notación las dimensiones de velocidad v son rescritas [v] = L/T y las dimensiones de área A son [A] =L2  . Las dimensiones de otras cantidades, como la fuerza y la energía, serán descritas más adelante conforme son introducidas.
En física con frecuencia es necesario ya sea deducir una expresión matemática o una ecuación o bien verificar su validez. Al procedimiento para realizar esto, se le conoce como análisis dimensional, que hace uso del hecho de que las dimensiones pueden ser tratadas como cantidades algebraicas. Tales cantidades pueden ser sumadas o restadas únicamente si tienen las mismas dimensiones. Si no es así, la ecuación es incorrecta. Si es así, probablemente la ecuación es correcta, si no fuera por un posible factor constante.
Para ilustrar este procedimiento, se considere que se quiera deducir una fórmula para la distancia que recorre un automóvil en un tiempo t si el automóvil inicia desde el reposo y se traslada con aceleración constante a. La cantidad x tien las dimensiones de longitud: [x] = L. El tiempo t, naturalmente, tiene dimensiones [t] = T. Aceleración es el cambio de la velocidad v con el tiempo. Por que v tiene dimensiones de longitud por unidad de tiempo, o [v] = L/T, la aceleración debe tener [a] = L/T2 . Se ordena esta información en la formula de una ecuación: 

                          [a]= [v]/[t] = (L/T)/T = L/T2 = [x]/[t]2

Observando a la izquierda y a la derecha de esta ecuación, ahora se podría suponer que 

a=x/t2 entonces x=at2

De cualquier modo, esta expresión no es totalmente correcta, por que existe una constante de proporcionalidad -un simple factor numérico- que no se puede determinar únicamente a través del análisis dimensional. En su momento se verá que la expresión correcta es x=at2 / 2 

Cuando se trabaja algebraicamente con cantidades físicas, el análisis dimensional permite verificar errores en los cálculos, que con frecuencia revela discrepancias en las unidades. Si, por ejemplo, el lado izquierdo de una ecuación está en metros y el lado derecho en metros por segundo, inmediatamente sabemos que cometemos un error. 

Energía y ambiente

La energía es un producto secundario de muchos procesos químicos, y al continuar el aumento en su demanda, tanto en países industrializados, entre ellos Estados Unidos, como en naciones en vías de desarrollo, como China, los químicos intentan activamente encontrar nuevas fuentes de energía. En la actualidad, las principales fuentes de energía, son los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). Las reservas estimadas de estos combustibles durarán otros 50 a 100 años con el ritmo actual de consumo, por lo que es urgente encontrar fuentes alternas.
La energía solar al parecer es una fuente viable de energía para el futuro. Cada año, la superficie terrestre recibe de la luz solar alrededor de 10 veces la energía contenida en rodas las reservas conocidas de carbón, petróleo, gas natural y uranio combinadas. Sin embargo, gran parte de esa energía se "desperdicia" el reflejarse hacia el espacio exterior. En los últimos 30 años, las intensas actividades de investigación han demostrado que la energía solar puede aprovecharse con efectividad de dos maneras. Una de ellas es su conversión directa en electricidad mediante el uso de dispositivos llamados celdas fotovoltaicas. La otra consiste en usar la luz solar para obtener hidrógeno a partir del agua. Luego, el hidrógeno alimenta a una celda combustible para generar electricidad. Aunque se han logrado adelantos en los conocimientos del proceso científico de conversión de la energía solar en electricidad, la tecnología todavía no ha mejorado al punto de que sea factible producir electricidad en gran escala y con un costo económicamente aceptable. Sin embargo, se han predicho que para el año 2050 la energía solar satisfará de 50% de las necesidades energéticas.
Otra posible fuente de energía es la fisión nuclear, si bien el futuro de la industria nuclear en Estados Unidos y otros países es incierto a causa de preocupaciones ambientalistas sobre los desechos radiactivos de los procesos de fisión. La fusión nuclear, el proceso que ocurre en el sol y otras estrellas, genera enormes cantidades de energía sin producir muchos desechos radiactivos peligrosos. Al cabo de otro medio siglo, es probable que la fusión nuclear se convierta en una fuente significativa de energía.
La producción y utilización de la energía se relaciona estrechamente con la calidad del ambiente. Una desventaja importante de quemar combustibles fósiles es que se produce dióxido de carbono, que es uno de los gases de invernadero (es decir, los que promueven el calentamiento de la atmósfera terrestre), además de dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, que producen la lluvia ácida y el esmog. (El aprovechamiento de la energía solar no tiene esos efectos nocivos en el ambiente.) El uso de automóviles eficientes en el consumo de combustibles y convertidores catalíticos más efectivos debe permitir una reducción considerable de las emisiones automotrices nocivas y el mejoramiento de la calidad de la atmósfera en las áreas con tránsito vehicular intenso. Además, debe aumentar el uso de automóviles eléctricos equipados con baterías duraderas y de automóviles híbridos, alimentados por baterías y gasolina, lo que ayudará a minimizar la contaminación atmosférica.

Elementos constitutivos de la materia

Un cubo de oro sólido de 1 kg (≈ 2 lb) tiene una longitud de arista de casi 3.73 cm (≈ 1.5 pulg). Si el cubo se corta a la mitad, las dos piezas resultantes retienen su identidad química como oro sólido. Pero ¿qué sucede si las piezas del cubo se cortan una vez más, de manera indefinida? Leucipo y Demócrito, filósofos griegos, no aceptaron la idea de que tales cortes pudieran continuar siempre. Reflexionaron por último que el proceso finaliza cuando se produce una partícula que no se pueda dividirse más. En griego, átomo significa "no divisible". De este término surge el término en ingles atom, alguna vez se creyó que era la partícula más pequeña de la materia, pero se encontró que está compuesta de partículas más elementales.
Naturalmente se puede representar el átomo como un diminuto Sistema Solar, con un núcleo con carga densa positiva, ocupando la posición del Sol y los electrones con carga negativa orbitando de manera parecida que los planetas. Este modelo del átomo, desarrollado por el gran físico danés Niels Bohr hace casi un siglo, condujo a comprender ciertas propiedades de los átomos más simples tal como el hidrógeno, pero deja de funcionar al explicar detalles más significativos de la estructura atómica.
Observe el tamaño de un átomo de hidrógeno, mencionado en "Valores aproximados de algunas longitudes observadas" (en este blog) y el tamaño de un potrón - los núcleos de un átomo de hidrógeno - unas 100 000 veces más pequeño. Si el protón fuera del tamaño de una bola de ping-pong, ¡el electrón sería una partícula dimituta casi del tamaño de una bacteria, orbitando el protón a un kilómetro de distancia! De la misma manera otros atómos están construidos. De este modo existe una cantidad extraordinaria de espacio vacío en la materia.
Después del descubrimiento del núcleo a principios de 1900, surgieron preguntas relacionadas con su estructura. Hoy en día la composición exacta de los núcleos no ha sido definida por completo, pero en 1930 los científicos determinaron que dos entidades básicas --protones y neutrones-- ocupan el núcleo. El protón es fundamental en la naturaleza, portador de carga positiva, igual en magnitud pero de signo opuesto a la carga del electrón. El número de protones en un núcleo determina de qué elemento se trata. Por ejemplo, un núcleo que contiene sólo un protón es el núcleo de un átomo de hidrógeno, independientemente de cuántos neutrones estén presentes. Neutrones extras correspondientes a diferentes isotopos de hidrógeno --deuterio y tritio-- que reaccionan químicamente de la misma forma que el hidrógeno, pero son más pesados. De la misma manera, un átomo que tiene dos protones en su núcleo, siempre es helio, aunque una vez más, son posibles diferentes números de neutrones.
Finalmente en 1932 se comprobó la existencia de neutrones. No tienen carga y tienen una masa casi igual a la del protón; una de sus finalidades básicas es de actuar como "pegamento" para mantener al núcleo unido. Si no estuvieran presentes los neutrones la fuerza eléctrica de repulsión entre los protones son carga negativa ocasionaría que el núcleo volara separado.
La división no se detiene en este caso; ahora se piensa que en su momento protones, neutrones y una variedad de otras partículas exóticas están compuestos de seis partículas denominadas quarks (en consonancia con "horcón", aunque en inglés rima algo con "tiburón"). A estas partículas se les ha dado los nombres de arriba, abajo, extraño, encanto, fondo y superior. Los quarks arriba, encanto y superior cada uno tiene una carga igual a +2/3 del próton, mientras que los quarks abajo, extraño y fondo cada uno tiene una carga igual a -1/3 la carga del protón. El protón está compuesto de dos quarks arriba y abajo, que produce la carga correcta para el protón, +1. El neutrón está compuesto de dos quarks abajo y un quark arriba y tiene una carga neta cero.
Los quarks arriba y abajo son suficientes para describir toda la materia común, de tal modo que la existencia de los otros cuatro quarks, observados indirectamente en experimentos de alta energía, son un poco de misterio. Además es posible que los mismos quarks tengan una estructura. Muchos físicos creen que la mayoría de las particulas fundamentales pueden ser espiras diminutas de resortes vibrantes.

Salud y medicina

En este principio del siglo XXI conviene preguntarse qué función tendrá la ciencia central en esta centuria. Es casi indudable que la química mantendrá una función fundamental en todas las áreas de la ciencia y la tecnología. Antes de profundizar en el estudio de la materia y su transformación, consideramos algunas fronteras que los químicos exploran actualmente. Sin importar las razones por las que el estudiante tome un curso de introducción a la química, el conocimiento adecuado de esta disciplina le permitirá apreciar sus efectos en la sociedad y en su persona.

Tres logros importantes en el siglo XX han permitido la prevención y tratamiento de enfermedades. Se trata de medidas de salud pública que establecieron sistemas sanitarios para proteger a numerosas personas contra enfermedades infecciosas; la cirugía con anestesia, que ha posibilitado a los médicos para curar enfermedades posiblemente mortales, como la apendicitis, y el advenimiento de vacunas y antibióticos, que hicieron factible la prevención de enfermedades causadas por microorganismos. La terapia génica al parecer será la cuarta revolución en la medicina. (Los genes son la unidad básica de la herencia.) Se cuenta por miles las enfermedades conocidas, entre ellas la fibrosis quística y la hemofilia, ocasionadas por un daño heredado de un solo gen. Muchos otros padecimientos, como el cáncer, enfermedades cardíacas, SIDA y artitris, resultan hasta cierto punto de alteraciones de uno o más genes relacionados con los sistemas de defensa del organismo. En la terapia génica se inserta un gen sano específico en las células del paciente para curar o aminorar esos trastornos. A fin de ejecutar esos procedimientos, el médico debe tener conocimientos sólidos de las propiedades químicas de los componentes moleculares implicados. La descodificación del genoma humano, que comprende todo el material genético de nuestro organismo y desempeña una función esencial en la terapia génica, se basa principalmente en técnicas químicas.

Los químicos de la industria farmacéutica investigan fármacos potentes con pocos o nulos efectos adversos para el tratamiento del cáncer, SIDA y muchas otras enfermedades, además de fármacos para aumentar el número de trasplantes exitosos de órganos. En una escala más amplia, mejorar nuestra comprensión sobre el mecanismo del envejecimiento permitirá lograr esperanza de vida más prolongada y saludable para los habitantes del planeta.

Máximas e Intermedios

El que ha nacido maestro no toma las cosas en serio más que en relación con sus discípulos, ni siquiera a sí mismo.

Friedrich Nietzsche 

Algunos prefijos para potencias de 10 aplicadas con unidades "métricas" (SI y cgs)

Potencia	Prefijo	Abreviatura
10-18	atto-	a
10-15	femto-	f
10-12	pico-	p
10-9	nano-	n
10-6	micro-	μ
10-3	mili-	m
10-2	centi-	c
10-1	deci-	d
101	deca-	da
103	kilo-	k
106	mega-	M
109	giga-	G
1012	tera-	T
1015	peta-	P
1018	exa-	E

En la tabla se mencionan algunos de los prefijos "métricos" (SI y cgs) que se utilizan con más frecuencia representados en potencias de 10 y sus abreviaciones. Por Ejemplo 10^-3m es equivalente a 1 milímetro (mm) y 10³m es 1 kilómetro (km). De la misma manera, 1kg es igual a 10³g y 1 megavolt (MV) es 10⁶ volts (V).

Valores aproximados de longitud, masa e intervalos de tiempo

Los valores aproximados de algunas longitudes, masas e intervalos de tiempo se mencionan en las tablas de este mismo Blog (Valores aproximados de algunas longitudes, masas e intervalos de tiempo), respectivamente. Estudie estas tablas para lograr la sensación en cuanto a kilogramo de masa, un intervalo de tiempo de 10¹⁰ segundos (un siglo es casi 10⁹ segundos) o dos metros de longitud (la altura aproximada de un delantero en el equipo de basquetbol).

Los sistemas de unidades usualmente utilizados en física son el Systéme International, en el cual las unidades de longitud, masa y tiempo son el metro (m), kilogramo (Kg) y segundo (s); el sistema cgs o gaussiano, en el que las unidades de longitud, masa y tiempo son centímetros (cm), gramos (g) y segundo (s); y el sistema acostumbrado en Estados Unidos en el que las unidades de longitud, masa y tiempo son el pie (pie), slug y segundo. Las unidades SI son casi universalmente aceptadas en la ciencia y en la industria y serán aplicadas en todas partes del Blog. Se harán aplicaciones limitadas de las unidades gaussianas y de las que se acostumbran en Estados Unidos.

  

Valores aproximados de algunos intervalos de tiempo

                                  Intervalos de tiempo (s)

Edad del Universo          5 x 10¹⁷

Edad de la Tierra            1 x 10¹⁷

Un año                            3 x 10⁷

Un día                             9 x 10⁴

Tiempo entre pulsos
normales del corazón      8 x 10^-1

Periodo^a de ondas 

sonoras audibles              1 x 10^-3

Periodo^a de ondas 

de radio representativas   1 x 10^-6

Periodo^a de vibración 

del átomo en un sólido     1x 10^-13

Periodo^a ondas 

de luz visible                    2 x 10^-15

Duración de una 

colisión nuclear                1 x 10^-22

Tiempo necesario 

para que la luz viaje 

a través de un protón.       3 x 10^-24

^aUn periodo se define como el tiempo necesario para una vibración completa. 

Ninguna coma en números con muchos dígitos

TIP

En la ciencia, los números con más de tres dígitos son escritos en grupos de tres, separados por un espacio en lugar de comas; de tal modo que 10 000 es la misma que la notación común americana 10,000. De la misma manera, π = 3.14159265 se escribe como 3.141 592 65.

Valores aproximados de algunas masas

                                     Masa (kg)

Universo observable     1 x 10⁵²

Galaxia Vía Láctea       7 x 10⁴¹

Sol                                 2 x 10³⁰

Tierra                            6 x 10²⁴

Luna                              7 x 10²²

Tiburón                         1 x 10²

Humano                        7 x 10¹

Rana                              1 x 10^-1

Mosquito                       1 x 10^-5

Bacteria                         1 x 10^-15

Átomo de hidrógeno     2 x 10^-27

Electrón                         9 x 10^-31

Valores aproximados de algunas longitudes observadas

                                                                                                                     Longitud (m)
Distancia desde la Tierra al cuásar conocido más lejano                              1 x 10²⁶

Distancia desde la Tierra a las galaxias normales conocidas más lejanas     4 x 10²⁵

Distancia desde la Tierra a la galaxia cercana más grande (M31, la galaxia  2 x 10²²
de Andrómeda)

Distancia desde la Tierra a la estrella más cercana (Próxima Centauri)         4 x 10¹⁶

Un año luz                                                                                                       9 x 10¹⁵

Radio orbital medio de la Tierra alrededor del Sol                                          2 x 10¹¹

Distancia media desde la Tierra hacia la Luna                                                4 x 10⁸

Media del radio de la Tierra                                                                            6 x 10⁶

Altitud representativa de satélites orbitando la Tierra                                     2 x 10⁵

Longitud de un campo de fútbol                                                                       9 x 10¹

Longitud de una mosca doméstica                                                                    5 x 10^-3

Tamaño de las partículas de polvo más pequeñas                                             1 x 10^-4

Tamaño de las células de la mayoría de los seres vivos                                    1 x 10^-5

Diámetro del átomo de hidrógeno                                                                      1 x 10^-10

Diámetro del núcleo atómico                                                                             1 x 10^-14

Diámetro del protón                                                                                           1 x 10^-15

Estándares de longitud, masa y tiempo

Para reportar una medida de cierta cantidad física, se debe definir una unidad para la cantidad. Si, por ejemplo, se define la unidad esencial de longitud que sea 1.0 metro y alguna persona está familiarizado con el sistema de medida reporta que una pared es de 2.0 metros de alto, se sabe que la altura de la pared es dos veces la unidad esencial de longitud. De la misma manera, si la unidad esencial de la masa se define como 1.0 kilogramo y se dice que una persona tiene una masa de 75 kilogramo en tal caso la persona tiene una masa 75 veces más grande que la unidad esencial de masa.
En 1960 una comisión internacional coincidió en un sistema patrón de unidades para las cantidades esenciales de la ciencia, denominado SI (Systéme International). Sus unidades de longitud, masa y tiempo son el metro, kilogramo y segundo, respectivamente.

Longitud

En 1799 el metro se convirtió en el patrón legal de longitud en Francia, definido como una diezmillonésima de la distancia a partir del ecuador hasta el Polo Norte.
Hasta 1960, la longitud autorizada del metro fue la distancia entre dos lineas en una barra especifica de una aleación de platino-iridio almacenado bajo condiciones controladas. Este modelo fue abandonado por varios motivos, el principal que la medida de la separación entre lineas no son lo suficientemente precisas. En 1960 el metro fue definido como 1650763.73 veces la longitud de onda de la luz rojo anaranjada emitida por una lámpara de kriptón-86. En octubre de 1983 esta definición también fue abandonada y el metro, una vez más se definió como la distancia recorrida por la luz en el vacío durante el intervalo de tiempo de 1/299 792 458 segundos. Esta última definición establece la rapidez de la luz en 299 792 458 metros por cada segundo.

Masa

La unidad en el SI de la masa, el kilogramo, se define como la masa de un cilindro específico de aleación de platino-iridio que se guarda en la International Bureau of Weights and Measures en Sévres, Francia. La masa es una cantidad que se utiliza para medir la resistencia a un cambio en el movimiento de un objeto. Es más difícil provocar una cambio en el movimiento de un objeto de masa considerable, que un objeto con masa más pequeña.

Tiempo

Antes de 1960, el estándar de tiempo se definió en términos de la extensión promedio de un día solar en el año 1900. (Un día solar es el tiempo entre las apariciones consecutivas del Sol en el punto más alto que logra en el cielo cada día.) La unidad básica de tiempo, el segundo, se define como (1/60)(1/60)(1/24)= 1/86 400 del promedio del día solar. En 1967 el segundo fue definido una vez más al tomar ventaja de la alta precisión lograda con un reloj atómico, que aplica la frecuencia característica de la luz emitida a causa del átomo de cesio-133 como su "reloj de referencia". Ahora el segundo se define como 9 192 631 700 veces el periodo de oscilación de radiación a causa del átomo de cesio.