I. �TOMOS Y MOL�CULAS EN EL UNIVERSO. LA TABLA PERI�DICA DE LOS ELEMENTOS
ASTR�NOMOS y f�sicos han postulado como origen del Universo una gran explosi�n, que a partir de un gas denso form� las innumerables galaxias que ahora pueblan el Universo. Una de dichas galaxias es la V�a L�ctea, formada por m�s de 100 mil millones de estrellas, entre las que se encuentra nuestro Sol.
Cuando la temperatura del Universo era de alrededor de mil millones de grados, se comenzaron a formar los n�cleos de los elementos. Primero se formaron los m�s simples, el hidr�geno (H) y el helio (He); posteriormente, en el interior de las estrellas se fueron formando los n�cleos de otros elementos, hasta llegar a un n�mero cercano a 100. Los qu�micos los han ido descubriendo poco a poco y han encontrado que se pueden clasificar de acuerdo con sus propiedades f�sicas y qu�micas en lo que se ha nombrado la tabla peri�dica de los elementos (Figura 1).
M�s tarde, el Universo se fue enfriando paulatinamente hasta llegar a una temperatura de 3°K, que es la que tienen en la actualidad los espacios interestelares.
Los primeros elementos formados, que son tambi�n los m�s ligeros, el hidr�geno
(H) y el helio (He), siguen siendo los principales constituyentes
del Universo. El hidr�geno se encuentra en una proporci�n superior a 90% y el
helio en alrededor de 8%. Estos elementos son m�s abundantes en el Sol y en
las otras estrellas.
El hidr�geno, el elemento m�s sencillo y m�s abundante en el Universo, es un gas m�s ligero que el aire, por lo que, al llenar un globo con �l, habr� necesidad de sujetarlo, o de lo contrario, se elevar� por los aires. Esta propiedad fue aprovechada por el hombre para viajar por la atm�sfera. Desde finales del siglo XVIII se construyeron m�quinas voladoras para transportar hombres y equipo. Estas naves, llamadas dirigibles, eran peligrosas por el car�cter inflamable del hidr�geno con el que se hab�an llenado.
El �tomo de hidr�geno (H), como hemos dicho, el elemento m�s sencillo del Universo, est� formado por un n�cleo, llamado prot�n, que posee una carga positiva, la cual se encuentra neutralizada por un electr�n (carga negativa).
El hidr�geno se combina con otros elementos formando mol�culas. Cuando se mezcla con ox�geno en un soplete y se le prende fuego, arde produciendo flama de color azul p�lido, liberando tal cantidad de calor que funde al hierro con facilidad, por lo que el soplete oxh�drico se usa para cortar l�minas de acero. En esta reacci�n el ox�geno y el hidr�geno se combinan produciendo agua, que se escapa en forma de vapor.
Cuando en un recipiente cerrado se pone una unidad de peso de hidr�geno por 8 de ox�geno y se produce en su interior una chispa el�ctrica, se provoca una explosi�n con formaci�n de agua (Figura 2) sin gases sobrantes, pero si la cantidad de uno de los gases excede a las proporciones antes dichas, quedar� el exceso sin reaccionar. A esto se le llama Ley de las proporciones constantes e indica que dos �tomos de hidr�geno, cada uno de peso at�mico 1, reaccionan con un �tomo de ox�geno, con peso at�mico de 16, produciendo una mol�cula de agua, con peso molecular de 18.
Figura 2. S�ntesis de agua partiendo de hidr�geno y ox�geno mediante una chispa
el�ctrica.
PROPIEDADES DEL AGUA
El agua, producto formado en la combusti�n del hidr�geno, es la mol�cula m�s abundante en la Tierra, donde se le encuentra en sus tres estados f�sicos: como l�quido, cubriendo las 3/4 partes de la superficie del planeta, constituyendo mares, r�os y lagos; como vapor, en grandes cantidades en la atm�sfera, de donde se precipita como lluvia o nieve, y en su estado s�lido (hielo), formando dep�sitos sobre las altas monta�as y cubriendo las regiones polares y en este caso en tal cantidad, que si este hielo se fundiera, el nivel del oc�ano subir�a de tal manera que inundar�a la mayor parte de las ciudades costeras y gran parte de las tierras bajas, incluyendo pa�ses enteros como Holanda, que quedar�a totalmente bajo las aguas.
Esta mol�cula tan singular y abundante es la base de la vida; constituye m�s de la mitad del peso de los seres vivos. En los organismos marinos se le encuentra en una proporci�n de m�s de 90% en peso.
El agua, en estado puro, es un l�quido incoloro, inodoro e ins�pido. Las propiedades f�sicas de tan importante sustancia a menudo se toman como tipo: su punto de fusi�n es de 0° su punto de ebullici�n a nivel del mar es de 100° la mayor densidad del agua se alcanza a 4°, siendo de 1 g/ml, es decir que cada mililitro pesar� un gramo y por lo tanto un litro pesar� un kilogramo.
Su calor espec�fico es de 1.00 calor�a por grado, por gramo, o lo que es lo mismo, un gramo de agua elevar� su temperatura en un grado cent�grado cuando se le suministra una cantidad de energ�a en forma de calor equivalente a una calor�a. Por ejemplo, para elevar la temperatura de un litro de agua de 20 a 21° se necesitar� suministrar una cantidad de calor equivalente a 1 000 calor�as.
Como se ve, las propiedades f�sicas del agua son casi siempre la unidad. Esto no es accidental, pues siendo el agua el l�quido m�s abundante y accesible y teniendo propiedades tan singulares, no es de extra�ar que se le tome como referencia para medir las de otras sustancias, sobre todo si son l�quidas.
El agua en estado s�lido es menos densa que en forma l�quida.
El hecho de que el hielo sea menos denso que el agua l�quida tiene gran importancia en el mantenimiento de la vida en las regiones fr�as del planeta: cuando un lago se congela, s�lo lo hace en su superficie, ya que el hielo, por ser menos denso que el agua, flota sobre ella y, por ser mal conductor del calor, aisla las capas m�s profundas impidiendo su congelaci�n, con lo que se logra mantener las condiciones apropiadas para la conservaci�n de la vida. Este hecho afortunado para la vida en el planeta tiene, sin embargo, consecuencias negativas para lo que llamamos progreso de nuestra civilizaci�n, ya que los grandes t�mpanos de hielo (icebergs) son un peligro para la navegaci�n en aguas fr�as y han destruido muchas embarcaciones.
M�s a�n, el agua de las tuber�as, que la conducen a nuestras ciudades, se expande al congelarse, rompiendo las tuber�as; lo mismo sucede con muchos recipientes r�gidos que se rompen cuando se congela el agua que contienen.
LAS GRANDES RESERVAS DE AGUA COMO REGULADORAS DEL CLIMA
Como el agua se calienta o enfr�a m�s lentamente que el suelo, sirve para regular
la temperatura. Es por eso que en las regiones alejadas del mar se tienen climas
m�s extremosos que en las regiones mar�timas.
El agua no s�lo es abundante en la Tierra, tambi�n se ha detectado en otros cuerpos celestes. Por ejemplo, en Marte, aunque ha desaparecido de su superficie dejando vac�os los lechos de lagos y r�os, ya que la escasa gravedad del planeta (40% de la terrestre) no la pudo retener, existe agua congelada en los polos, donde se encuentra mezclada con hielo seco (CO2 s�lido). Tambi�n debe existir debajo de la corteza marciana, ya sea como hielo en invierno o l�quida en verano. El cometa Halley la contiene en forma de hielo, como revelan los �ltimos informes.
AGUA OXIGENADA, PERÓXIDO DE HIDRÓGENO H2O2
El agua no es la �nica combinaci�n que puede obtenerse entre hidr�geno y ox�geno.
Existe adem�s un compuesto que tiene un �tomo de ox�geno m�s que el agua. La
sustancia as� formada es conocida como agua oxigenada, llamada con más
propiedad per�xido de hidr�geno, cuya estructura es H2O2
o HO-OH. Esta sustancia, por tener un �tomo de ox�geno extra, es inestable,
es decir, libera ox�geno con facilidad para quedar como agua com�n. El agua
oxigenada, por su facultad de liberar ox�geno, mata a muchos microbios por lo
que se emplea como desinfectante de heridas, en cuyo contacto se puede ver al
ox�geno desprenderse en forma de burbujas.
El agua oxigenada que se consigue en la farmacia como agente desinfectante es muy diluida, contiene s�lo tres partes de agua oxigenada por 97 de agua com�n. El agua oxigenada que se emplea como oxidante en laboratorios qu�micos es m�s concentrada, pues contiene 30 partes de H2O2 por 70 de agua ordinaria. Esta soluci�n tan concentrada es peligrosa, puesto que causa quemaduras al ponerse en contacto con la piel.
El agua oxigenada se emplea como decolorante, por lo que se utiliza, entre otras aplicaciones, para aclarar el color del pelo.
2 H2O2 
2
H2O + O2
PREPARACIÓN DE HIDRÓGENO
El hidr�geno se puede liberar de las mol�culas en las que se encuentra combinado con otros elementos. Ya que el agua es el compuesto de hidr�geno m�s abundante y accesible, ser� la materia prima en que primero se piense para preparar hidr�geno. Como el agua est� formada por �tomos de hidr�geno (H.), cuyo �nico electr�n se pierde con cierta facilidad para dar iones positivos (H+) al pasar una corriente el�ctrica a trav�s del agua, es de esperarse la generaci�n de protones que, por tener carga positiva, ser�n atra�dos hacia el polo negativo (c�todo), donde se descargar�n, liberando, por tanto, hidr�geno gaseoso (H2)
Sin embargo, existe el problema de que el agua pura es mala conductora de la
corriente el�ctrica, por lo que es necesario disolver en ella una base o un
�cido fuerte que la hagan conductora. Disolvamos, por ejemplo, �cido n�trico
(HNO3), cuyo prot�n se separa con facilidad (HNO3
H + NO3-) de los iones
nitrato (NO3-). En esta soluci�n, que ahora es
conductora, los protones, por tener carga positiva, viajar�n hacia el c�todo
o polo negativo, donde se descargan generando dos vol�menes de gas hidr�geno,
mientras que en el polo positivo o �nodo se desprender� un volumen de ox�geno
gaseoso (Figura 3).
A esta reacci�n se le conoce como electr�lisis, es decir, ruptura de una mol�cula por medio de electricidad. Tan �til reacci�n no s�lo se emplea para romper la mol�cula de agua, sino que se usa tambi�n para liberar los metales de sus sales.
Los iones met�licos (positivos) viajar�n al c�todo en donde se descargan y se depositan, pudi�ndose de esta manera recubrir un metal con otro. Por ejemplo, si la sal utilizada es sulfato de n�quel, el i�n de este metal viajar� hacia el c�todo, y si �ste es una pieza de hierro perfectamente limpio, se recubrir� con una capa homog�nea de n�quel que le dar� un bonito aspecto y lo proteger� de la oxidaci�n.
Figura 3. Descomposici�n del agua por electr�lisis.
Por este procedimiento, entonces, se pueden recubrir metales con otros metales
que tengan el aspecto o las propiedades f�sicas o qu�micas deseadas. Si el recubrimiento
se efect�a con cromo, se tendr� el cromado; si es la plata el metal que se usa
para recubrir, se tendr� el plateado; y as� como estos ejemplos existen otras
muchas posibilidades de usar la electr�lisis para recubrir un metal con otro.
La electr�lisis tiene m�ltiples aplicaciones pr�cticas, entre otras, la obtenci�n
y purificaci�n de metales. Por este procedimiento se purifica el cobre y se
obtiene el aluminio.
OBTENCIÓN DE HIDRÓGENO POR DESCOMPOSICIÓN DEL AGUA CON
METALES
Cuando se arroja un peque�o trozo de sodio met�lico sobre agua se efect�a una
reacci�n violenta, se desprende hidr�geno y se genera calor. En ocasiones la
reacci�n es tan violenta, que el hidr�geno liberado se incendia.
2Na + 2 H2O
2 NaOH + H2
PREPARACIÓN DE H2 EN EL LABORATORIO.
Una forma m�s moderada y f�cil de controlar la reacci�n para preparar hidr�geno
es la descomposici�n de un �cido fuerte por medio de un metal como fierro o
zinc (Figura 4).
Figura 4. Descomposici�n de un �cido fuerte por medio de un metal.
En esta reacci�n el metal desplazar� al hidr�geno formando la sal llamada cloruro
de zinc. Si el hidr�geno liberado se hace arder en presencia de aire, se podr�
condensar el agua formada por la combinaci�n con el ox�geno del aire, justificando
as� su nombre que en griego significa "el que forma agua".
LA ELECTRÓLISIS EN LA OBTECIÓN DE METALES
Aluminio
El aluminio es el tercer elemento m�s abundante en la corteza terrestre. Se
le encuentra formando parte de minerales tan comunes como el granito y la mica,
las arcillas con las que se hacen los ladrillos, y el caol�n con el que se fabrica
la porcelana y se recubren los utensilios de cocina para proteger al hierro
de la oxidaci�n (peltre).
La bauxita es un �xido de aluminio muy abundante. De �l se obtiene el aluminio met�lico mediante un proceso electrol�tico muy ingenioso, descubierto simult�neamente en los Estados Unidos por Charles M. Hall, joven de 22 a�os, y en Francia por un joven, tambi�n de 22 a�os, llamado P. L. T. Heroult.
El procedimiento descubierto por ambos j�venes nacidos en 1863 fue id�ntico; ambos se hicieron ricos, disfrutando de ello hasta el fin de sus vidas, que curiosamente aconteci�, tambi�n en ambos casos, en 1914.
Para obtener aluminio a partir de bauxita, �sta es previamente purificada, y disuelta posteriormente en un ba�o de criolita fundida. La soluci�n caliente de bauxita (�xido de aluminio o A12 O3) en criolita es colocada en una tina de carb�n, se insertan en ellas barras de grafito y se hace pasar corriente el�ctrica a trav�s del mineral fundido. Como resultado de este proceso, el �xido se descompone y el aluminio se deposita en el fondo de la tina, de donde es posible recuperarlo.
Con este descubrimiento, el aluminio se abarat�, y como lleg� a ser tan com�n
y sus usos tan variados, hoy en d�a se le puede ver en todas las cocinas y formando
parte de las fachadas de la mayor�a de los edificios.
Helio
El helio, segundo elemento m�s abundante en el Universo y en el Sol, es tambi�n
un gas ligero que, a diferencia del hidr�geno, es inerte, es decir, no se combina
con otros elementos. Como no es inflamable, se usa con plena confianza en el
llenado de dirigibles. El helio es tan poco reactivo, que no se combina ni consigo
mismo, por lo que se encuentra como �tomo solitario He, en vez de encontrarse
en forma de mol�culas diat�micas como el ox�geno (O2) o el
hidr�geno (H2).
El helio, primero de los gases nobles, tiene en su n�cleo dos protones y su
�nica capa electr�nica se encuentra saturada con dos electrones, raz�n por la
que es un elemento inerte.
Los dem�s elementos que existen en el Universo van siendo cada vez m�s pesados y se encuentran ordenados en la tabla peri�dica (Figura 1).
Los �nicos elementos que no reaccionan y permanecen siempre como �tomos solitarios
son los gases nobles. Estos elementos se les encuentra, encabezados por el helio,
en la �ltima columna de la tabla peri�dica. Como ya vimos en el caso del helio,
son inertes por tener saturada su �ltima capa electr�nica; por lo tanto, ni
reciben ni dan ni comparten electrones con otros �tomos.
LA ATMÓSFERA PRIMITIVA DE LA TIERRA
Cuando en el planeta Tierra a�n no se iniciaba la vida, debi� de existir una
atm�sfera muy diferente a la actual.
El cient�fico ruso Oparin supone que estaba compuesta por vapor de agua (H20), amoniaco (NH3) e hidrocarburos, principalmente metano (CH4), conteniendo tambi�n �cido sulfh�drico (H2S).
Tal mezcla de gases, sometidos a las altas temperaturas y a la radiaci�n ultravioleta que llegaba del Sol sin obst�culos, debieron dar origen a nuevas mol�culas org�nicas, como los amino�cidos.
En 1953, el cient�fico estadounidense Miller dio apoyo a la teor�a de Oparin mediante un experimento bastante sencillo: puso en un recipiente cerrado vapor de agua (H20), metano (CH4), hidr�geno (H2) y amoniaco (NH3), y someti� esta r�plica de la atm�sfera primitiva a descargas el�ctricas durante una semana; al cabo de ese tiempo se hab�an formado en su interior �cidos org�nicos, distintos amino�cidos y urea. Reacciones como la mencionada debieron realizarse continuamente en la atm�sfera de aquel entonces. M�s a�n, es muy probable que el vapor de agua contenido en ella se disociara por acci�n de los rayos ultravioleta, dando lugar a la generaci�n de ox�geno. �ste, en ese momento, debido a su reactividad, no lleg� nunca a concentraciones apreciables, pues se combinaba con los elementos de la corteza terrestre para dar �xidos. De esta manera oxid� al amoniaco (NH3), que abundaba en la atm�sfera de la Tierra joven, dando como producto agua y nitr�geno. Con el tiempo, la cantidad de este �ltimo aument� gradualmente hasta llegar a predominar en la atm�sfera. Por su parte, una cierta cantidad del O2 que quedaba se combin� entre s�, debido a la acci�n de la radiaci�n ultravioleta que llegaba del Sol sin encontrar ning�n obst�culo, dando lugar a la formaci�n del ozono (O3), el cual, al formar una capa en la atm�sfera superior, impidi� posteriormente, en gran medida, la entrada de este tipo de rayos, con lo que se facilit� de esta manera la aparici�n de la vida vegetal. �sta, a su vez, por medio de la fotos�ntesis, descompuso el CO2, con la consiguiente liberaci�n de ox�geno, el que gradualmente se fue acumulando en la atm�sfera hasta propiciar la vida animal. La atm�sfera de la Tierra, as�, poco a poco se fue acercando a la composici�n que tiene actualmente y de la que disfrutamos los habitantes de la Tierra, compuesta por 78% de nitr�geno (N2), 21% de ox�geno (O2), 0.9% de arg�n (Ar), vapor de agua (H2O), bi�xido de carbono (CO2), adem�s de otros elementos y mol�culas en peque�as proporciones. En nuestros d�as el O2 ha ido en aumento hasta llegar a ser el elemento m�s abundante de la corteza terrestre: �50 por ciento.
Todos los �tomos y mol�culas mencionados, excepto los gases nobles helio (He) y arg�n (Ar), son constituyentes indispensables de los seres vivos.
El resto de los planetas de nuestro sistema solar no son tan afortunados como el nuestro, pues ninguno tiene agua en abundancia ni tiene atm�sfera rica en ox�geno.
Las condiciones que existen en los planetas m�s cercanos al Sol, Mercurio y Venus, son impropias para la vida. En Mercurio existen temperaturas superiores a los 300° en el d�a e inferiores a 200° bajo cero por la noche. Su atm�sfera, constituida por gases inertes como helio, arg�n y ne�n, la hace completamente irrespirable para el ser humano, quien morir�a por asfixia en poco tiempo.
Venus, por su parte, tiene temperaturas tambi�n muy altas y una atm�sfera muy �cida, donde predomina el bi�xido de carbono, adem�s de �cidos fuertes como el sulf�rico, el clorh�drico, el fluorh�drico y el sulfh�drico.
Los grandes planetas m�s alejados de la Tierra: J�piter, Saturno, Urano y Neptuno,
adem�s de ser muy fr�os, tienen una atm�sfera en que el principal constituyente
es el hidr�geno, aparte de cantidades apreciables de helio y metano. Tienen,
por consiguiente, atm�sferas reductoras impropias para la vida humana.
COMPONENTES DEL CUERPO HUMANO
Los principales elementos de que est� formado el cuerpo humano son carbono (C),
ox�geno (O), hidr�geno (H) y nitr�geno (N), elementos que son tambi�n los principales
componentes de otros seres vivos, desde los organismos unicelulares hasta los
enormes seres pluricelulares, como las ballenas y los grandes �rboles, ejemplo
de los cuales tenemos el gran ahuehuete de Santa Mar�a del Tule, cuyo tronco
mide m�s de 50 metros de circunferencia.
La mol�cula m�s abundante en los seres vivos es el agua. En el ser humano llega a ser m�s de 70% de su peso. De manera que si un hombre de 100 kg de peso fuese desecado, su materia seca pesar�a tan solo 30 kg. Ahora bien, si esta materia restante fuese incinerada, la mayor parte se convertir�a en bi�xido de carbono que regresar�a a la atm�sfera. Lo mismo sucede con el nitr�geno de sus prote�nas, las que al ser convertidas en �xidos de nitr�geno pasar�an a la atm�sfera. Como material s�lido quedar�an las cenizas, que son �xidos provenientes de los componentes inorg�nicos del cuerpo, entre los que encontrar�amos el �xido de calcio o cal viva, adem�s de �xidos de sodio, potasio, hierro y f�sforo.
De esta manera, todos los elementos que fueron tomados de la Tierra y de la atm�sfera para crear un ser vivo, regresan a su punto de origen, donde quedan en disposici�n de ser reutilizados.
Los elementos que forman parte de los seres vivos no s�lo son importantes constituyentes
de nuestro planeta, lo son tambi�n de otros cuerpos celestes, encontr�ndose
incluso en los espacios interestelares.
REFERENCIAS
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