II. EL �TOMO DE CARBONO, LOS HIDROCARBUROS, OTRAS MOL�CULAS ORG�NICAS, SU
POSIBLE EXISTENCIA EN LA TIERRA PRIMITIVA
Y EN OTROS CUERPOS CELESTES
LA TEOR�A de la gran explosi�n como origen del Universo concibe la formaci�n del �tomo de carbono (peso at�mico = 12) en el interior de las estrellas mediante la colisi�n de tres �tomos de helio (peso at�mico = 4).
La generaci�n del carbono y de los �tomos m�s pesados se dio en el interior de las estrellas antes de la formaci�n de nuestro Sistema Solar, cuyo nacimiento, a partir de materiales c�smicos, polvo y gas provenientes de los restos de estrellas que explotaron, se remonta a un pasado inimaginable: algo as� como 4 600 millones de a�os.
Cuando la tenue nube de polvo y gas fue comprimida por la onda de choque producida por la explosi�n de una estrella de las llamadas supernovas, se form� la nebulosa en cuyo centro la materia se concentr� y calent� hasta producir nuestro Sol.
Rodeando al Sol, la materia fue siendo cada vez mas fr�a y sus elementos constitutivos m�s ligeros. Con este material se formaron los planetas y sus lunas.
La diferente composici�n qu�mica del cuerpo de los planetas y de su atm�sfera se debe en parte a que se formaron en regiones de la nebulosa con distintas temperaturas, por lo que los planetas interiores, Mercurio, Venus, Tierra y Marte, son rocosos, con gran proporci�n de metales, �xidos y silicatos. En cambio, los planetas exteriores contienen m�s gases. As�, los planetas interiores han perdido alrededor de 98% de su peso original por haber estado formados de material vol�til como hidr�geno y helio, mientras que los planetas lejanos conservan enormes cantidades de hidr�geno y helio.
La Tierra, el tercer planeta del Sistema Solar, tuvo la fortuna de no ser tan caliente como Mercurio y Venus, ni tan fr�o como los planetas m�s alejados del Sol. Contiene agua en abundancia y carbono en cantidades tambi�n relativamente abundantes, adem�s del resto de los elementos estables, es decir todos los elementos de la tabla peri�dica hasta el n�mero 92, metal conocido con el nombre de uranio (Figura 1).
Los elementos del 93 al 109, llamados transur�nicos, han sido preparados artificialmente por el hombre, mediante colisiones entre distintos �tomos.
Cuando la colisi�n se efect�a entre �tomos y neutrones se obtienen �tomos con id�ntico n�mero at�mico, pero diferente peso molecular, a los que se les llama is�topos. El primero de ellos, el f�sforo 30, fue preparado por Fr�d�ric e Irene Joliot Curie en 1935.
Desde entonces, el hombre ha preparado m�s de 1 900 is�topos de diferentes elementos, muchos de ellos radiactivos.
Cualquier elemento natural o sint�tico es identificado por su n�mero at�mico Z, que corresponde al n�mero de protones que lleva en su n�cleo. Cada elemento puede tener un n�mero variable de is�topos. El hidr�geno, que posee un prot�n y un electr�n, tiene adem�s un is�topo estable, cuyo n�cleo est� formado por un prot�n y un neutr�n. A este is�topo con peso at�mico de dos se le llama deuterio.
El uranio, que tiene n�mero at�mico de 92, posee 92 protones en su n�cleo. Si adem�s contiene 143 neutrones, estaremos en presencia del is�topo uranio 235 (143 + 92 = 235); cuando el n�mero de neutrones es de 146, el is�topo de uranio ser� el 238.
Los diferentes is�topos (del griego, mismo lugar) de un elemento se llamar�n, en general, de la misma manera y ocupar�n el mismo lugar en la tabla peri�dica de los elementos, adem�s de que tendr�n id�nticas propiedades qu�micas dado que su configuraci�n electr�nica permanece estable.
El carbono, elemento base de la vida, se encuentra en la corteza terrestre en una proporci�n de 0.03%, ya sea libre o formando parte de diversas mol�culas. Como era de suponerse, el carbono se encuentra tambi�n en los dem�s planetas de nuestro Sistema Solar, ya que todos fueron formados a partir de la misma nebulosa. Se ha comprobado su existencia en meteoritos y en las muestras de piedras tra�das de la Luna.
En la Tierra se le encuentra: libre en forma de diamante o de grafito; combinado, formando parte de diversas mol�culas org�nicas como la celulosa de la madera, el algod�n y el az�car; formando parte de sustancias inorg�nicas como el m�rmol, que qu�micamente es el carbonato de calcio (CaCO3), el bicarbonato de sodio o polvo de hornear (NaHCO3) y, en la atm�sfera terrestre, como bi�xido de carbono (C02), de donde las plantas lo toman y lo transforman, con la ayuda de la energ�a solar, en sustancias org�nicas que incorporan a su organismo. Estas sustancias ser�n posteriormente utilizadas por algunos de los seres del reino animal como alimento.
�stos, a su vez, oxidar�n la materia org�nica, liberando bi�xido de carbono (CO2) para completar el ciclo de la vida.
EL CARBONO EN ESTADO LIBRE
El diamante es un cuerpo duro y transparente en el que cada �tomo de carbono
se encuentra unido a otros cuatro, localizados en los v�rtices de un tetraedro
(Figura 5(A)). El grafito (Figura 5(B)) es otra forma alotr�pica del carbono.
Alotrop�a es una palabra griega que significa variedad. El diamante es, por tanto, uno de los al�tropos del carbono. Debido a las diferencias que existen en las uniones entre los �tomos del diamante y los del otro al�tropo del carbono, el grafito, ambos tienen propiedades completamente diferentes. As�, mientras el primero es el m�s duro de los materiales conocidos, el segundo es un material blando que se usa como lubricante y para escribir o dibujar, es decir, es el material de que est� hecho el coraz�n de los l�pices.
De la misma forma, el diamante es m�s pesado que el grafito, pues la densidad del primero es de 3.5 g/cm3 y la del segundo de 2.3 g/cm3.
Como ambas sustancias est�n formadas tan s�lo por �tomos de carbono, como antes ve�amos, la diferencia en propiedades f�sicas se debe al modo de uni�n entre sus �tomos.
Figura 5.
En el diamante, cada �tomo de carbono est� rodeado por otros cuatro �tomos acomodados en los v�rtices de un tetraedro (Figura 5(A)). En el grafito, en cambio, los �tomos de carbono est�n fuertemente unidos a tres �tomos vecinos, formando capas de hex�gonos. En este �ltimo caso las diferentes capas se encuentran unidas entre s� por fuerzas d�biles (fuerzas de Van der Waals), lo que hace que una capa pueda deslizarse sobre la otra, d�ndole al grafito la propiedad de lubricante, propiedad que es aprovechada para evitar el rozamiento entre dos superficies duras que se deslizan una sobre la otra. Por tanto, las marcas que deja un l�piz al escribir est�n formadas por las capas horizontales de hex�gonos ilustradas en la figura 5(B).
Por otra parte, a diferencia del diamante, el grafito es un buen conductor de la energ�a el�ctrica.
Esta propiedad, rara para un elemento no met�lico, se puede deducir de su estructura
(Figura 5(B)), en la que cada una de las tres uniones entre �tomos (representados
en la figura por l�neas) est�n formadas por un par de electrones, es decir cada
�tomo ha empleado tres de sus cuatro electrones de valencia, qued�ndole por
lo tanto un electr�n libre que puede moverse a trav�s de la mol�cula favoreciendo
la conducci�n de la electricidad.
Como hemos visto, el �tomo de carbono, por tener cuatro electrones de valencia,
tiende a rodearse por cuatro �tomos, ya sean del propio carbono, como en el
diamante, o de diferentes elementos, con los que comparte cuatro de sus electrones
para as� completar su octeto, que es lo m�ximo que puede contener en su capa
exterior.
La Tierra, al igual que los dem�s planetas, tuvo en su primera �poca una atm�sfera
rica en hidr�geno (H2), por lo que el carbono (C) reaccion�
con �l formando mol�culas de hidrocarburos (carbono hidrogenado). Como el hidr�geno
contiene un solo electr�n de valencia, cada �tomo de carbono se une a cuatro
de hidr�geno formando el m�s sencillo de los hidrocarburos, el metano (CH4).
El metano es una mol�cula estable en la que las capas electr�nicas de valencia,
tanto del hidr�geno como del carbono, est�n saturadas, el primero formando un
par como en el helio y el segundo un octeto como en el ne�n.
Figura 6. (a) Formaci�n del metano, orbitales at�micos y moleculares.
(b) representaci�n de hidrocarburos con modelos.
En el metano, los cuatro �tomos de hidr�geno se encuentran acomodados en los v�rtices de un tetraedro (Figura 6), arreglo similar al ya mencionado para el diamante.
Debido a que el carbono tiene la propiedad de unirse entre s� formando cadenas lineales, ramificadas o c�clicas, sus compuestos forman una serie muy grande de sustancias con f�rmulas precisas (Figura 7), de las que se conocen ya m�s de dos millones de diferentes sustancias org�nicas y cada a�o se suman muchos nuevos compuestos org�nicos de origen natural o sint�tico.
Los hidrocarburos lineales tendr�n la f�rmula CnH2n +2. As�, por ejemplo, el hidrocarburo lineal de 5 �tomos de carbono o pentano CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3 ser� C5H(2 X 5) +2 o sea C5H12. Si el hidrocarburo es ramificado, como por ejemplo el isobutano, su f�rmula es tambi�n
No as� en los hidrocarburos c�clicos como en el ciclopentano en que se pierden dos hidr�genos para poder usar la valencia vacante en la uni�n C—C que cierra el ciclo. Los hidrocarburos c�clicos se representan esquem�ticamente por medio de pol�gonos: el ciclopentano por medio de un pent�gono, y el ciclohexano por un hex�gono, y cada �ngulo representa un CH2.
Los cuatro primeros hidrocarburos lineales se llaman: metano (CH4), etano (C2H6), propano (C3H8) y butano (C4H10), y son gases inflamables. Los siguientes tres: el pentano (C5H12), el hexano (C6H14) y el heptano (C7H16) son l�quidos inflamables con bajo punto de ebullici�n. Los hidrocarburos gaseosos mencionados forman parte del gas dom�stico, mientras que los l�quidos constituyen las gasolinas.
Los hidrocarburos con mayor n�mero de �tomos de carbono son l�quidos de punto de ebullici�n cada vez m�s elevado hasta llegar a 14 �tomos de C, que es el primer hidrocarburo s�lido. Todos los hidrocarburos con m�s de 14 �tomos de C ser�n s�lidos a temperatura ambiente. Simplemente recordemos, como ejemplo, las velas de parafina, que est�n formadas por hidrocarburos con un n�mero elevado de �tomos de carbono.
Las cuatro valencias del �tomo de carbono pueden tambi�n ser satisfechas de manera diferente a las ya vistas: dos �tomos de carbono pueden unirse entre s�, usando no s�lo una valencia, sino dos y aun tres. En el primer caso tendremos las mol�culas llamadas olefinas o alquenos, entre las que la m�s sencilla es el etileno:
Estas mol�culas son muy �tiles en qu�mica org�nica, ya que al existir la tendencia
de los �tomos de carbono a quedar unidos entre s� por una sola valencia, quedan
disponibles las valencias extras para unirse a un hidr�geno u otros �tomos,
dando hidrocarburos saturados, o hidrocarburos sustituidos, como alcoholes,
�teres o aminas, etc. (Figura 8).
Existe tambi�n la posibilidad de que dos �tomos de carbono unan tres de sus cuatro valencias, formando as� sustancias llamadas alquinos, entre las que la m�s sencilla es el acetileno:
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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 met�licos se forman por interacci�n entre el �tomo de carbono
y un �xido met�lico a elevadas temperaturas. Los metales alcalinos (como Sodio)
forman carburos que pueden representarse como M2C2
(M = metal) y los alcalino t�rreos (como calcio) forman carburos representados
por MC2. Ambos producen acetileno, CH
CH,
por reacci�n con agua. En cambio, los carburos de berilio o aluminio producen
metano (CH4) por hidr�lisis.
CH4
+ Be(OH)2El m�s conocido de los carburos es el carburo de calcio, CaC2. Esta sustancia se prepara por reacci�n entre cal (CaO) y carb�n a alta temperatura.
El carburo de calcio es el hidrocarburo m�s simple en el que cada �tomo de carbono intercambia tres valencias formando lo que se conoce como triple ligadura. El carbono de calcio reacciona con agua desprendiendo acetileno.
El acetileno se usa en combinaci�n con el ox�geno en el soplete oxiacetil�nico, el cual sirve para soldar o cortar objetos de hierro. Debido a que arde con luz brillante, el acetileno se usa tambi�n en l�mparas de alumbrado.
Los �tomos de carbono no solo se pueden combinar entre s� y con el hidr�geno para dar hidrocarburos, sino que tambi�n pueden combinarse con muchos elementos, principalmente con ox�geno y con nitr�geno, para transformarse en los compuestos org�nicos que son la base de la vida.
Esta habilidad del carbono de combinarse entre s� y con otros �tomos, explica el porqu� 9 de cada 10 entre los cientos de miles de sustancias conocidas contengan carbono.
El metano, el m�s simple de los hidrocarburos, es el resultado de la uni�n de
un �tomo de carbono con cuatro hidr�genos. En �ste, como en el diamante, las
cuatro valencias van dirigidas hacia los v�rtices de un tetraedro (Figura 6).
El metano es un gas vol�til e inflamable que, por su alto contenido de calor, 13.14 Kcal/g, es un combustible eficaz. Es el principal componente del gas natural, en donde se encuentra junto con otros hidrocarburos gaseosos como etano, propano y butano. Este gas, tambi�n llamado gas de los pantanos, por formarse debido a la acci�n de microorganismos sobre la materia org�nica, tambi�n se produce en el est�mago de los mam�feros cuando �stos tienen una mala digesti�n.
EL METANO Y OTROS COMPUESTOS QUÍMICOS EN LOS CUERPOS CELESTES.
El metano form� parte de la atm�sfera primitiva de la Tierra, donde se gener� por la acci�n reductora del hidr�geno sobre el carbono. Era el gas predominante en la atm�sfera terrestre de aquel entonces.
Actualmente el metano forma parte de la atm�sfera de los planetas fr�os que se encuentran m�s all� de Marte en nuestro Sistema Solar, es decir J�piter, Neptuno, Urano y Plut�n.
Las naves espaciales Pionero y Viajero I revelaron un mundo fascinante en que las capas de distintos colores se suceden en este enorme planeta, cuyo di�metro es 11 veces el de la Tierra. Como el metano se conserva en estado gaseoso, aun a 160° bajo cero, y solidifica s�lo a -182°, se encuentra en forma de gas en la atm�sfera de J�piter, donde se transforma qu�micamente con la ayuda de la radiaci�n ultravioleta del Sol. Las nuevas mol�culas de hidrocarburos superiores m�s pesadas que el metano se licuan y llegan a solidificar precipit�ndose en forma de lluvia o nieve durante las tormentas el�ctricas que se suceden con frecuencia en ese gigante del Sistema Solar. Los hidrocarburos superiores, constituidos por cadenas de �tomos de carbono, al caer sobre el oc�ano de hidr�geno l�quido que cubre la superficie de J�piter, son reducidos nuevamente al hidrocarburo m�s simple y m�s estable que es el metano, el que vuelve a incorporarse a la atm�sfera joviana.
Saturno
El Viajero I lleg� a Saturno en noviembre de 1980, despu�s de su inspecci�n por J�piter y sus sat�lites, mostrando un enorme planeta, aunque algo menor que el anterior. Este planeta, que se distingue de los dem�s por su bello e impresionante sistema de anillos, posee una atm�sfera en la que predomina el hidr�geno, aunque es rica tambi�n en metano, etano y amoniaco. Debido a la baja temperatura del planeta, el etano y el amoniaco se encuentran en estado s�lido, y el helio se condensa cayendo como lluvia sobre la superficie del planeta.
Tit�n. Con este nombre se conoce a la mayor luna de Saturno, un cuerpo celeste con tama�o comparable al de la Tierra.
De gran importancia fueron los hallazgos de la primera misi�n del Viajero I,
pues su espectrofot�metro de infrarrojos encontr� que la atm�sfera de este cuerpo
celeste est� formada por 80% de nitr�geno y por sustancias org�nicas como metano
(CH4), etano (CH3 — CH3),
acetileno (H — C
C—H) y �cido cianh�drico (HC
N).
Debido a las bajas temperaturas que se alcanzan en Tit�n, 93°K (-l80°C) o menos, el metano puede existir en sus tres estados: s�lido, l�quido y gaseoso. En las capas superiores de Tit�n desciende la temperatura y el metano se congela formando peque�as part�culas s�lidas. El metano produce en Tit�n algo similar a nuestras lluvias y nevadas.
Qu�mica del metano en las condiciones de Tit�n. Debido a que la atm�sfera de Tit�n contiene tambi�n sustancias org�nicas provenientes de la reacci�n entre el metano y el nitr�geno, Tit�n se convierte en un excelente laboratorio qu�mico extraterrestre donde se llevan a cabo reacciones qu�micas por medio de las cuales se forman �cido cianh�drico (HCN), ciano acetileno, etanopropano, etileno y metil acetileno. Muchas de estas sustancias, como el �cido cianh�drico, no hab�an sido detectadas en la atm�sfera de otros planetas, aunque s� en el espacio interestelar.
La presencia de sustancias org�nicas nitrogenadas como el �cido cianh�drico y el ciano acetileno son de gran importancia cient�fica, dado que son los intermediarios clave en la formaci�n de los amino�cidos y �cidos nucl�icos que son los precursores de la vida en la Tierra. Las dem�s lunas de Saturno no tienen atm�sfera.
Urano y Neptuno
Son gigantescos planetas de color verde azulado, m�s fr�os y densos que Saturno. La atm�sfera de estos planetas contiene, adem�s de hidr�geno, metano, identificado por su espectro de infrarrojo.
Urano. Es un gran planeta de color verdoso, con 51 000 km de di�metro (4 veces el de la Tierra), que circunda al Sol cada 84 a�os terrestres. Se encuentra a una distancia del Sol de 2 868 600 000 km (dos mil ochocientos sesenta y ocho millones seiscientos mil kil�metros), o sea 19 veces m�s alejado de lo que lo est� la Tierra. Por tanto, a diferencia de los ocho minutos que tarda en llegar la luz solar a la superficie de la Tierra, a Urano llega despu�s de poco m�s de dos horas y media. Esta enorme distancia convierte a Urano en un planeta dif�cil de estudiar.
Urano es un gigante gaseoso con un coraz�n rocoso, con 3 o 4 veces la masa de la Tierra, cubierto de una capa de agua, amoniaco y metano (H20, NH3 y CH4) de unos � 8 000 km de espesor. Sobre este vasto oc�ano existe una atm�sfera de hidr�geno y de helio, con una considerable cantidad de metano.
Es precisamente el metano el que da un aspecto verdoso al planeta, ya que las ligaduras C—H absorben la luz roja. Las capas superiores de esta atm�sfera se encuentran a —213 °C. La duraci�n del d�a es aproximadamente de 114 horas terrestres.
Urano, a semejanza de Saturno, est� rodeado de anillos, aunque �stos est�n constituidos por un material oscuro que refleja muy poco de la luz solar que reciben, por lo que quiz� est�n formados por sustancias derivadas del carbono.
Neptuno. Es, como Urano, un gigante verdoso con aproximadamente las
mismas dimensiones y con una composici�n qu�mica parecida.
Plut�n
Adem�s de ser el m�s lejano y m�s peque�o de los planetas del Sistema Solar,
es tambi�n el menos denso. Su composici�n qu�mica, seg�n las �ltimas observaciones,
queda as�: agua s�lida 74%, metano 5% y roca 21%.
Plut�n, a pesar de ser tan peque�o, tiene una luna. Sin embargo, la gran lejan�a impide hacer deducciones de la qu�mica de este peque�o y apartado cuerpo celeste.
La posibilidad de reacciones qu�micas entre las mol�culas que forman la atm�sfera de estos planetas es, debido al fr�o, muy restringida. El hidr�geno, que forma 90% de las atm�sferas de Urano y Neptuno, no puede arder por la falta de ox�geno. Tampoco el metano, que se asemeja al gas de nuestras estufas, puede arder, pues falta el ox�geno necesario para que se efect�e la reacci�n de oxidaci�n que sucede cuando encendemos nuestra estufa o el calentador de nuestro ba�o.
El otro elemento que se encuentra en la atm�sfera de Urano y Neptuno es el helio, del que ya sabemos que es inerte. Es un elemento que por m�s que lo calentemos en presencia de ox�geno no arde, pues por tener completa su �rbita de valencia no reacciona ni consigo mismo; es por esto que siempre se encuentra como �tomo solitario (He).
En la atm�sfera de Plut�n se ha detectado metano, adem�s de los gases nobles, arg�n y ne�n, raz�n por la cual su atm�sfera es inerte. Por tanto, el metano en esas condiciones no podr� arder dando bi�xido de carbono, agua, luz y calor, como lo hace en la Tierra.
LOS COMETAS
En los helados confines del Sistema Solar existen congelados millones de peque�os 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 describiendo una �rbita el�ptica alrededor del Sol. A veces invierte miles de a�os en terminar este viaje. Mientras m�s se acerca al Sol en su recorrido, el cometa libera m�s materia, �tomos y mol�culas que, arrastradas por el viento solar, constituyen su cauda, la que, debido a dicho impulso, siempre se ver� opuesta al Sol. Si en un camino alguno de los cometas se acerca demasiado al Sol, toda su materia se evapora, dando un espect�culo de luz antes de que sus �tomos y mol�culas pasen a formar parte de la materia invisible del Universo.
Las �rbitas de algunos de ellos son alteradas por influencia de los grandes planetas, convirti�ndose en cometas de periodo corto, como es el caso del cometa Halley, que pasa por las cercan�as de la Tierra cada 76 a�os.
Los cometas, despu�s de haber sido observados a simple vista o por medio de telescopios y estudiados espectrosc�picamente, se han descrito como peque�os cuerpos de hielo que mientras brillan a la luz del Sol emiten gases y polvo, y cuyas mol�culas se descomponen en iones y radicales por acci�n del viento y radiaci�n ultravioleta solares.
Aprovechando la ocasi�n en que el cometa Halley pas� por las cercan�as de nuestro planeta en marzo de 1986, los cient�ficos de todo el mundo unieron sus esfuerzos para estudiarlo, tanto para poder confirmar o rectificar los anteriores conceptos, como para desentra�ar muchos de los misterios que a�n lo rodean.
EL COMETA HALLEY
Las naves espaciales enviadas para su exploraci�n y estudio por japoneses, sovi�ticos
y europeos confirmaron muchos de los conceptos previamente establecidos, pero
adem�s revelaron datos sorprendentes, muchos de los cuales a�n no han sido suficientemente
estudiados.
De gran inter�s fue descubrir que su n�cleo es alargado, con la forma de un cacahuate ennegrecido; que sus dimensiones son mayores de las que se hab�an supuesto. Tiene 15 kil�metros de largo por 10 de ancho en los l�bulos y siete en la parte m�s angosta, y que la superficie es intensamente oscura, una de las m�s oscuras que se conocen en cuerpos celestes, comparable a los anillos de Urano (tan solo refleja 4% de la luz solar que ilumina).
As�, ahora se sabe que el n�cleo no es una brillante bola de hielo, sino una oscura bola de hielo y polvo cubierta de una delgada capa de un material oscuro constituido probablemente por derivados de carbono.
El espesor de la pel�cula es de solo 1 cm, seg�n los cient�ficos sovi�ticos que se basaron en datos enviados por las naves Vega 1 y Vega 2. Esta capa, aunque delgada, es suficiente para evitar en gran medida el reflejo de los rayos solares y al mismo tiempo la evaporaci�n del agua.
Los sensores infrarrojos del Vega 1 detectaron una temperatura de 59°, temperatura m�s que suficiente para que el hielo sublime.
La costra tiene perforaciones por donde salen chorros de gas y polvo que se proyectan al espacio. Cuando menos siete chorros grandes y algunos peque�os se detectaron en la superficie del cometa.
Vega 1 determin� que se eliminan 10,000 kg de polvo cada segundo durante el m�ximo de la intensidad.
Los chorros de gas y polvo est�n constituidos principalmente por vapor de agua (80% en volumen), por lo que por este concepto se eliminan 5 000 kg de agua por segundo. Se encontr� que junto con el agua se eliminan grandes cantidades de amoniaco (NH3, 10%) y metano (CH4, 7%), as� como bi�xido de carbono (CO2, 3.5%).
Los espectr�meros de masa instalados a bordo de la nave europea Giotto detectaron la presencia de una gran cantidad de part�culas cargadas provenientes de la ruptura de mol�culas tales como H — O., H+, H — O-, H� Tambi�n detectaron la presencia de iones de carbono, ox�geno, sodio, azufre y fierro.
La nave japonesa Susei, que pas� el 8 de marzo a una distancia de 100 000 kil�metros
del n�cleo, encontr� que el cometa respira hidr�geno: cada 53 horas sube la
intensidad de hidr�geno debido al periodo de rotaci�n, ya que en un momento
dado presenta la cara que es sensible al Sol, pero al girar muestra la otra
cara, dejando de eliminar hidr�geno.
COMPUESTOS OXIGENADOS DEL CARBONO
Conforme la atm�sfera de la Tierra fue adquiriendo ox�geno, �ste se fue consumiendo en la oxidaci�n de los distintos elementos y mol�culas que exist�an en ella. Al no haber suficiente ox�geno atmosf�rico, no hab�a posibilidad de combusti�n; tanto el hidr�geno como los hidrocarburos pod�an calentarse a elevadas temperaturas sin producci�n de fuego.
Fueron necesarios muchos millones de a�os para que la cantidad de ox�geno atmosf�rico se elevara lo suficiente para poder sustentar la combusti�n. �sta es una reacci�n de oxidaci�n en la que el hidr�geno se combina con el ox�geno del aire produciendo su �xido, que es el agua. En esta reacci�n violenta se produce, adem�s, luz y calor.
Cuando prendemos fuego a un hidrocarburo l�quido o mezcla de hidrocarburos como
la gasolina vemos que el l�quido desaparece totalmente. Lo que sucede en realidad
es que, al combinarse con el ox�geno atmosf�rico, sus �tomos de carbono producen
el gas bi�xido de carbono, mientras que sus �tomos de hidr�geno forman vapor
de agua, y ambos �xidos en que se transform� el hidrocarburo ascienden a la
atm�sfera sin dejar huella del l�quido combustible.
La oxidaci�n de un hidrocarburo no es siempre total; existen estados intermedios
con incorporaci�n parcial de ox�geno. Las mol�culas provenientes de estas oxidaciones
parciales son de gran importancia para la vida.
Los pasos sucesivos en la oxidaci�n del gas etano ser�n las siguientes:
Analicemos algunos de los compuestos oxigenados del carbono.
Cuando se sustituye uno de los hidr�genos de un hidrocarburo por un grupo oxhidrilo (OH) se obtiene un nuevo grupo de sustancias a las que se llama alcoholes.
Los alcoholes, cuyo grupo caracter�stico es el oxhidrilo (OH), poseen propiedades parecidas a las del agua (HOH), sobre todo en los de m�s bajo peso molecular. Son miscibles con agua y tienen alto punto de ebullici�n, que con frecuencia es varios cientos de grados superior al del hidrocarburo del que derivan.
Por ejemplo, el metano, CH4, es gas a�n a 162 grados bajo cero, mientras que su alcohol correspondiente, el metanol (CH3OH), es un l�quido con punto de ebullici�n de 64.5°, es decir los puntos de ebullici�n de ambas sustancias difieren en 226.5°.
La diferencia entre el etano (CH3CH3) y el alcohol et�lico (CH3CH2 OH), aunque sigue siendo muy grande (166°), disminuye sensiblemente con respecto a la del par metano/metanol. A medida que aumenta el peso molecular de los alcoholes, las diferencias de punto de ebullici�n con respecto a sus hidrocarburos van siendo menores (cuadro 1). Puesto que al aumentar el n�mero de �tomos de carbono, la mol�cula va teniendo cada vez m�s caracter�sticas de hidrocarburo y diferenci�ndose cada vez m�s del agua, es por esto que los alcoholes con muchos �tomos de carbono y un solo oxhidrilo no son solubles en agua.
La explicaci�n de los altos puntos de ebullici�n en los alcoholes es la misma que se ha dado para el agua, es decir existen puentes de hidr�geno que ligan varias mol�culas entre s�.
De la misma manera, los �tomos de ox�geno de una mol�cula de alcohol atraen
a los hidr�genos de una segunda mol�cula de alcohol. Esta asociaci�n entre mol�culas
explica tanto la solubilidad en agua de los alcoholes de bajo peso molecular,
como su relativamente alto punto de ebullici�n.
METANOL, ALCOHOL METÍLICO O ALCOHOL DE MADERA
El alcohol met�lico, el m�s sencillo de los alcoholes, tiene un solo �tomo de
carbono, y su preparaci�n difiere un poco de la correspondiente a los dem�s
alcoholes. El m�todo m�s antiguo consiste en una destilaci�n seca de la madera,
por lo que se le conoce como alcohol de madera.
Este procedimiento es el empleado por los fabricantes de carb�n vegetal, s�lo que ellos lanzan a la atm�sfera todos los componentes vol�tiles como el metanol y la acetona. En la actualidad existen m�todos m�s baratos y eficientes para su preparaci�n.
El alcohol met�lico es venenoso. Si se ingiere, se respiran sus vapores o se expone la piel a su contacto por un periodo prolongado, puede provocar ceguera y aun la muerte, por lo que es necesario ser muy cuidadosos para no confundirlo con el alcohol et�lico.
El alcohol met�lico se usa ampliamente como disolvente en qu�mica org�nica, es decir como medio en que se llevan a cabo muchas reacciones qu�micas.
ALCOHOL ET�LICO
Es quiz� el primer disolvente qu�mico preparado por el hombre. Se produce en la fermentaci�n de l�quidos azucarados. Es usado como disolvente para pinturas, barnices, lacas y muchos otros materiales industriales. Tambi�n se utiliza ampliamente como desinfectante.
Debido a que tambi�n se emplea ampliamente como ingrediente de bebidas alcoh�licas, cuando se vende para usos industriales se le agrega una sustancia que le comunica mal olor o mal sabor. Al alcohol as� preparado se le llama alcohol desnaturalizado. El alcohol industrial contiene normalmente 95% de alcohol y tiene un punto de ebullici�n de 78°. La eliminaci�n del 5% de agua restante para llegar a obtener el alcohol absoluto es muy dif�cil.
Como dijimos anteriormente, conforme aumenta el n�mero de �tomos de carbono en un alcohol sus propiedades se asemejan cada vez m�s a las de un hidrocarburo. As�, por ejemplo, su solubilidad en agua va diminuyendo a medida que su punto de ebullici�n m�s se va acercando a la del hidrocarburo (Cuadro 1).
CUADRO 1. Propiedades f�sicas de hidrocarburos y de sus correspondientes alcoholes.
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Hidrocarburo | P.eb. | Alcohol | P.eb. | Diferencia en. p.eb. |
| metano | CH4 |
-162°
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metílico | +64.5 | 226.5° |
| etano | CH3-CH3 |
-88
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etílico | +78.3 | 166 |
| propano | CH3CH2CH3 |
-42
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propílico | +97 | 139 |
| butano | CH3(CH2)CH3 |
0
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n-butílico | +118 | -118 |
| pentano | CH3(CH2)3CH3 |
36
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n-penílico | +138 | 102 |
| hexano | CH3(CH2)4CH3 |
69
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n-hexílico | +156 | 87 |
| heptano | CH3(CH2)5CH3 |
98
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n-heptílico | +176 | 78 |
| octano | CH3(CH2)6CH3 |
126
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n-octiílico | +195 | 69 |
| n-decano | CH3(CH2)8CH3 |
174
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n-decílico | +228 | 54 |
Uno de los casos extremos que podemos observar en el cuadro es el del metano:
mientras que �ste es un gas incluso a una temperatura extremadamente baja (-l62°),
su alcohol correspondiente, el alcohol met�lico, es l�quido a temperatura ambiente:
hierve a 64.5° a nivel del mar. Existe por lo tanto una diferencia
de 226.5° entre los puntos de ebullici�n. Esta diferencia, en cambio,
ya no es tan impresionante en caso del hidrocarburo de ocho �tomos de carbono,
pues entre el octano normal que hierve a 126° y su alcohol que lo
hace a 195° se presenta una diferencia de tan s�lo 69°.
Lo mismo sucede cuando se comparan las solubilidades en agua: mientras el metanol y el etanol son totalmente miscibles con el agua, del alcohol oct�lico s�lo se disuelven 0.5 g en 100 de agua.
No s�lo existe la posibilidad de inserci�n de un �tomo de ox�geno entre un
carbono y un hidr�geno para dar un alcohol, sino que tambi�n existe la posibilidad
de inserci�n de ox�geno entre dos �tomos de carbono, logr�ndose as� la formaci�n
de las sustancias llamadas �teres. El m�s sencillo de ellos es el �ter met�lico
CH3OCH3, sigui�ndole
el metil etil �ter CH3OCH2CH3
y el �ter et�lico CH3CH2OCH2CH3.
Figura 9.
El �ter et�lico es una sustancia l�quida de bajo punto de ebullici�n de mucha importancia, ya que se usa en medicina como anest�sico y en los laboratorios de qu�mica como disolvente vol�til e inmiscible en el agua. Precisamente debido a su insolubilidad en agua se emplea para extraer sustancias que se encuentran disueltas o suspendidas en agua. Para ello se usa un embudo de separaci�n, como se muestra en la figura 9.
Para lograr una buena extracci�n, se agita el embudo para que ambos l�quidos no miscibles se pongan en contacto, y luego se coloca el embudo en un soporte para que, al reposar, el agua y el �ter se separen. El agua ya agotada que queda en la parte inferior del embudo es eliminada, quedando el �ter con la sustancia disuelta. Para recuperar la sustancia que originalmente estuvo en el agua lo que se hace es evaporar el �ter, de esta manera la sustancia quedar� como residuo.
OTROS COMPUESTOS OXIGENADOS DEL CARBONO: ALDEHÍDOS,
CETONAS, ÁCIDOS
Los alcoholes se dividen en tres clases: primarios (1), secundarios (2) y terciarios
(3).
Los alcoholes primarios pierden por oxidaci�n dos �tomos de hidr�geno dando
un aldeh�do. As�, por ejemplo, el alcohol met�lico al perderlos dar� el metanal
o formol.
El formol es un gas cuya soluci�n acuosa al 37% se usa para conservar los cad�veres.
A su vez, el formol es susceptible de ser oxidado para dar el �cido f�rmico, que es el �cido que tienen las hormigas y que contribuye a causar la irritaci�n que provocan sus mordeduras.
Los aldeh�dos en la formaci�n de un espejo de plata
Para la formaci�n de un espejo de plata por deposici�n de plata sobre un vidrio limpio primero se prepara nitrato de plata amoniacal. Esto se hace agregando suficiente amoniaco disuelto en agua (NH4OH) a una soluci�n de nitrato de plata hasta que el precipitado de hidr�xido de plata que se forma al principio se disuelva.
Ag+ NO3- + NH4OH
AgOH + NH4+ NO3-
Espejo. Cuando ya se tiene preparado el nitrato de plata amoniacal, contenido en un tubo de ensaye muy limpio, se agrega formol. Al hacerlo, de inmediato se depositar� una capa de plata met�lica en las paredes formando un espejo. Si las paredes del tubo no estuviesen suficientemente limpias, la plata se precipitar� como un polvo caf� oscuro.
2 Ag(NH3)+ NO3-HCH = O + H2O 2
Ag0 + HCOONH4 + 2 NH4NO3+ NH3
Tollens observ� que la sensibilidad de la reacci�n aumenta cuando se agregan peque�as cantidades de hidr�xido de sodio.
Preparaci�n de urotropina
La urotropina es una sustancia s�lida que se usa como desinfectante de las v�as urinarias. Se prepara mezclando formalina (soluci�n acuosa de formol en agua al 37%) con una soluci�n diluida de hidr�xido de amonio.
La mezcla se deja reposar por bastante tiempo y luego se evapora calentando a 100°. La urotropina se depositar� como un s�lido de sabor dulce.
La urotropina o hexametilentetramina se forma de acuerdo con la siguiente ecuaci�n:
6HCH=O+4NH3
(CH2)6+6H2O
El formaldeh�do forma dos tipos de pol�meros (poli, muchos; meros, parte). Uno de ellos es cuando los �tomos de carbono de una mol�cula se unen con los �tomos de ox�geno de otra; el segundo tipo, cuando las mol�culas se unen por medio de los �tomos de carbono.
Los pol�meros del primer tipo incluyen al paraformaldeh�do y al polioximetileno, y los del segundo, a los az�cares.
Etanal o acetaldehído
El etanal o acetaldeh�do es el producto de la oxidaci�n suave del etanol. Es un l�quido que hierve a 20.2°, incoloro y soluble en agua.
El acetaldeh�do al ser tratado con cloro produce el aldeh�do dorado llamado
cloral, que es materia prima para la preparaci�n del insecticida DDT.
Preparaci�n del insecticida DDT
El tricloroacetaldeh�do o cloral, obtenido por tratamientos de acetaldeh�do con cloro, es la materia prima para la obtenci�n del insecticida DDT.
Cuando el cloral se hace reaccionar con clorobenceno en presencia de �cido sulf�rico, el producto es la sustancia clorada DDT, cuyas propiedades insecticidas son ampliamente conocidas.
Efectos contaminantes. Mucho se ha hablado de los efectos contaminantes
del DDT. Y en efecto, se sabe que uno de los principales productos de
descomposici�n del DDT en la naturaleza es el para-dicloro-fenil-eteno,
una de cuyas acciones nocivas es la inhibici�n de la enzima anhidraza carb�nica,
que es la que controla la participaci�n del calcio en la formaci�n del cascar�n
de los huevos de las aves. Debido a esta inhibici�n, los cascarones son d�biles
y se rompen con facilidad, disminuyendo por lo tanto la reproducci�n de muchas
aves.
Cuando el alcohol no es primario, es decir cuando el OH no se encuentra al final de la cadena como sucede en el etanol, sino que se encuentra sobre un �tomo central, la oxidaci�n da origen a sustancias llamadas cetonas. As�, por ejemplo, la oxidaci�n del isopropanol o alcohol isoprop�lico,
da origen a la dimetil-cetona, m�s conocida como acetona.
Esta sustancia es un disolvente muy apreciado en los laboratorios de qu�mica
y muy conocido entre las damas, quienes lo usan constantemente para eliminar
el colorante de sus u�as cuando se ha da�ado.
Oxidaciones m�s avanzadas
Cuando la oxidaci�n de un aldeh�do contin�a, se llega a un �cido carbox�lico.
De esta manera del metanol se pasa a formaldeh�do y de �ste a �cido f�rmico.
En el caso del etanol, los pasos ser�n, primero, la obtenci�n de acetaldeh�do, y despu�s, por medio de una oxidaci�n m�s avanzada, �cido ac�tico.
CH3CH2OH
CH3CHO CH3COOH
Y as� seguiremos con los otros alcoholes. El siguiente paso despu�s del �cido
es la formaci�n de bi�xido de carbono (CO2), representando
el grado m�ximo de oxidaci�n de cualquier sustancia org�nica. El CO2
liberado en esta oxidaci�n total se incorpora a la atm�sfera, de donde ser�
utilizado por organismos terrestres y acu�ticos para la formaci�n de nuevos
compuestos org�nicos.
REFERENCIAS
1. S. Mason, "Biomolecular handedness", en Chem. in Brit 21 (6) 538 (1985).
2a). J. D. Wilson y 1 K. Hamilton, "Wood cellulose as a chemical feedstock for the cellulose esters industry", en J. Chem. Ed. 63, 49 (1986).
2b). R. Gray y R. A. Parham, "Wood Chemistry", en Chem. Tech. 232 (1982).
3. C. Gay Garc�a, "Atm�sferas planetarias", en Naturaleza 12, 353 (1981)
4. J. Pfeifer "From Galaxies to Man", en Random House, Nueva York 1959.
5. N. Henbest "Halley's Comet, more dirt than snow" New Scientist, marzo de 1986, p. 37.
6. R. Dagani "Studies of Halley's comet yield a huge scientific bonanza": Chem. and Eng. News, agosto, 25, p. 7 (1986).
