U N I V E R S I D A D D E

SAN MARTIN DE PORRES

FACULTAD DE MEDICINA HUMANA

DEPARTAMENTO ACADEMICO DE CIENCIAS BASICAS

SEPARATAS DE LECTURA Y EJERCICIOS

ASIGNATURA: QUIMICA BIOLOGICA

PROFESORA RESPONSABLE : Dra. Helda Del Castillo Cotillo

PRIMER SEMESTRE - PRIMER AÑO

AÑO ACADEMICO

2006

Lima – Perú.

LECTURA Nº 1

LA TEORIA DEL BIG BANG

Cuando se hace una excursión matemática al pasado una cosa muy llamativa sucede. Mientras más lejos se va hacia atrás en el tiempo, más compacto era el universo y más rápida era su expansión. De hecho, la relatividad general indica que hace aproximadamente 10 ó 20 mil millones de años el universo estaba infinitamente contraído: la distancia entre dos puntos cualesquiera era cero, la densidad de la materia era infinita y el volumen del universo entero era cero. De acuerdo a este cuadro el universo pasó a estar en un estado muy singular, el momento de su origen, que es llamado el "big bang" ("gran explosión").

No sólo la materia se generó a causa del big bang, sino que también se formó la estructura espacio-tiempo. El espacio fue disminuyendo a cero su volumen en el momento del big bang, y antes del big bang no había un "antes".

En el primer segundo después del big bang (aproximadamente) la materia en el universo era muy caliente y densa. Las partículas elementales sumamente enérgicas, estables e inestables, estaban presentes en gran número. Sin embargo, después de ese segundo la expansión y el enfriamiento del universo actuaron tan rápidamente que la mayoría de las partículas inestables se deterioraron. Durante los siguientes 15 minutos tuvieron lugar las reacciones nucleares. La teoría indica que aproximadamente un cuarto de la masa original de protones y neutrones en el universo se convirtió en helio en ese momento. Esta porción de helio está en buen acuerdo con su abundancia observada en el universo presente. Después de 15 minutos la densidad y la temperatura de la materia habían decaído tanto que ninguna reacción nuclear extensa pudo ocurrir hasta mucho después en la evolución del universo cuando las estrellas fueron formadas.

Todo este tiempo, la materia estaba por todas partes absorbiendo y emitiendo radiación electromagnética, y el naciente universo estaba lleno con una "sopa" homogénea de materia y radiación. Así como el color, o la frecuencia, de la radiación termal emitida por un cuerpo caliente está asociado con su temperatura, también la frecuencia de esta radiación cósmica estaba asociada con la temperatura del universo naciente. Cuando el universo se expandió y enfrió, la frecuencia de esta radiación primordial bajó hasta la observada actualmente, que debe corresponder a una temperatura de sólo unos grados por encima del cero absoluto. Así, si la teoría del big bang predicha por relatividad general es correcta, el

universo debería estar lleno de un mar uniforme de radiación electromagnética de temperatura muy baja.

Precisamente algo semejante a "radiación cósmica de fondo" fue descubierta en 1965 por los radio-astrónomos estadounidenses Arno A. Penzias y Robert W. Wilson. Fue establecido posteriormente que esta radiación llega a la Tierra de todas las direcciones en igual proporción. La existencia de esta radiación es una confirmación de la teoría del big bang que la predice y documenta de la manera más simple. Además, el alto grado de isotopía de la radiación proporciona una firme evidencia de que el universo es homogéneo e isotrópico, como se supuso. En 1992, después de que el apoyo para la teoría del big bang había disminuido debido al creciente apoyo para las teorías rivales como la teoría del Estado Sostenido, más evidencia de la exactitud de la teoría del big bang fue encontrada. El satélite Explorador del Fondo Cósmico (COBE) descubrió diminutas diferencias de temperatura en la radiación de microonda proveniente de las espigadas nubes de gas rodeadas ligeramente por vendas menos densas de materia colocadas en una clase de efecto de onda. Se piensa que el arreglo ondeante es una consecuencia del big bang.

¿Cuál es el futuro del Universo?

Según las ecuaciones de Einstein, en consideración a un cierto valor crítico para la densidad de la materia del universo, se presentan tres posibilidades para el futuro del universo:

Si la densidad media de la materia en el universo es igual al valor crítico, entonces el universo se expandirá a una velocidad siempre lenta y eventualmente dejará de expandirse.

Si la densidad media está por debajo del valor crítico, el universo es abierto y se continuará expandiendo para siempre, y cuando todo esté infinitamente separado y frío, vendrá el "big chill" ("gran frío").

Si, por otro lado, la densidad media está por encima del valor crítico, el universo es cerrado, lo cual significa que con el tiempo dejará de expandirse, empezará a contraerse, y finalmente se acabará, aproximadamente dentro de 20 mil millones de años, en un "big crunch" ("gran implosión"), el inverso de su origen, el big bang.

Ahora, uno de los problemas más importantes en la cosmología moderna es la determinación de si el universo es abierto o cerrado. Usando la estimación más generosa de la masa de todas las galaxias, la densidad de masa del universo todavía es aproximadamente 20 veces más pequeña que la densidad crítica. Esto sugiere fuertemente que el universo sea

abierto, pero quedan posibilidades de que cantidades significantes de materia existan entre las galaxias.

Una segunda medida que podría determinar si el universo es abierto o cerrado es la de la disminución en la velocidad de la expansión. La velocidad de expansión se expresa en la ecuación:

v = Hr

en la cual v es la velocidad, r es la distancia entre dos puntos, y H, llamada la constante de Hubble, es un valor de proporcionalidad que relaciona velocidad y distancia. Aunque H disminuye con el tiempo ya sea el universo abierto o cerrado, disminuye más rápidamente para un universo cerrado. Para medir H es necesario medir el brillo intrínseco de galaxias distantes. Desgraciadamente, es bastante probable que el brillo intrínseco de una galaxia varíe significativamente durante su evolución, por lo cual lo que los astrónomos ven ahora puede estar desencaminado. Es por esto que tales métodos de medida fueron interrumpidos, y la desaceleración no puede determinarse por lo menos hasta que los astrónomos desarrollen un mejor entendiendo de la evolución de las galaxia.

Un tercer método que los astrónomos usan para determinar si el universo es abierto o cerrado es medir la edad del universo, que es el tiempo transcurrido desde el big bang. El tiempo transcurrido desde el big bang a los presentes días, asumiendo que la velocidad de expansión actual se ha sostenido a lo largo de este período, se llama tiempo de Hubble.

El tiempo de Hubble puede ser considerado una medida del tiempo requerido por una galaxia para obtener la distancia que la separa de nuestra galaxia actualmente. En otras palabras, es el tiempo máximo desde que las galaxias se separaron, o la edad máxima posible del universo. Para un universo abierto o cerrado cuya velocidad de expansión fue más alta en el pasado, el tiempo real de expansión debe ser más corto que el tiempo de Hubble (el tiempo de Hubble se expresa como 1/H). Las ecuaciones de Einstein demuestran que un universo cerrado debe expandirse más rápidamente que un universo abierto. Específicamente, si la edad real del universo es de menos de dos tercios del tiempo de Hubble, el universo debe ser cerrado; de lo contrario es abierto. Esos dos tercios del tiempo de Hubble son llamados la edad crítica del universo.

Estimando la edad de los grupos de estrellas más viejos conocidos y la edad de los elementos radiactivos duraderos, los científicos han llegado a una edad estimada para el universo de 15 mil millones de años. Puesto que hay un gran margen de error en esta estimación, este número es bastante incierto; la edad correcta muy posiblemente podría ser tan pequeña como 10 mil millones o tan grande como 20 mil millones de años.

Para comparar esto con la edad crítica se necesita saber el valor numérico de la constante de Hubble (H). El problema de medir H fue discutido

anteriormente. La mejor estimación actual de la edad crítica del universo es de aproximadamente 13 mil millones años. Aunque este valor es muy cercano al de la edad observada, las incertidumbres en ambas son demasiado grandes para concluir si el universo es abierto o cerrado.

De esta manera, la evidencia actual apunta a un universo abierto. Si embargo, se puede requerir otro medio siglo de datos observacionales antes de que una conclusión firme pueda plantearse para esta pregunta.

1927: Teoría del Big bang

Usando las ecuaciones de Albert Einstein sobre la relatividad general, el astrónomo holandés Willem de Sitter propuso el concepto de un universo en expansión en 1917. Más tarde, el trabajo del astrónomo americano Edwin Hubble apoyó esta teoría.

Usando la teoría de un universo expandido, el astrónomo belga Georges Lemaitre propuso en 1927 la teoría del big bang del origen del universo. Esta teoría declara que el universo empezó con un evento singular, muy semejante a una gran explosión, en algún momento entre hace 10 y 20 mil millones de años.

La teoría del big bang de Lemaitre, junto con el trabajo sobre ella del astrónomo George Gamow, ha dominado la cosmología moderna por décadas. Esta teoría atrajo algunos discernimientos a finales de 1980 y principios de 1990, particularmente de científicos quienes no podían estar de acuerdo con que la estructura de gran escala de la materia existente en el universo hubiera sido formada en tan sólo 10 ó 20 mil millones de años. Más tarde, nuevos descubrimientos dieron apoyo a esta teoría.

1965: Descubrimiento de la Radiación de Fondo Cósmico

En 1965 científicos americanos de los Laboratorios Bell descubrieron un tipo único de radiación electromagnética usando un radio-telescopio. Arno Penzias y Robert W. Wilson determinaron que esta radiación no era el resultado de ninguna fuente radial conocida u otro sonido dentro de sus instrumentos. Formaron la teoría de que esta radiación de fondo cósmico fue generada en el big bang, el evento que estableció la expansión del universo, de acuerdo a la teoría.

Según Penzias y Wilson, la radiación emanada del big bang se habría liberado y finalmente cambió en frecuencias radiales más bajas. Penzias y Wilson ganaron el Premio Nobel en física en 1978 por su descubrimiento.

Más tarde, el estudio de la radiación de fondo cósmico llevó a grandes descubrimientos a fines del siglo XX. El satélite Explorador del Fondo Cósmico (COBE) fue lanzado en 1989, y en 1992 detectó ligeras fluctuaciones de la temperatura en la radiación de fondo. Se pensó que estas fluctuaciones eran evidencia de ondas gravitatorias que podían haber promovido la agrupación de la materia en las grandes estructuras que observamos hoy en galaxias y agrupaciones de galaxias.

1992: Se encuentra apoyo para la Teoría del Big bang

El 23 de abril de 1992, los astrónomos del Laboratorio Lawrence Berkeley y la Universidad de California en Berkeley anunciaron un descubrimiento sorprendente que apoya la teoría del big bang del origen del universo. Analizando observaciones hechas por el satélite COBE, el Dr. George Smoot y sus colegas de Berkeley hallaron evidencia de fluctuaciones de la temperatura en la radiación de microondas del fondo cósmico, la energía restante del big bang. Interpretaron estas fluctuaciones como evidencia de ondas gravitatorias que promovieron la agrupación de la materia en el universo primordial.

El descubrimiento de Smoot y sus colegas abrió una ventana al universo cuando éste estaba sólo a aproximadamente 300.000 años del big bang. Sólo una ligera variación de la temperatura en el orden de unas cien milésimas de un grado bastaba para sugerir que las "arrugas en el espacio" descubiertas por el satélite COBE eran evidencia de suficientes fluctuaciones de gravedad para promover la agrupación de la materia en grandes estructuras tales como estrellas, galaxias y agrupaciones galácticas. El descubrimiento de Smoot fue descrito como el "eslabón perdido" entre el origen del universo y su actual estado.

LECTURA Nº 2

HISTORIA DE LOS QUARKS

Una de las seis partículas que, según se cree, son los constituyentes básicos de las partículas elementales llamadas hadrones, como el protón, el neutrón o el pión. El concepto de quark fue propuesto independientemente en 1963 por los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig (el término quark se tomó de la obra Finnegans Wake del escritor irlandés James Joyce).

Al principio se pensó que existían tres tipos de quark: up, down y strange. Se cree, por ejemplo, que el protón está formado por dos quarks up y dos quarks down. Más tarde, los teóricos postularon la existencia de un cuarto quark; en 1974 se confirmó experimentalmente la existencia de este quark, denominado charm. Posteriormente se planteó la hipótesis de un quinto y sexto quark —denominados respectivamente bottom y top— por razones teóricas de simetría. En 1977 se obtuvieron pruebas experimentales de la existencia del quark bottom, pero el quark top no fue hallado por los investigadores hasta abril de 1994, cuando los físicos del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab),en Estados Unidos, anunciaron que habían encontrado pruebas experimentales de su existencia.

Cada tipo de quark tiene su antipartícula correspondiente, y hay tres clases o colores diferentes dentro de cada quark o antiquark. Los quarks pueden ser rojos, azules o verdes, mientras que los antiquarks pueden ser antirrojos, antiazules o antiverdes. Los colores de los quarks y antiquarks no tienen nada que ver con los colores que distingue el ojo humano, sino que representan una propiedad cuántica. Cuando se combinan para formar hadrones, los quarks y antiquarks sólo pueden existir en determinadas agrupaciones de colores. El portador hipotético de la fuerza entre quarks se denomina gluón.

EXPERIMENTO DE LOS QUARKS En estas figuras haces e- y e+ , perpendiculares a la pantalla, se encuentran y se aniquilan. Los quarks y antiquarks resultantes se combinan para producir mesones y bariones, cuyos rastros son mostrados.

A la izquierda tres ramilletes, originados por un quark, su antiquark, y un gluón, proveen evidencia de la existencia de los gluones. A la derecha, dos ramilletes de partículas diametralmente opuestos fueron iniciados por un quark y su antiquark que se movían en direcciones opuestas.

Los quarks y la escala de los objetos

Si bien estamos seguros de que los quarks y los electrones son menores que 10(-18) metros, es posible que literalmente sean puntos. También es posible que los quarks y los electrones no sean realmente fundamentales, sino que estén compuestos por partículas más fundamentales.

• En resumen, sabemos que los átomos están hechos de protones, neutrones y electrones.

• Los protones y los neutrones están hechos de quarks y éstos, a su vez, puede o no que estén hechos de partículas aún MAS fundamentales...

Partículas materiales:

Casi toda la materia que vemos está hecha de protones, neutrones y electrones. Los protones y los neutrones están compuestos a su vez de partículas más fundamentales llamadas quarks. Los electrones son un ejemplo de otra clase de partículas materiales fundamentales, llamadas leptones.

Existen seis quarks diferentes pero los físicos los agrupan en tres pares:

• Up (arriba) (u) y Down (abajo)(d) • Charm (encanto) (c) y Strange (extraño) (s) • Top (cima) (t) y Bottom (fondo) (b)

Los quarks tienen la característica inusual de poseer carga eléctrica fraccionaria, que puede valer +2/3 o -1/3, en lugar de la carga -1 de un electrón o la carga +1 de un protón.

Haciendo partículas compuestas de quarks

Los quarks existen UNICAMENTE en grupos con otros quarks o antiquarks. Los quarks individuales tienen carga eléctrica fraccionaria. No obstante, estas cargas fraccionarias nunca han sido observadas en forma directa debido a que los quarks nunca se aislan; ellos siempre forman partículas compuestas llamadas bariones y mesones . La suma de las cargas eléctricas de los quarks que forman estas partículas es siempre un número entero. *Bariones: los barines están compuestos por tres quarks. *Mesones: los mesones contienen un quark y un antiquark.

Quarks

Quarks son las partículas fundamentales de la materia que son componentes de neutrones y de protones y de otros hadrons . Hay seis diversos tipos de quarks. Cada tipo del quark se llama un sabor .

Sabor Masa (GeV/c 2)

Carga Eléctrica (e)

u encima de 0,004 +2/3

d abajo 0,008 -1/3

c encanto 1,5 +2/3

s extraño 0,15 -1/3

t tapa 176 +2/3

b fondo 4,7 -1/3

LECTURA Nº 3

Un Mar en el Que no se Puede Ahogar Nadie

Este mar existe y se encuentra en un país que conoce la humanidad desde los tiempos más remotos. Se trata del célebre mar Muerto de Palestina. Sus aguas son extraordinariamente saladas hasta tal punto que en él no puede existir ningún ser vivo. El clima caluroso y seco de Palestina hace que se produzca una evaporación muy intensa en la superficie del mar. Pero se evapora agua pura mientras que la sal queda en el mar y va aumentando la salinidad de las aguas. Esta es la razón de que las aguas del Mar Muerto contengan no un 2 o 3 por ciento de sal (NaCl) en peso, como la mayoría de los mares y océanos, sino un 27 o más por ciento. Esta salinidad aumenta con la profundidad. Por lo tanto una cuarta parte del contenido del mar Muerto esta formada por la sal que hay disuelta en el agua. La cantidad de sal que hay en este mar se calcula en 40 millones de toneladas. La gran salinidad del mar muerto determina una de sus peculiaridades, que consiste en que sus aguas son mucho más pesadas que el agua de mar ordinaria. Hundirse en esta agua es imposible. El cuerpo humano es más liviano que ellas. El peso de nuestro cuerpo es sensiblemente menor que el de un volumen igual de agua muy salada y, por consiguiente de acuerdo con la ley de la flotación, el hombre no se puede hundir en el Mar Muerto, al contrario, flota en su superficie lo mismo que el huevo en agua salada (aunque en el agua dulce se hunde). Mark Twain estuvo en este Lago-Mar y después escribió humorísticamente las extrañas sensaciones que él y sus compañeros experimentaron bañándose en sus aguas : “Fue un baño muy divertido. No nos podíamos hundir. Se podía uno tumbar a lo largo sobre la espalda y cruzar los brazos sobre el pecho y la mayor parte del cuerpo seguía sobre el agua. En estas condiciones se podía levantar la cabeza por completo se puede estar tumbado cómodamente sobre la espalda, levantar las rodillas hasta el mentón y abrazarlas con las manos. Pero en este caso se da la vuelta, porque la cabeza resulta más pesada. Si se pone uno con la cabeza hundida y los pies para arriba desde la mitad del pecho hasta la punta de los pies sobresale del agua; claro que en esta posición no se puede estar mucho tiempo.

Si se intenta nadar de espaldas no se avanza casi nada, ya que las piernas no se hunden en el agua y solo los talones encuentran apoyo en ella. Si se nada boca abajo no se va hacia delante sino hacia atrás. En el Mar Muerto el equilibrio del caballo es muy inestable no puede ni nadar ni estar derecho inmediatamente se tumba de costado” ...Existe una variedad de agua que aún estando pura es decir sin contener otro cuerpos es sensiblemente más pesada que la ordinaria. Esta agua tiene un peso específico de 1,1 es decir es un 10 por ciento más pesada que la común, por consiguiente en una piscina con agua de este tipo lo más probable es que no se ahogue nadie, aunque los que se bañen no sepan nada. Esta agua se llama “agua pesada” y su fórmula química es D2O (el hidrógeno que entra en su composición esta formado por átomos dos veces más pesados que los del hidrógeno ordinario. Este hidrógeno se designa con la letra D). El agua pesada se encuentra en el agua común en cantidades muy pequeñas. Un cubo de agua potable contiene cerca de 8 g de agua “pesada”. El agua “pesada” de fórmula D2O (hay 17 tipos de agua pesada cuyas composiciones son distintas) se obtiene actualmente casi pura, puesto que la cantidad de agua ordinaria que hay en ella es de 0,05%. Esta agua se emplea mucho en la técnica atómica. Se obtiene en grandes cantidades del agua ordinaria por procedimientos industriales. Fuente: Yakov Perelman en Física Recreativa 1965.

LECTURA Nº 4

Procedencia de los nombres de algunos elementos químicos.

Nombres de elementos en honor a planetas y asteroides:

Mercurio, su nombre se debe al planeta del mismo nombre, pero su abreviatura es Hg. Dioscórides lo llamaba plata acuática (en griego hydrárgyros). hydra=agua, gyros= plata. Uranio (U): del planeta Urano. Neptunio (Np): del planeta Neptuno. Plutonio (Pu): del planeta Plutón. Cerio (Ce): por el asteroide Ceres, descubierto dos años antes. (¿Sabíais que el cerio metálico se encuentra principalmente en una aleación de hierro que se utiliza en las piedras de los encendedores?). Titanio(Ti): de los Titanes, los primeros hijos de la Tierra según la mitología griega.

Nombres de lugares y similares:

Magnesio (Mg): de Magnesia, comarca de Tesalia (Grecia). Scandio (Sc) Scandia, Escandinavia ( por cierto, Vanadio (V): Vanadis, diosa escandinava). Cobre (Cu): cuprum, de la isla de Chipre. Galio (Ga): de Gallia, Francia. Germanio(Ge): de Germania, Alemania. Selenio (Se):de Selene, la Luna. Estroncio (Sr): Strontian, ciudad de Escocia. Itrio (Y): de Ytterby, pueblo de Suecia. Rutenio (Ru): del latín Ruthenia, Rusia. Terbio (Tb): de Ytterby, pueblo de Suecia. Europio (Eu): de Europa. Holmio (Ho): del latín Holmia, Estocolmo. Tulio (Tm): de Thule, nombre antiguo de Escandinavia. (¿Pero porqué Tm?) Lutecio (Lu): de Lutetia, antiguo nombre de Pans. Hafnio (Hf): de Hafnia, nombre latín de Copenhague. Polonio (Po): de Polonia, en honor de Marie Curie (polaca) codescubridora del elemento junto con su marido Pierre. Francio (Fr): de Francia. Americio (Am): de América. Berkelio (Bk): de Berkeley, universidad de California. Californio (Cf): de California (estado estadounidense). Renio (Re): del latín Rhenus, Rin. Nombres que hacen referencia a propiedades:

Berilio (Be) de beriio, esmeralda de color verde. Hidrógneno (H): engendrador de agua. Nitrógeno (N). engendrador de nitratos (nitrum) Oxígeno (O): formador de ácidos (oxys) Cloro (Cl) del griego chloros (amarilio verdoso). Argón (Ar) argos, inactivo. (Ya sabes, los gases nobles son poco reactivos). Cromo (Cr): del griego chroma, color. Manganeso (Mg): de magnes, magnético. Bromo (Br): del griego bromos, hedor, peste. Zinc (Zn): del aleman zink, que significa origen oscuro. Arsenico (As): arsenikon, oropimente amarillo (auripigmentum). Zirconio (Zr): del árabe zargun, color dorado. Rubidio (Rb): de rubidius, rojo muy intenso (a la llama). Rodio (Rh): del griego rhodon, color rosado. Yodo (I): del griego iodes, violeta. Indio (In): debido al color indigo (anil) que se observa en su espectro. Cesio (Cs): de caesius, color azul celeste. Disprosio (Dy): del griego dysprositos, volverse duro. (Si alguien conoce la razón que me lo haga saber). Osmio (Os): del griego osme, olor (debido al fuerte olor del OsO4). Iridio (Ir): de arco iris.

El platino (Pt) en estado metálico es blanquecino y medianamente similar a la plata (aunque mucho menos maleable que esta), por lo que cuando en 1748 el español don Antonio de Ulloa lo encontró en una expedición por Sudamérica lo llamó "platina", lo que quiere decir más o menos "parecido a la plata". Se describe en un obra: "Relación Histórica del viaje a la América Meridional" (Madrid,1748) como sigue:

"En el partido de Chocó, habiendo muchas minas de lavadero, como las que se acaban de explicar, se encuentran también algunas, donde por estar disfrazado, y envuelto el oro con otros cuerpos metálicos, jugos y piedras, necesita para su beneficio del auxilio del azogue [mercurio]; y tal vez se hallan minerales, donde la platina (piedra de tanta resistencia, que no es fácil romperla, ni desmenuzarla con la fuerza del golpe sobre el yunque de acero) es causa de que se abandonen; por que ni la calcinación la vence, ni hay arbitrio para extraer el metal, que encierra, sino a expensas de mucho trabajo y costo."

Oro (Au): de aurum, aurora respiandeciente. Talio (Tl): del griego thallos, vástago o retoño verde. Bismuto (Bi): del alemán weisse masse, masa blanca. Astato (At): del griego astatos, inestable. Radón (Rn): radium emanation (radiactiva). (De noble nada de nada, es radioactivo). Radio (Ra): del latín radius, rayo. Actinio (Ac): del griego aktinos, destello o rayo.

Volframio (W): del inglés wolfrahm; o tungsteno, de tung sten, del sueco, piedra pesada. Bario (Ba): del griego barys, pesado. Praseodimio (Pr): de prasios, verde, y didymos, gemelo. Nombres que hacen referencia a la mitología:

Vanadio (V): Vanadis, diosa Escandinava. Niobio (Nb): Níobe, hija de Tántalo. Paladio (Pd): Pallas, diosa de la sabiduria. Prometio (Pm): de Prometeo, personaje mitológico. Tantalio (Ta): de Tántalo (mitología). (Mira lo que significa y dime si sabes porqué le pusieron este nombre). Torio (Th): de Thor, dios de la guerra escandinavo. ¡Mira que dar el nombre de un dio guerrero a un elemento! Vanadio (V): Vanadis, diosa escandinava. Nombres de científicos:

Curio (Cm): en honor de Pierre y Marie Curie. Einstenio (Es): en honor de Albert Einstein. Fermio (Fm): en honor de Enrico Fermi. Mendelevio (Md): En honor al químico ruso Dmitri Ivánovich Mendeléiev precursor de la actual tabla periódica. Nobelio (No): en honor de Alfred Nobel. Lawrencio (Lr): en honor de E.O. Lawrence. Unnilquadium (Unq): Unnilquadium significa 104 (su número atómico) en latín. Los soviéticos propusieron el nombre de Kurchatovium (Ku) en honor de Igor V. Kurchatov, mientras que los estadounidenses preferían el nombre de Rutherfordium (Rf) en honor de Ernest Rutherford. La IUPAC le asignó este nombre temporal en 1980. Unnilpentium (Unp): en latín unnilpentium equivale a 105 (su número atómico). La IUPAC estableció este nombre frente a las propuestas estadounidenses de llamarlo Hahnio (Ha) en honor de Otto Hahn y de los soviéticos de llamarlo Nielsbohrium en honor de Niels Bohr. (Desde hace un tiempo, la IUPAC utiliza este sistema de nomenclatura para los elementos a partir del 104, hasta que se decida cuales van a ser los nombres definitivos). Gadolinio (Gd): del mineral gadolinita, del químico finlandés Gadolin. Samario (Sm): del mineral samarskita, (en honor del ruso Samarski).

Otros:

Helio (He): de la atmostera del sol (helios, se descubrió por primera vez en el espectro de la corona solar durante un eclipse en 1868, aunque la mayoría de los científicos no lo aceptaron hasta que se aisló en la tierra). Litio (Li): de lithos, roca. Boro (B): del arabe buraq. Carbono (C): carbón.

Fluor (F): de fluere (que no se lo que significa).. Neón (Ne). nuevo (del griego neos). (No se complicaron nada la vida con el nombre). Sodio (Na): Del latín sodanum (sosa), Na del latín natrium (nitrato de sodio). Aluminio (Al): del latín alumen (que tampoco se lo que significa). Silicio (Si): de silex, sílice. Fósforo (P) de phosphoros, portador de luz (el fosforo emite luz en la obscuridad porque arde al combinarse lentamente con el oxígeno del aire). Azufre (S) del latín sulphurium. Potasio (K) kalium; el nombre, del inglés pot ashes (cenizas). (Las cenizas de algunas plantas son ricas en potasio). Calcio (Ca) de calx, caliza. (La caliza está formada por Ca2CO3). Hierro (Fe): de ferrum. Cobalto (Co): He leído dos explicaciones, una que dice que cobalto proviene de cobalos, mina. Otra versión asegura que cobalto es el nombre de un espíritu maligno de la mitología alemana. Lee aquí su historia. Niquel (Ni): proviene del término alemán kupfernickel, que quiere decir algo asi como cobre del demonio, (aparece en minas de cobre pero no lo es). Como kupfer significa cobre, níquel debe querer decir demonio. Kriptón (Kr): del griego kryptos, oculto, secreto. Molibdeno (Mo): de molybdos, plomo. (Al parecer, los primeros químicos lo confundieron con mena de plomo). Tecnecio (Tc): de technetos, artificial, porque fue uno de los primeros sintetizados. Plata (Ag): del latín argentum. Cadmio (Cd): del latín cadmia, nombre antiguo del carbonato de zinc. (Casi todo el cadmio industrial se obtiene como subproducto en el refinado de los minerales de zinc, quizás sea por eso). Si alguien conoce la historia exacta del nombre que me la haga llegar. Estaño (Sn): del latín stannum. Antimonio (Sb): de antimonium; Sb de stibium. Teluro (Te): de Tellus, tierra. Xenon (Xe): del griego xenon, extraño, raro. Lantano (La): del griego lanthanein, yacer oculto. Neodimio (Nd): de neos-dydmos, nuevo gemelo (del lantano). Plomo (Pb): del latín plumbum. Protoactinio (Pa): de protos (primero) y actinium.

Si te interesa la historia del descubrimiento de los elementos químicos te recomiendo el siguiente libro : La búsqueda de los elementos. Isaac Asimov. Página principal. Índice de elemtos. http://www.webelements.com/http://www.iupac.org/ Una tabla periódica muy graciosa (166 Kb.)

LECTURA Nº 5

La Materia y Sus Estados de Agregación Desde épocas muy antiguas el hombre ha sentido fascinación por conocer la estructura íntima de la materia, en la antigua Grecia aproximadamente hace 500 años antes de nuestra era, los filósofos Leucipo y Demócrito sostenían que la materia se encuentra constituida por pequeños corpúsculos materiales los cuales son indivisibles y que se denominaban átomos. Esto evidentemente en la actualidad resulta imposible de admitir puesto que, con los avances modernos de la física y la química se ha podido sobrepasar esta definición y sabemos que el átomo es capaz de ser dividido mediante mecanismos de fisión nuclear. Los átomos se creían macizos, impenetrables, homogéneos, Demócrito introduce así la idea atomista de la materia cuyo principal principio es la división hasta un tamaño determinado. El atomismo no fue aceptado debido a las ideas de tipo religioso que influencio en la época; y Aristóteles establece que la materia puede seguir dividiéndose infinitamente. Tuvieron que pasar casi 2000 años para que otros estudiosos retomen la idea del átomo como tal y lo expusieran mediante una teoría; John Dalton Fisicoquímico Ingles del siglo XIX, expone sus ideas mediante cuatro postulados: 1.-Los átomos son la mínima porción de la materia que no puede dividirse por ningún proceso conocido. 2.-Los átomos de un mismo elemento son idénticos, tanto en masa tamaño como en sus demás propiedades. 3.-Los átomos de elementos diferentes son también diferentes. 4.-los átomos se combinan entre sí, en relaciones enteras, y sencillas para formar los compuestos químicos Es notorio que la estructura atómica de Dalton actualmente ya no se ajusta a la realidad científica pero en 1803, describió adecuadamente las inquietudes científicas de la época. Sin embargo la naturaleza muestra estados complejos de presentación material, que han significado variadas interpretaciones, pero la más simple y aceptada es aquella que divide a la materia en estados de agregación perceptible por el hombre de una manera evidente: El estado Sólido, Líquido y Gaseoso, y que han determinado combinaciones entre ellos que sugieren la heterogeneidad de los sistemas sobre todo biológicos: Existe un cuarto estado conocido como Plasmático que es aquel que alcanza la materia cuando se encuentra a elevadas

temperaturas y las partículas prácticamente se encuentran ionizadas. La superficie solar es un claro ejemplo del estado Plasmático de la materia. Existen confusiones al respecto entre lo que pudiera significar plasma desde el punto de vista biológico y químico o mejor dicho físico. Al respecto es bueno aclarar que el plasma sanguíneo, es una mezcla de tipo heterogénea, compuesto de varias sustancias y que tienen propiedades refringentes; mientras que el plasma físico como se indico es un estado de la materia. De manera general se podría decir que, los principales estados materiales son tres y que, de acuerdo a la temperatura del sistema pueden cohesionarse entre si o tener energías de “rechazo mutuo”, repulsión, que determinan la presentación ante el ojo humano.

Es evidente que, tener un estado Plasmático, como parte activa e interactuante del ser humano resultaría totalmente difícil de manejar de manera común. Como se mencionó la temperatura determina los estados de agregación de la materia y así se demuestra en el denominado “Ciclo de Born-Haber”, Que, un ion gaseoso puede convertirse a un compuesto sólido, y una sustancia líquida puede transformarse a un compuesto gaseoso e incluso ionizarse. Los conceptos pueden profundizarse y establecer valores termoquímicos muy relacionados con los calores de formación. Con esta perspectiva de la materia que se podría responder ante preguntas como: ¿Cuál es el estado material del plasma sanguíneo?. ¿Cuál es el estado de la materia que predomina en una estrella?. ¿Los rayos LASER son también materia?. ¿Qué utilidad pueden tener en la vida práctica del hombre y qué significado para su afán de supervivencia?.

Solo verificando que los estados materiales sean compatibles con los sistemas vivos podemos deducir una serie de fundamentos vitales que determinen un cabal conocimiento de nuestra naturaleza, tanto en los sistemas Inorgánicos, Orgánicos y Biológicos.

Condensado de:” opiniones sobre la ciencia” de Isaac Asimov. Abril 1985

LECTURA Nº 6

Fronteras de la tabla periódica.

Uno de los descubrimientos más sorprendentes de la historia es el haber podido descifrar la composición de las estrellas y de la materia interestelar sin salir de la Tierra. Resulta tranquilizador saber que todo el cosmos está hecho con los mismos elementos que nosotros mismos y las cosas que nos rodean, aunque existe una pequeña diferencia: El hombre ha sido capaz de fabricar una veintena de elementos que la naturaleza no parece haber logrado y ha extendido la tabla periódica por medios artificiales. El átomo más pesado que haya existido en la Tierra, y probablemente en el Universo, tiene una masa atómica de 289 (114 protones y 175 neutrones en su núcleo), superando ampliamente la del elemento 112 (277), el más pesado hasta ahora, y en cerca de un 50 por 100 a la de un átomo de plomo. Fue creado en diciembre pasado en el Instituto de Investigación Nuclear de Dubna (Rusia), por un equipo de investigadores rusos y estadounidenses, liderado por Yuri Oganessian, tras cuatro meses de experimentos. Los 30 segundos de vida que tuvo el nuevo átomo parecen confirmar la existencia de una «isla de estabilidad» en las inmediaciones de los elementos 114 o ll5. Aunque 30 segundos puedan parecer un periodo demasiado corto de tiempo, hay que tener en cuenta que los elementos inmediatamente anteriores apenas sobreviven unas milésimas de segundo, siendo el 111 el más fugaz, ya que su vida media es de sólo 1,5 milisegundos. De hecho, todos los elementos transuránidos, que son los que ocupan los puestos 93 en adelante, son inestables y se desintegran en periodos de tiempo cada vez más cortos, y a partir del 107 ninguno supera el segundo. De ahí la esperanza que suscita entre los físicos nucleares el hallazgo, que aún debe ser confirmado. Los teóricos consideran que la isla de estabilidad predicha debe encontrarse en núcleos cuya masa atómica se acerque a 298. La razón de esta predicción es puramente geométrica y se debe a que los protones y neutrones concentrados en semejante número deben formar una esfera perfecta. Es lo que ocurre con otros isótopos, como el oxígeno-16 y el plomo-208. Protones y neutrones van formando capas sucesivas de partículas y parece ser que cuando completan una nueva capa tienden a ser estables. Los isótopos con 298 partículas, que podrían ser de diferentes elementos, como el l l4 y el l l5, cumplirían esta norma y podrían ser lo bastante estables como para tener vidas medias de varios millones de años de duración. Y además los núcleos de masa cercana podrían tener vidas medias de varios años.

La historia de la «creación» de elementos químicos en laboratorio se inició en 1937, cuando faltaban aún cuatro elementos por descubrir, el tecnecio,

que fue obtenido ese mismo año de forma artificial (de ahí su nombre), el francio, identificado en 1939, el astato, que fue aislado en 1940 y el prometio, que hubo de esperar hasta 1945. La tabla parecía definitivamente cerrada con el elemento 92, el uranio, como último componente. La naturaleza parecía haber encontrado aquí su límite. Pero este límite natural lo empezó a transgredir el hombre en los años treinta. Enrico Fermi y Emilio Segré por un lado, y Otto Hahn y Lise Meitner por otro, investigaban lo que ocurría cuando se lanzaban neutrones sobre núcleos de uranio. Hahn y Meitner descubrieron así la fisión del uranio 235 (92 protones y 143 neutrones), que llevaría al desarrollo de la bomba atómica, mientras Fermi y Segré se plantearon qué ocurriría si un núcleo absorbía un neutrón. En principio se produciría otro isótopo de uranio y si el número de neutrones del núcleo original era ya elevado, cabía la posibilidad de que se alterase su precaria estabilidad y que el nuevo neutrón (u otro) sufriese una desintegración beta, por la que se convertiría en un protón y emitiría un electrón y un neutrino. Al incrementarse el núcleo en un protón se conseguiría un átomo del elemento 93.

Siguiendo esta intuición, científicos de la universidad de Berkeley consiguieron, en 1940, sintetizar dicho elemento, que recibió el nombre de neptunio. Ese mismo año, Glenn Seaborg, también en Berkeley, bombardeó uranio 238 con núcleos de deuterio y produjo el elemento 94, llamado plutonio. Se iniciaba así una carrera por conseguir fabricar nuevos elementos en la que durante ese decenio sólo participarían algunos laboratorios estadounidenses, esencialmente Berkeley, pero a la que se incorporarían después los soviéticos del Laboratorio de Reacciones Nucleares de Dubna, cerca de Moscú, y, ya en los años setenta, los alemanes con el Laboratorio de Investigaciones de Iones Pesados de Darmstadt. Durante los años cuarenta se consiguió fabricar hasta el elemento 98 siguiendo diferentes métodos. Para conseguir el americio (elemento 95), Glenn Seaborg, el investigador que más éxitos obtuvo en los inicios de esta carrera, utilizó átomos de plutonio en los que provocó la desintegración beta. Después empleó núcleos de helio (o partículas alfa), con los que bombardeó plutonio hasta obtener curio (el 96) por fusión. Para superar el rechazo de las cargas positivas de los protones de ambos núcleos tuvo que acelerar las partículas alfa mediante un ciclotrón. El berkelio (97) y el californio (98) se consiguieron por el mismo método pero empleando como blanco americio y curio respectivamente. La síntesis de los elementos 99 (einsteinio) y 100 (fermio) se encontraron entre las cenizas del ensayo nuclear de la primera bomba de hidrógeno, en 1952 en las islas Bikini. La paternidad de algunos de los elementos siguientes ha sido motivo de disputa entre los científicos americanos y los rusos. Disputa que aún no ha terminado, 40 años después del descubrimiento de alguno de ellos, a pesar de los dictámenes que la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) ha realizado. Oficialmente, el 101 se atribuye a Berkeley con fecha del año 1958 y el 102 a los rusos de acerca a Dubna en 1965. El 103, en

juicio salomónico lo atribuye a ambos por investigaciones realizadas entre 1961 y 1971. El 105 también se lo disputan ambos grupos, que fechan su síntesis en 1969, mientras que el 106 está plenamente atribuido a Berkeley, que anunció su consecución en 1974. A partir de 1981 los alemanes de Darmstadt entraron en escena. Desde su laboratorio se ha anunciado el nacimiento de seis nuevos elementos (del 107 al 112) en dos oleadas. La primacía, sin embargo no ha sido cuestionada por los americanos aunque sí, en algún caso, por los rusos. Entre 1981 y 1984, los alemanes consiguieron los elementos 107, 108 y 109 al provocar la fusión de dos núcleos, como en los casos anteriores, pero en lugar de emplear como blanco elementos superpesados y como «balas» núcleos ligeros, usaron dianas algo más leves, bismuto y plomo, y dardos algo más pesados, como cromo y hierro. Para el siguiente paso hubo que esperar diez años. En el Laboratorio de Investigación de 1ones Pesados de Darmstadt, el 9 de noviembre de 1994 se consiguió sintetizar el elemento ll0, acelerando núcleos de níquel hasta alcanzar una lámina de plomo. De la dificultad del proceso da cuenta el que sólo uno de cada trillón de núcleos de níquel consiguieron fusionarse con uno de plomo y un milisegundo después ya se habían desintegrado. Apenas un mes más tarde, el mismo equipo detectó el hallazgo de tres átomos del elemento 111, esta vez empleando un blanco de bismuto y dardos de níquel. Finalmente, el 9 de febrero de 1996 se consiguió un átomo, uno solo, del elemento l l2 en el mismo centro de investigación, al unir un núcleo de zinc con otro de plomo. Pero en este campo, como en el espacial, parece llegada la hora de la colaboración. De hecho, en el centro de investigación ruso donde se ha conseguido el elemento l l4 han participado 18 científicos del propio centro y cinco estadounidenses del Lawrence Livermore Laboratory, que también ha proporcionado los isótopos de calcio y plutonio empleados. Además, la confirmación del hallazgo se intentará realizar en el ciclotrón de 88 pulgadas de Ber-keley, según ha confirmado Albert Ghiorso, uno de los científicos más reputados en este campo v que ha participado en la elaboración de 12 elementos nuevos. Según revelaba hace unos meses la revista Science, los tres laboratorios preparaban experimentos para conseguir el nuevo elemento y acercarse al número mágico de masa atómica 298, incluso saltándose el elemento l l3, que aún no ha sido fabricado. El isótopo conseguido se aproxima a ese número mágico pero a cierta distancia aún, de modo que el reto de alcanzar la masa atómica exacta que la teoría predice como altamente estable continúa siendo un objetivo válido que ahora será atacado con mayor interés.

La ciencia-ficción ha explotado ya la idea de los materiales hechos con este tipo de elementos, y en Star-Trek, por ejemplo, aparece una nave enemiga revestida con un material hecho de un elemento superpesado y

desconocido, que posee cualidades sorprendentes. Pero a pesar del entusiasmo de los físicos, la posibilidad de hacer realidad esta idea es enormemente remota, ya que los medios necesarios para fabricar artificialmente estos elementos en cantidades significativas están por ahora fuera de nuestro alcance. Del elemento 114 sólo se ha conseguido un átomo, pero del 105, uno de los mejor conocidos en esta zona de la tabla periódica, se han fabricado ya decenas de millones de ellos y sin embargo todos juntos apenas pesarían una milmillonésima de miligramo.

Tomado de la revista mensual que publica el "Ilustre Colegio Oficial de Doctores y Licenciados en Filosofía y Letras y en Ciencias." Firmado por Ignacio F. Bayo (periodista científico). Título original: "El nuevo elemento químico 114 se acerca a la isla de estabilidad."

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LECTURA Nº 7

El GRAN CICLO

Es sorprendente lo que damos por sabido. Por ejemplo respiramos. Respiramos sin cesa, unas dieciséis veces por minuto. Si dejáramos de respirar cinco minutos, aproximadamente moriríamos. Sin embargo raras veces nos preguntamos cómo es posible que siempre haya aire que respirar. Respiramos no solo para obtener aire; necesitamos un gas llamado oxígeno que se encuentra en el aire. El aire con que llenamos nuestros pulmones contiene aproximadamente un 21% de Oxígeno. Parte de este oxígeno es absorbido por nuestro cuerpo y utilizado por él. El aire que exhalamos solo contiene un 16% de oxígeno. Una y otra vez, penetra aquel 21% de oxígeno y solo vuelve a salir el 16. Y esto no solo se produce en ustedes y en mí, sino en todos los seres humanos de la tierra, así como en todos los animales terrestres. Los animales terrestres no respiran como nosotros pero extraen y consumen el oxígeno disuelto en el agua. Las plantas consumen también oxígenos en algunos de sus procesos vitales. Las bacterias productoras de descomposición y podredumbre también gastan oxígeno (algunos tipos de bacterias no consumen oxígeno, pero representan una pequeñísima proporción entre las formas de vida existentes), lo mismo ocurre en diversos procesos químicos naturales que se desarrollan en la tierra y que no afectan las formas de vida. Así pues se consume constantemente oxígeno, y todos nosotros ( y las otras formas de vida consumidoras de oxígeno ) lo cambiamos por otro gas, denominado Bióxido de carbono. Este no es equivalente a aquel, en el sentido de que no podemos respirarlo en lugar del oxígeno. La concentración de Bióxido de carbono en el aire es tan baja en la actualidad que no nos perjudica en absoluto, pero si aumentara, aunque fuese de un modo moderado, nos asfixiaría. Como resultado de toda la respiración y de otros procesos consumidores de oxígeno que se producen en la tierra, podríamos decir que se consumen unas 10 000 toneladas de oxígeno por segundo. A este paso la última porción de oxígeno utilizable en la atmósfera y en los mares de la tierra habría desaparecido dentro de 3 000 años. Y ni siquiera tendríamos que esperar estos 3 000 años para vernos en grave peligro: Dentro de unos pocos siglos, la cantidad de Bióxido de carbono que se habría acumulado en la atmósfera asfixiaría toda forma de vida animal, sin embargo la humanidad y todas las formas de vida han estado consumiendo oxígeno y produciendo bióxido de carbono no desde hace

tan solo unos cuantos siglos o unos cuantos miles de años, sino desde hace unos cuantos cientos de millones de años. Y a pesar de que durante todo este tiempo ha desaparecido constantemente oxígeno, el aire sigue siendo una cornucopia...Un cuerpo de la abundancia siempre lleno. Hay tanto oxígeno en el aire como lo hubo siempre y existe la misma pequeña cantidad de bióxido de carbono. ¿Por qué? La única conjetura lógica es que existe cierto ciclo. Las cosas se mueven en círculo y todo regresa por así decirlo, con la misma rapidez con que se va. Podemos observar el mismo ciclo en lo que respecta al agua. Bebemos siempre agua y la empleamos también para lavar y con fines industriales. Se consumen millones de litros cada minuto en todo el mundo y por cada millón que consume el hombre otros muchos se pierden en la superficie de la tierra sin ser utilizados por aquél y sin embargo el agua dulce no se agota nunca. Pero esta paradoja tiene una respuesta muy sencilla toda el agua dulce tanto si se consume como si no, se evapora, ya sea directamente en su propio lugar, ya sea después de verterse en el océano. El calor del sol eleva grandes cantidades de vapor tomando del mar o de la tierra y este vapor es solamente de agua sin los elementos sólidos que estuvieron disueltos en ella. El vapor vuelve a la tierra en forma de lluvia, y el depósito de agua dulce se llena con la misma rapidez con que se ha consumido. De la misma manera hay que presumir de algún proceso en el planeta que forma oxígeno con la misma rapidez con que nosotros la consumimos. Solo de este modo podemos esperar que los niveles de oxígeno y de bióxido de carbono de la atmósfera permanezcan invariables durante millones y millones de años. Pero el proceso que restablece el oxígeno y elimina el bióxido de carbono, manteniendo la atmósfera respirable, es muchísimo menos evidente que el que recupera el agua dulce y conserva la tierra agradablemente húmeda, y los lagos y los ríos llenos y resplandecientes. Para descubrir este proceso, consideraremos otro problema bastante parecido, que puede relacionarse con los niveles de oxígeno y de bióxido de Carbono. Es el siguiente. ¿Porqué no se agota nuestra comida? Cuando respiramos oxígeno este se combina con algunas sustancias de nuestros tejidos para producir la energía que necesitamos para vivir. En esta operación, no solo producimos bióxido de Carbono, que expulsamos al respirar, sino también otros varios productos de desecho que eliminamos principalmente por medio de la orina. Si no hiciesemos más que respirar es tal la cantidad de sustancias de nuestros tejidos que se combinan con el oxígeno para producir energía, que nos quedaríamos sin

las necesarias para seguir viviendo. Perderíamos peso, nos debilitaríamos y, en definitiva, moriríamos. Para evitar eso debemos restablecer nuestros tejidos con la misma rapidez con que los gastamos, y , para este fin, hemos de comer. Debemos incorporar a nuestro cuerpo los componentes de los tejidos, por ejemplo, de otros animales, y convertirlos en tejidos propios. Pero los animales que comemos han gastado también sus tejidos para sus propios fines y tienen que reparar su desgaste comiendo. Si todos los animales tuvieran que reparar sus tejidos comiendo otros animales toda la vida animal se extinguiría rápidamente .... Si los animales tienen que seguir viviendo, deben encontrar algún alimento que no necesite comer a su vez, sino que pueda extraer “de la nada” las sustancias de sus propios tejidos. Esto parecería imposible (si no conociésemos de antemano la respuesta), pero no lo es. La respuesta es la vida vegetal. Todos los animales comen plantas, u otros animales que han comido plantas, u otros animales que han comido animales que han comido plantas, etc. Y en definitiva todo vuelve a las plantas. Las plantas están constituidas por tejidos que contienen las mismas sustancias complejas de los tejidos animales. Por consiguiente los animales pueden vivir alimentándose exclusivamente de plantas... en realidad la mayor parte de los animales son herbívoros, es decir comedores de plantas. Una minoría son carnívoros y se alimentan de la mayoría herbívora. Unos tipos de criaturas, como los hombres, los cerdos y las ratas son “omnívoros” (comen de todo) y pueden consumir vegetales y animales, en realidad casi de todo, con igual facilidad. Las criaturas omnívoras suelen ser las más prósperas en el esquema vital. En cuanto a las plantas emplean la sustancia de sus propios tejidos para producir energía. Sin embargo, a pesar de su propio consumo y de las depredaciones inflingidas por la vida animal, los vegetales del mundo nunca se consumen por entero Sus tejidos se reparan con la misma rapidez con que se desgastan, y no tienen que hacer presa en las sustancias de otros organismos para sustituirlos. Gracias a esta capacidad de los vegetales, los arsenales de alimentos del mundo, como el depósito de oxígeno, permanecen perpetuamente llenos. De alguna manera las plantas suministran el alimento. Pero este debe proceder de alguna otra parte. ¿Cuál será? ¿Tendrá algo que ver la luz, el agua y el bióxido de carbono que se expulsa en el proceso respiratorio? Fuente : Isaac Asimov 1985

LECTURA Nº8

CINÉTICA QUÍMICA

I. Introducción

La Cinética Química es la rama de la química que estudia cuantitativamente la rapidez de reacción. También estudia el cambio de la composición de los estados energéticos con respecto al tiempo. Una reacción puede ser espontánea de acuerdo a las leyes termodinámicas, pero para saber si ocurre o no ocurre, ésta debe ocurrir en lapso de tiempo razonable. En este caso es imprescindible notar la diferencia entre espontaneidad y rapidez. Por ejemplo:

2 H2(g) + O2(g) º 2 H2O( )l ∆G < 0 (espontánea)

pero no hay evidencia de que esa reacción ocurra debido a que es inmensamente LENTA a 25°C y una atmósfera de presión. Otro ejemplo de esta situación, es el caso de la mayoría de los compuestos orgánicos que componen nuestras células del cuerpo. La mayoría de éstos no son estables desde un punto de vista termodinámico el cual predice que deberían reaccionar espontáneamente con oxígeno par producir bióxido de carbono y agua. Por otra parte para nuestra suerte, nuestro lapso de vida tiene una rapidez adecuada que no le da tiempo a que todos esos procesos ocurran en ese intervalo sin ayuda de un catalítico. Por lo tanto estas reacciones están controladas por la rapidez en que ocurren y no por si son espontáneas o no. NO HAY RELACIÓN ENTRE ESPONTANEIDAD Y RAPIDEZ. Para predecir cuán rápido ocurren las reacciones necesitamos los principios de la Cinética Química.

II. Definiciones

A. Cinética Química - tiene que ver con la rapidez de la reacción química y el estudio de los factores que determinan o controlan la rapidez de un cambio químico tales como: la naturaleza de los reactivos o productos, concentración de las especies que reaccionan, el efecto de la temperatura, la naturaleza del medio de reacción y la presencia de agentes catalíticos.

Para entender los diferentes pasos o procesos elementales (i.e. cómo ocurren las reacciones a nivel atómico- molecular) a través de los cuales los reactivos se convierten en productos debemos estudiar los mecanismos de reacción.

B. Mecanismo de reacción - es la serie de pasos elementales a través de los cuales los reactivos se convierten en productos. Una vez se conoce el mecanismo de una reacción podemos controlar las condiciones óptimas para la reacción y obtener una mayor cantidad de productos en menor tiempo. El mecanismo de una reacción representa lo que nosotros creemos (hipótesis) que ocurre a nivel atómico molecular, la serie de transformaciones al nivel atómico - molecular y se postula en base a los resultados de experimentos donde se ha determinado como afectan los diferentes factores la rapidez de la reacción. La estequiometría de la reacción es siempre mucho más sencilla que el mecanismo y no nos dice nada sobre éste. Ejemplo:

2 H2(g) + O2(g) º 2 H2O( )l

Para esta reacción se postula el mecanismos siguiente:

Cada reacción ocurre en un solo paso al nivel molecular y donde aparecen envueltas especies intermedias reactivas como H, O, OH y HO2 que no aparecen en la ecuación química balanceada.

C. Molecularidad - número de moléculas, (radicales, átomos y/ó iones) envueltos en cada acto molecular individual que resulte en la transformación de reactivos a productos. Debe ser un número entero positivo. Es un concepto teórico: uni, bi, ter ó trimolecular.

D. Ley de rapidez de reacción - expresión matemática que relaciona el cambio en concentración de un reactivo o producto por unidad de tiempo y que se determina experimentalmente. Siempre tiene un valor positivo y es proporcional a la concentración.

E. constante específica de rapidez, k -es la constante de proporcionalidad entre la rapidez de reacción experimental y las concentraciones elevadas a exponentes dados y es función de temperatura, agente catalítico e independiente de concentración.

F. orden de reacción - exponente de cada concentración en la expresión de la ley de rapidez, α, β, γ ... (no existe relación sencilla entre los coeficientes estequiométricos y los órdenes de reacción).

G. orden total de reacción - suma de los órdenes individuales: α + β + γ ...., puede ser positivo, negativo, fracción ó cero.

III. Determinación de la ley de rapidez

Podemos determinar la ley de rapidez de reacción por un experimento donde se mida el cambio en concentración de una especie como función de tiempo. Si la especie es un reactivo (R), la concentración del mismo disminuye con el tiempo y si la especie es un producto (P), la concentración aumenta con el tiempo.

Podemos también determinar la rapidez de la reacción en un tiempo dado de la pendiente de la tangente de la curva de concentración contra tiempo. Ejemplo: Para la reacción C2H5I º C2H4 + HI

El cambio en concentración del reactivo es negativo porque desaparece y por esto la rapidez de desaparición se expresa:

Si se expresa en términos de los productos el cambio en concentración es positivo y la rapidez se expresaría como:

y debido a la estequimetría de la reacción las rapideces son equivalentes y las dos ecuaciones anteriores se pueden igualar.

Si la reacción tiene especies con estequiometrías no equivalentes como por ejemplo: 2N2O5 º 4NO2 + O2

entonces,

ya que por cada mol de N2O5 que desaparece, se forman dos de NO2 y ½ de O2.

A. Determinación del orden de reacción

1. Método de rapidez inicial (Método diferencial de Van't Hoff) - se hacen una serie de experimentos donde la concentración inicial del reactivo se varía y se observa como varía la rapidez de la reacción.

Ejemplo:

νA A º ν B B

Queremos determinar el orden de la reacción con respecto al reactivo A. Para eso variamos la concentración de la especie y observamos la relación con la rapidez.

Experimento [A]0, Molaridad

1 M (r0)1

2 2M (r0)2

entonces la razón

tendrá un valor dependiente del valor de n.

2. Método de aislación - para dos o más reactivos, uno de los reactivos se varía sistemáticamente manteniendo la concentración de los otros reactivos constante y observando como varía la rapidez de reacción.

Ejemplo:

Para la reacción 2NO(g) + Br2(g) º 2NOBr(g)

Experimento [NO]0, M [Br2]0, M

1 0.1 0.1 12 2 0.1 0.2 24 3 0.1 0.3 36 4 0.2 0.1 48 5 0.3 0.1 108

Para evaluar a

Entonces la ley de rapidez es:

Aunque por casualidad los coeficientes estequiométricos en esta reacción son iguales a los órdenes, NO HAY UNA RELACIÓN DIRECTA ENTRE LOS COEFICIENTES ESTEQUIOMÉTRICOS DE LA ECUACIÓN QUÍMICA BALANCEADA Y LOS ÓRDENES CON RESPECTO A CADA REACTIVO. El único caso cuando existe una relación directa entre el orden y el coeficiente estequiométrico es cuando la reacción ocurre en un solo paso (i.e. reactivos se convierten en productos en un solo paso)

La constante se evalúa usando uno de los experimentos, usando todos y evaluando un promedio o llevando a gráfica el log r0 contra el log de la concentración inicial cuando hay suficientes datos para hacerlo.

3. Método gráfico de rapidez integrada -usando el calculo integral las leyes de rapidez tienen una ecuación específica dependiendo del orden de la reacción para reacciones del tipo:

a. Orden cero, n = 0 (Separando variables e integrando)

b. Orden uno, n = 1 (usando el mismo método de separación de variables e integración)

c. Orden dos, n = 2

Un ejemplo de las gráficas de las tres ecuaciones lineares se presenta en la figura a continuación.

Orden cero

Orden uno

Orden dos

4. Tiempo de vida media (�1/2) -se define como el tiempo que le toma a una especie en una reacción alcanzar la mitad de su concentración: [A]t = [A]0/2. Es un método útil para determinar el orden de reacción para reacciones del tipo:

A º P donde

El tiempo de vida media está dado por las ecuaciones a continuación:

Para reacciones de primer orden, el tiempo de vida media no depende de la concentración inicial, por lo tanto siempre es una constante que caracteriza el sistema. Por el contrario para reacciones de segundo orden o mas, siempre depende de la concentración inicial.

B. Unidades de la constante específica de rapidez

Estas dependen del orden de la ley de rapidez. Si la reacción es de primer orden la constante tiene unidades de tiempo inverso. Ejemplo:

Para que la igualdad se cumpla la constante debe tener unidades de tiempo inverso. De la misma forma si la ley de rapidez es de segundo orden entonces,

para que la igualdad se cumpla las unidades de k deben ser L/(mole-tiempo).

IV. Teoría de Colisiones

De acuerdo a la Teoría de Colisiones las reacciones ocurren cuando hay choques efectivos entre moléculas donde la rapidez de la reacción es proporcional al número de choques por unidad de tiempo multiplicada por la fracción del número total de choque que son efectivos.

Los choques efectivos dependen de la naturaleza de los reactivos y su concentración, la orientación cuando ocurre el choque y la temperatura que afecta la energía cinética de las moléculas. Ejemplo: 2 moléculas en la reacción: A + B º P que ocurre en un solo paso, podemos establecer la ley de rapidez de segundo orden y con molecula ridad de dos como: r = k [A] [B] Si la reacción ocurre en un solo paso a través de choques moleculares, podemos predecir a base de la teoría de colisión la ley de rapidez de reacción. Ejemplo: Efecto de orientación.

V. Energía de Activación Al analizar los cambios en energía potencial y en energía cinética que experimentan un par de moléculas al chocar en la fase gaseosa encontramos los siguientes factores.

1. Según las moléculas se aproximan una a la otra empiezan a sentir la repulsión entre las nubes electrónicas y entonces la rapidez de movimiento disminuye, reduciendo la energía cinética y aumentando la energía potencial debido a la repulsión. Si las moléculas inicialmente no se están moviendo rápidamente cuando entran en esta colisión, las moléculas se detendrán y se invertirá la dirección de movimiento antes de que ocurra una compenetración considerable de las nubes electrónicas. Así que las moléculas con energía cinética baja al acercarse rebotan sin llegar a reaccionar.

2. Por otra parte, si las moléculas que se mueven rápidamente pueden vencer las fuerzas de repulsión y penetrar las nubes electrónicas y formar nuevos enlaces y así formar productos. Al compenetrarse las nubes electrónicas aumenta considerablemente la energía potencial del sistema. Así que un choque será efectivo si las moléculas que chocan tienen una rapidez relativa alta.

3. Al formarse los productos y éstos separarse, la energía potencial disminuye, aumentando la rapidez de separación de los mismos.

Resumen: Solamente las moléculas que se mueven rápidamente (alta energía cinética) pueden reaccionar. De hecho, para reaccionar las moléculas que están envueltas en el choque deben tener cierto valor mínimo de energía cinética que pueda transformarse en energía potencial. La energía mínima que deben terne las moléculas para que el choque sea efectivo se conoce como la Energía De Activación de reacción. Ejemplo: Para la reacción:

se observa que para que la reacción ocurra se debe vencer una barrera de energía potencial que pasa por un estado de transición hasta que se forman los productos. Para una reacción simple, la coordenada de reacción es una medida de la distancia interatómica y otro parámetro que cambie gradualmente durante el progreso de la reacción desde reactivos a productos.

La Energía de Activación de descomposición de CH3CH2Br para formar CH3CH2OH corresponde a la diferencia entre la energía potencial de los reactivos y el máximo de la curva de energía potencial (como se observa en la figura anterior).

Las moléculas con energía cinética baja no poseen suficiente energía como para sobrepasar esta barrera de energía potencial, mientras que las que están moviéndose rápidamente pueden hacerlo. Para la reacción inversa:

De acuerdo a la figura esta barrera es mayor que la de los reactivos hasta el máximo. La diferencia entre la energía de los productos y la de los reactivos se conoce como la energía de reacción que casi siempre se mide como calor de reacción o H. El calor de reacción se calcula de:

Una reacción será endotérmica si el cambio en entalpía es positivo y será exotérmica (como el caso de la figura anterior) si el cambio en entalpía es negativo.

VI. Efecto de la temperatura sobre la rapidez de reacción

A. Distribución de energía en función de temperatura - La rapidez siempre es proporcional a la temperatura ya que la energía cinética es también proporcional a la temperatura y esto hace que aumente el número de choques entre partículas. Un aumento de 10 grados en temperatura puede aumentar la rapidez de las moléculas por un 20 a un 30% y esto se traduce a un aumento en la rapidez de reacción de un 200 a 300%. Además un aumento en temperatura aumenta la fracción de choques moleculares que son efectivos y este factor sobre pasa el aumento en el número total de choques por unidad de tiempo. Este comportamiento lo podemos explicar en términos de la teoría cinético y la distribución de la energía cinética . (ver figura siguiente).

A mayor temperatura, la curva de distribución está desplazada en la dirección de energías cinéticas mayores. Esto resulta en que el número de moléculas que tienen capacidad para reaccionar aumenta con un incremento en la temperatura y por lo tanto la rapidez de reacción aumenta.

B. La ecuación de Arrhenius -De acuerdo a la Teoría de Colisiones la rapidez de reacción es proporcional a la fracción de moléculas con energía igual o mayor que Ea y esta depende del valor de Ea y de la temperatura. Arrhenius sugiere que estos factores están relacionados a través de la ecuación:

donde:

A es el factor de frecuencia de choques asociado a número de choques/segundo y al orientación de las moléculas.

e-Ea/RT fracción de moléculas con energías iguales o mayores a Ea.

Ea : energía de activación

R constante de los gases ideales

Esta ecuación se utiliza para determinar la energía de activación usando la variación de la constante específica de rapidez (k) como función de temperatura. Usando solo dos temperaturas:

VII. Agentes Catalíticos

Los agentes catalíticos aumentan la rapidez y al final se recobran en su estado original o inalterado. Algunos ejemplos de agentes catalíticos son:

Platino (Pt), Oxido de manganeso (MnO2), yoduro de potasio (KI), oro (Au) y las enzimas. Tiene la habilidad de acelerar la reacción, pero no tienen la capacidad de hacer que una reacción no espontánea, ocurra. En una reacción catalizada el agente catalítico se usa en uno de los pasos y más tarde se regenera en un paso subsiguiente. Los mecanismos catalizados son diferentes al no-catalizado y la energía de activación es menor, y por lo tanto la rapidez aumenta. El agente catalítico no es un reactivo ni un producto, no altera la constante de equilibrio y reduce el tiempo en que se logra el estado de equilibrio. También tiene el mismo efecto en la reacción directa como en la reacción reversa. Hay agentes catalítico homogéneos y heterogéneos. VIII. Teoría del Estado de Transición (Complejo Activado) Las moléculas de los reactivos antes de ser convertidas en productos deben pasar por una especie intermedia inestable de alta energía potencial. El COMPLEJO ACTIVADO existe en el tope de la barrera de energía potencial como resultado de una colisión efectiva. No corresponde ni a los reactivos ni a los productos y puede ir tanto en una dirección como en la otra. Ejemplo:

Resumen: La teoría del estado de transición visualiza la rapidez de reacción en términos de la energía y geometría del complejo activado, el cual una vez formado puede dar lugar a producto o reactivos.

LECTURA Nº 9

El equilibrio ácido básico

En la práctica clínica se producen con cierta frecuencia alteraciones del equilibrio ácido-básico como consecuencia de un gran número de patologías. En la actualidad, el laboratorio dispone de analizadores de gases sanguíneos totalmente automatizados y disponibles de forma permanente para detectar y monitorizar estos trastornos.

EL ION HIDRÓGENO

El cuerpo humano produce ácido de forma continua. Cada día, un individuo adulto normal produce aproximadamente 20.000 nmol de ácido volátil (ácido carbónico) y unos 80 nmol de ácido no volátil. La mayor parte de ácido volátil se produce en forma de CO2 durante la respiración celular y reacciona con agua para formar ácido carbónico y bicarbonato. El ácido no volátil se origina principalmente a partir de la transformación metabólica de las proteinas contenidas en los alimentos, sobre todo a partir de los aminoácidos metionina y cisteína. Otros ácidos provienen del metabolismo de los hidratos de carbono y las grasas, de las nucleoproteínas (ácido úrico) y de los compuestos fosforados inorgánicos (tabla 1).

Tabla 1. Fuentes de los principales ácidos no volátiles: Metionina y cisteína: ácido sulfúrico I. Combustión incompleto de grasos: Ácidos orgánicos 2. Combustión incompleta de hidratos de carbono: Ácidos orgánicos 3. Metabolismo de las nucleoproteínas: Ácido úrico 4. Metabolismo de fosfato y fósforo orgánico: H+ y P inorgánico 5. Ácidos potenciales en los alimentos: citrato

A medida que so producen los iones hidrógeno (H+) son neutralizados por sistemas de tampón circulantes, que los preparan para su excreción final

del organismo. la capacidad tamponadora total de los diferentes sistemas que son capaces de realizar esta función es aproximadamente de 15 nmol/kg. de peso corporal. La producción normal de ácido no volátil agotaría esa capacidad tamponadora en pocos rifas, pero ello no es así porque los riñones excretan iones H+, restableciendo los depósitos de bicarbonato. De esta forma, el ion H+, como otros iones, está sometido a un estricto control que logra mantener su concentración en los líquidos extracelulares dentro de unos limites que oscilan entre 35 y 46 nmol/L. Esta concentración es muy baja en comparación con otros iones. Por ejemplo, en el plasma representa aproximadamente una concentración 300.000 veces menor que la del ion sodio (tabla 2). La importancia de mantener este valor dentro de unos límites tan estrechos es evidente si consideramos la influencia que tienen los iones H+. sobre muchos de los procesos metabólicos (por ejemplo, sobre la actividad de las enzimas).

Tabla 2: Concentración de algunos electrólitos en el plasma Na+: 145.000.000 nmol/L Cl-: 95.000.000 nmol/L HCO-3: 24.000.000 nmol/L K+: 4.500.000 nmol/L Ca2+: 2.500.000 nmol/L Mg2+: 1.000.000 nmol/L H+: 40 nmol/L

En el organismo se produce continuamente H+ pero no OH - ; ésta es una de las razones más importantes del hecho de que la acidosis sea mucho más frecuente que la alcalosis.

ACIDOS Y BASES

Se puedo definir como ácido toda sustancia capaz de transferir iones H+. - protones - a una base, mientras que base será toda aquella sustancia capaz de aceptar esos protones. Cuando un ácido libera un protón se convierte en una base conjugada, y a la inversa, cuando una base acepta un protón se convierte en un ácido conjugado. Hay que tener presente la existencia de sustancias capaces de comportarse como ácido o como baso, según el entorno químico en el que se encuentran.

DEFINICIÓN DE PH

La acidez de una solución depende de la concentración de los iones hidrógeno y se caracteriza por el valor del pH, que se define como el logaritmo negativo de base 10 de la concentración de H+ : pH= - log10 [H+] La utilidad de la cantidad expresada de esta forma tan compleja fue propuesta por Sorensen en 1909 cuando observó, al estudiar los efectos de la concentración de hidrogeniones en las reacciones bioquímicas, que estas concentraciones eran extremadamente bajas. En esta expresión puede deducirse que la escala de valores del pH de una solución es opuesta a sus valores de la acidez; cuanto más alta es la concentración de H+, más bajá es el valor del pH. Como ya se mencionó, en la mayoría de los líquidos biológicos las concentraciones de H+ son muy bajas. Por ejemplo, en la sangre y en el líquido extracelular es de 0,00000004 mol./L.. Una acidemia intensa (pH: 6,8) puede elevar este valor a 0,00000016 mol/L. y una acalemia intensa (pH: 7,8), reducirla hasta 0,000000016 mol/L. Como se puede apreciar, éstas son cifras muy pequeñas, difíciles de manejar como tales para comparar resultados. Por otra parte, si se usa el valor de pH y se aprecia que la cifra es de 0,00000004 mol/L, puede sustituirse por pH 7,4, al igual que las concentraciones citadas en el párrafo anterior. El empleo del valor de pH simplifica mucho la expresión de la concentración de iones H+ y hace que su manejo sea mucho mas simple.

SISTEMAS DE TAMPÓN

Un amortiguador ácido-básico es una solución de dos o más compuestos químicos que evita la producción de cambios intensos en la concentración de iones hidrógeno cuando a dicha solución se le añade un ácido o una base. Un buen ejemplo de estos sistemas es el formado por el ácido carbónico y el bicarbonato sódico cuando ambos se encuentran en una misma solución. En primer lugar, conviene recordar que el ácido carbónico es un ácido muy débil y que cuando se encuentra en una solución, aproximadamente 999 partes de cada 1.000 se disocian en dióxido de carbono y agua, con el resultado final de una elevada concentración de dióxido de carbono disuelto más una pequeña concentración de ácido. Cuando a una solución que contiene bicarbonato sódico se le añade un ácido como el clorhídrico, ocurre la siguiente reacción: HCl + NaHCO3 → H2CO3 + NaCl Puede observarse cómo un ácido fuerte - el clorhídrico - es convertido en otro muy débil - el carbónico -, por lo que la adición de ese ácido fuerte sólo bajarla ligeramente el pH de la solución. De la misma forma, si añadimos una base fuerte, como el hidróxido sódico, a una solución que contiene ácido carbónico, tendrá lugar la siguiente reacción: NaOH + H2CO3 → NaHCO3 + H2O Donde observamos que el ion del hidróxido sódico se combina con el ion hidrógeno del ácido carbónico para producir agua, formando, además,

bicarbonato sódico. El resultado neto del sistema tampón es la transformación de la base fuerte (NaOH) por la base débil (NaHCO3 ). Aunque para ilustrar el funcionamiento del sistema tampón hemos utilizado el ácido carbónico y el bicarbonato sódico, cualquier sal de bicarbonato, aparte del sódico, puede efectuar exactamente la misma función. Por tanto, las pequeñas cantidades de bicarbonato potásico, bicarbonato cálcico y bicarbonato magnésico que existen en los líquidos extracelulares son igualmente eficaces para el sistema tampón del bicarbonato. En el liquido intracelular hay muy poco bicarbonato sódico, y el ion bicarbonato es proporcionado por el bicarbonato potásico y magnésico. Existen otros sistemas tampón en el organismo que, aunque con menos intensidad que el que acabamos de describir, también contribuyen a mantener estable el pH. Esos sistemas son el fosfato y las proteínas. Mediante la aplicación de la ecuación de Henderson-Hasselbalch podemos deducir que en un individuo normal, con un pH de 7,4, la relación existente entre el bicarbonato y el asido carbónico es de 20:1, y el organismo tratará de corregir cualquier alteración de esta relación para mantener la estabilidad de este equilibrio. Para estudiar el equilibrio ácido-básico de un paciente debemos medir por lo menos dos de estos tres parámetros: pH, pCO2 y HCO-3, obteniéndose el restante mediante un cálculo matemático (actualmente los analizadores de gases miden pH y pCO2 y calculan HCO-3). El CO2 y, consiguientemente el ácido carbónico, cuya concentración es controlada por los pulmones, se denominan de forma genérica componente respiratorio, mientras que el bicarbonato, que es controlado por los riñones, recibe el nombre genérica de componente metabólico o renal. En condiciones normales, tanto los pulmones como los riñones son capaces de aumentar o disminuir el nivel de sus respectivos constituyentes tampón para alcanzar el objetivo primario; es decir, la relación 20:1, que es esencial para mantener el pH normal de la sangre. Veamos a continuación cómo se intenta mantener este equilibrio en algunas situaciones patológicas. En la acidosis metabólica el riñón no elimina el exceso de iones hidrógeno y no recupera una cantidad suficiente de bicarbonato. Un nivel disminuido de bicarbonato en presencia de una pCO2 normal produce unta disminución de la relación entro el bicarbonato y el ácido carbónico (menos de 20:1), por lo que ocasiona una reducción del pH. Algunas causas de esta alteración son la cetosis diabética, la intoxicación ácida (por ejemplo, el ácido acetilsalicilico) y la acidosis láctica por sobrecarga muscular. En todas estas situaciones el organismo tiende a reponer la relación normal de 20:1 entre el bicarbonato y el ácido carbónico. A este proceso lo conocemos como compensación. En la acidosis metabólica los pulmones tienden a compensar eliminando cantidades mayores de CO2, hiperventilando. Al reducir la pCO2, como el bicarbonato está bajo por la alteración primaria, se tiende a restablecer la relación 20:1 entre el

bicarbonato y el ácido carbónico y, en consecuencia, el pH se desplaza hacia la normalidad. Fisiológicamente, la compensación nunca es completa. La alcalosis metabólica se caracteriza por la presencia de bicarbonato en exceso y puede producirse como consecuencia del agotamiento del ácido en el organismo o de la ingestión de un exceso de base. En estas condiciones, un nivel aumentado de bicarbonato se asocia a una pCO2 normal y el resultado es un aumento en la relación bicarbonato / ácido carbónico, lógicamente con la elevación del pH sistémico. Algunas causas de este trastorno son los vómitos persistentes, el lavado gástrico, el exceso de medicación diurética y la ingestión desordenada de sustancias alcalinas. En todos estos casos el sistema reaccionará para restablecer el equilibrio entre bases y ácidos y normalizar el pH. El centro de control respiratorio inducirá una hipoventilación con retención de CO2 y, por tanto, de nuevo se compensa el aumento del bicarbonato con aumento de la pCO2. La acidosis respiratoria se caracteriza por la incapacidad de los pulmones para eliminar todo el CO2 producido por el organismo, por lo que la pCO2 aumenta y la existencia de un nivel normal de bicarbonato produce una disminución en la relación bicarbonato / ácido carbónico. Algunas causas de esta alteración son la enfermedad broncopulmonar, intoxicación por barbitúricos, respiración asistida mal estimada y asfixia. La compensación, en este caso, se producirá porque el riñón eliminará una mayor cantidad de H+ causando, de este modo, un incremento del bicarbonato. Por último, la alcalosis respiratoria se caracteriza por una eliminación excesiva de CO2 a través de los pulmones. De nuevo, la reducción de la pCO2 con niveles normales de bicarbonato aumenta la relación entre bases y ácidos, por lo que se eleva el pH. Las causas más frecuentes de este trastorno son los estados de ansiedad, fiebre alta, anoxia e intoxicación por ciertos fármacos. En este caso, la compensación la establecen los riñones, reduciendo la producción de bicarbonato. Hemos de recordar que, en términos generales, cuando el trastorno primario es metabólico (renal), la compensación es respiratoria y se produce inmediatamente. Por el contrario, cuando la alteración primaria es de origen respiratorio, la compensación es metabólica y los mecanismos renales que se ponen en marcha requieren varios días para llevar a cabo dicha compensación. J.L. MARIN SORIA laboratorio de Urgencias. Hospital Clinic. Barcelona,.- 2.000 MEDSPAIN

LECTURA 10

Estructura molecular de los ácidos nucleicos

James Watson y Francis Crick .-(1953) Nature, 171, 737-8

Queremos proponer una estructura para la sal del ácido desoxirribonucleico (ADN). Esta estructura posee unas características nuevas que tienen un considerable interés biológico.

Pauling y Corey ya propusieron una estructura para el ácido nucleico. Nos ofrecieron amablemente su artículo antes de publicarlo. Su modelo consistía en tres cadenas alternadas que formaban una estructura común, cuyos grupos fosfatos estaban situados cerca del eje de simetría de la estructura y las bases estaban dirigidas hacia el exterior. En nuestra opinión esta estructura es insatisfactoria por dos razones: 1) Nosotros creemos que el material que da los diagramas de rayos X es la sal, no el ácido libre. Sin los átomos de hidrógeno ácidos no está claro cuales son las fuerzas que mantienen unida la estructura, en especial si se considera que los fosfatos negativos, situados cerca del eje, se repelen entre sí. 2) Algunas de las distancias de van der Waals parece que son demasiado cortas.

Faser también ha sugerido una estructura de tres cadenas (en prensa). En su modelo los fosfatos están situados hacia el exterior y las bases hacia el interior, unidas entre sí por enlaces de hidrógeno. La estructura descrita de esta forma no queda claramente definida y por esta razón no la comentaremos.

Nosotros queremos avanzar una estructura radicalmente distinta para la sal del ácido desoxirribonucleico. Esta estructura posee dos cadenas helicoidales cada una de ellas enrollada alrededor del mismo eje (véase diagrama). Hemos hecho las suposiciones químicas normales, es decir, que cada cadena está formada por grupos fosfato diéster unidos a restos de p-D-desoxirribofuranosa por enlaces 3', 5'. Las dos cadenas (pero no sus bases) están relacionadas por un eje de simetría de 180 ° perpendicular al eje de la estructura.

Ambas cadenas son hélices que giran hacia la derecha, pero debido al eje de simetría de 180° las secuencias de los átomos en las dos cadenas van en direcciones opuestas. Cada cadena se parece vagamente al modelo N.° 1 de Furberg; es decir, las bases están en el interior de la hélice y los fosfatos en el exterior. La configuración del azúcar y de los átomos vecinos es parecida a la «configuración estándar» de Furberg, estando el azúcar en posición mas o menos perpendicular a la base a la que está unido. En cada cadena hay un resto cada 3,4 Å en dirección z. Suponemos que existe un ángulo de 36° entre dos restos adyacentes de la misma cadena, de tal manera que la estructura se repite cada 10 restos en cada cadena, es decir, cada 34 Å. Ya que los fosfatos están situados hacia el exterior, son fácilmente accesibles para los cationes.

Esta estructura es una estructura abierta, y su contenido en agua es bastante elevado. Si el contenido en agua fuera más bajo esperaríamos que las bases adoptaran una cierta inclinación de modo que sería más compacta.

La característica nueva de esta estructura es la forma en que las dos cadenas se mantienen unidas por las

bases purínicas y pirimidínicas. Los planos de las bases son perpendiculares al eje de la estructura. Las bases se unen a pares, una base de una cadena establece un enlace de hidrógeno con otra base de la otra cadena, de modo que las dos están situadas una al lado de otra y tienen las mismas coordenadas z. Una de las bases que forman el par debe ser una purina y la otra una pirimidina para que pueda tener lugar el enlace. Los enlaces de hidrógeno se establecen como sigue: la purina de la posición 1 con la pirimidina de la posición 1; la purina de la posición 6 con la pirimidina de la posición 6.

Si suponemos que las bases sólo pueden hallarse en la estructura en las formas tautoméricas más plausibles (es decir, en las configuraciones ceto y no en las enólicas) encontramos que sólo pueden enlazarse unos determinados pares de bases. Estos pares son: adenina (purina) con timina (pirimidina) y guanina (purina) con citosina (pirimidina).

En otras palabras, si una adenina constituye un miembro de un par, en una de las cadenas, entonces según estas suposiciones el otro miembro debe ser la timina; de igual forma que la guanina y la citosina. La secuencia de bases de una cadena individual no parece estar restringida de ninguna forma. Sin embargo, si sólo pueden establecerse unos pares de bases específicos, se deduce que, dada la secuencia de bases en una cadena, la secuencia en la otra cadena viene automáticamente determinada.

Se ha encontrado experimentalmente que en el ácido desoxirribonucleico la relación entre la cantidad de adenina y timina y entre la de guanina y citosina, es siempre muy próxima a la unidad.

Probablemente, es imposible construir esta estructura con un azúcar ribosa en lugar de la desoxirribosa, ya que el átomo de oxígeno extra establecería un enlace de van der Waals demasiado cerca.

Los datos de rayos X publicados hasta ahora sobre el ácido desoxirribonucleico son insuficientes para poder establecer una comprobación rigurosa de nuestra estructura. Por lo que podemos decir hasta ahora, es más o menos compatible con los datos experimentales, pero debe considerarse como no probada hasta que se pueda verificar con resultados más exactos. Algunos de ellos se dan en las comunicaciones siguientes. Nosotros no conocíamos los detalles de los resultados presentados allí cuando ideamos nuestra estructura, que se basa principalmente, aunque no del todo, en datos experimentales publicados y argumentos estereoquímicos.

No se nos escapa el hecho de que el apareamiento específico que hemos postulado sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copia para el material genético. Todos los detalles de la estructura, incluidas las condiciones supuestas para su construcción, junto con las coordenadas de cada átomo, serán publicadas en algún otro lugar. Debemos agradecer al Dr. Jerry Donohue su consejo y juicio crítico constantes, especialmente en lo que se refiere a las distancias atómicas. También hemos recibido un gran estímulo de los resultados experimentales no publicados y de las ideas del Dr. M. H. F. Wilkins y del Dr. R. E. Franklin y sus colaboradores del King's College de Londres. Uno de nosotros (J. D. W.) ha disfrutado de una beca de la Fundación Nacional para la Parálisis Infantil. J. D. WATSON, F. H. CRICK Medical Research Council Unit para el Estudio de la Estructura Molecular de los Sistemas Biológicos. Laboratorio Cavendish, Cambridge. Abril 2. Pauling, L., y Corey, R. B., Nature, 171, 346 (1953), Proc. U.S Nat. Acad. Sci., 39, 84 (1953). Furberg, S., Acta Chem. Scand., 6, 634 (1952) Chargaff, E., for references see Zarnenhof S., Brawerman, G and Chargaff, E., Biochim. et Biophys. Acta, 9, 402 (1952). Wyatt, G. R., J. Cen. Physio., 36, 201 (1952).

Atsbury, W T., Symp. Soc. Exp. Biol. 1, Nucleic Acid, 66 (Camb. Univ. Press, 1947). Wilkins, M. H. F., y Randall, J. T., Biochim et Biophys. Acta, 1

EJERCICIOS :I

.

Las leyes de los gases. Cálculo de fórmulas empíricas. Disoluciones. Cálculos estequiométricos.Pesos equivalentes.

LAS LEYES DE LOS GASES

1. Un volumen de 2,38 litros de un gas medido a 97ºC y 720 mm de Hg tiene una masa de 2,81 gramos. Calcular el peso molecular de dicho gas. (R = 0,082 atm.litro/mol.K)

Sol: 37,81

2. Cierto gas está formado en un 46,18% de carbono y en 53,82% de nitrógeno. Un gramo de un gas ocupa 0,496 l a 708 mm de Hg y 20ºC. Determinar la fórmula molecular de dicho gas. (R = 0,082 atm.litro/mol.K)

Sol: C2N2

3. En un recipiente hay 45 g de dióxido de carbono y 60 g de nitrógeno a la presión total de 500 mm de Hg. Calcular la presión parcial de cada gas.

Sol: P(CO2) = 161,5 mm Hg; P(N2) = 338,5 mm Hg.

4. Se ha obtenido en el laboratorio una muestra de 10 l de una mezcla de Hidrógeno y dióxido de carbono a 0ºC y 1,7 atmósferas, determinándose que la presión parcial de dióxido de carbono era de 0,5 atmósferas. Después se eliminó el dióxido de carbono y el gas restante se comprimió hasta un volumen de 1 litro a 273ºC. Determínese: a) El número de moles de dióxido de carbono en la mezcla inicial. b) La presión final de gas hidrógeno. R = 0,082 atm.l/K.mol

Sol: n(CO2) = 0,22; P(H2) = 23,9 atm.

5. Suponga que 25,0 ml de oxígeno a 25ºC y 101 mm de Hg se introducen en un recipiente de 30,0 ml que ya contenía dióxido de carbono a 35ºC y 735 mm de Hg. Si la temperatura de la mezcla se lleva a 28ºC, ¿cuál es su presión? R = 0,082 atm.l.mol-1K-1. (S-90)

Sol: P = 1,06 atm.

6. Admitiendo que la composición en peso del aire es: 75,45% de nitrógeno, 23,18% de oxígeno, 1,32% de argón y 0,05% de dióxido de carbono, calcule: a) la composición del aire en volumen y b) su densidad en condiciones normales de presión y temperatura. Pesos atómicos: N = 14; O = 16; Ar = 40; C = 12. R = 0,082 atm.l.mol-1K-1. (S-90)

Sol: N2 = 78,3%; O2 = 20,98%; Ar = 0,96%; CO2 = 0,02%; d = 1,29 g/l

7. En una mezcla gaseosa de CO y CO2 la presión parcial de CO es 0,20 atm. y la de CO2 es de 0,60 atm. a) ¿Cuál es la fracción molar de cada gas en la mezcla? b) Si la mezcla ocupa 11,6 litros a 50ºC, calcular cuál es el número total de moles presentes en la mezcla y cuántos gramos hay de cada gas. R = 0,082 atm.l.mol-1K-1. (S-91)

Sol: X(CO)= 0,25; X(CO2) = 0,75; n = 0,35; m(CO) = 2,45 g; m(CO2 = 11,55 g

8. En un matraz de 10,0 litros que se encuentra a 25ºC se introducen 2,0 g de hidrógeno, 8,4 g de nitrógeno y 4,8 g de metano. Calcular: a) la fracción molar y b) la presión parcial de cada uno de los gases. c) Determinar la presión total de la mezcla si la temperatura del matraz se eleva a 100ºC. R = 0,082 atm.l.mol-1K-1. (S-93)

Sol: X(H2) = 0,62; X(N2) = X(CH4) =0,19; P(H2) = 2,4 atm; P(N2) = P(CH4) =0,7atm; PTOTAL= 4,89 atm.

9. Un matraz de 250 ml contiene kripton a la presión de 0,65 atmósferas. Otro matraz de 450 ml contiene helio a 1,25 atmósferas. Se mezcla el contenido de los matraces abriendo la llave que los conecta. Suponiendo que todas las medidas y operaciones se realizan a temperatura constante, calcule:

a) La presión total final.

b) El porcentaje en volumen y en peso de cada gas en la mezcla.

Masas atómicas: kripton = 83,80; helio = 4,00. R = 0,082 atm.l.mol-1K-1 (S-97)

Sol: 1,03 atm; Volumen: Kr: 22,4%; He: 77,6%; Masa: Kr: 85,82%; He: 14,48%.

10. Un recipiente de 20 ml contiene oxígeno a 20º C y 0,80 atm. En otro recipiente de 50 ml hay argón a 20º C y 0,40 atm.

a) Calcule el número de moles de los gases contenidos en cada recipiente.

b) Si se conectan los dos recipientes uniendo la llave que los une, sin modificar la temperatura, calcule la fracción molar de cada gas, el número de gramos totales y la presión total de la mezcla.

Masas atómicas: Oxígeno = 16; argón = 40 R = 0,082 atm.l.mol-1K-1. (SL-98)

Sol: 6,6.10-4 moles de oxígeno y 8,3.10-4 moles de argón. X(O2) = 0,44; X(Ar) = 0,56; 0,054 g; 0,51 atm.

11. Suponga que 2,6 litros de nitrógeno, a 250C y 740 mm de Hg, se introducen en un recipiente metálico de 3,6 litros que va contenía dióxido de carbono a 27ºC y 730 mm de Hg. Si la temperatura de la mezcla se lleva hasta 300C, calcule:

a) La presión total de la mezcla.

b) El porcentaje en peso y en volumen de cada uno de los gases en la mezcla. Masas atómicas: Carbono = 12; nitrógeno = 14; oxígeno = 16;

R = 0,082 atm.l.mol-1l-1. (S-98)

Sol: 1,65 atm; Masa: 31,25% N2; 68,75% CO2; Volumen: 41,67% N2; 58,33% CO2

12. Un recipiente de 2,0 litros que contiene helio a 250C y 2,0 atm se conecta con otro de igual volumen que contiene oxígeno a la misma temperatura y a la presión de 4,0 atm. Si se mantiene constante la temperatura, calcule:

1. La presión parcial de cada gas y la presión de la mezcla. 2. El porcentaje en volumen y, en peso de cada gas en la mezcla.

Masas atómicas: Helio = 4,0; oxígeno = 16,0.

R= 0,082 atm.l.mol-1K-1. (S-98)

Sol: PTOTAL= 3 atm; P(He) = 1 atm; P(O2) = 2 atm; Volumen: He: 33,3%; O2: 66,7%; Masa: He: 5,88%; O2 : 94,12%.

EJERCICIOS II

CINÉTICA

1.-Como se define la vida media en una reacción cinética de orden cero, primer orden y segundo orden respectivamente 2.- Una sustancia radiactiva como el Carbono 14 tiene una vida media aproximada de 5760 años si un fósil tiene el 25 % de actividad radiactiva de una muestra moderna asumiendo que la cantidad de CO2 del medio no ha variado en los últimos 100 000 años cual será la edad aproximada de dicho fósil. 3.-La descomposición del N2O5 es una reacción de 1er orden con una constante de velocidad de 5,1 x 10-4 s-1 a 45°C

2 N2O5 ( G ) → 4 NO2 + O2

a) Si la concentración inicial era 0,25 M ¿Cuál es la concentración

después de 3,2 minutos? b) ¿Cuánto tiempo le tomará a la concentración disminuir desde 0,25 M

hasta 0,15 M? c) ¿Cuánto tiempo tomará transformar 62 % del material inicial?

4.-Se administra a un ratón 25 mg / kg de una fórmula por vía Intravenosa, los datos de concentración a nivel sanguíneo se muestran en la tabla sgte :

Tiempo (min) Concentración mcg/ mL

2,0 90,3 2,9 83,9 5,6 67,3 8,9 51,5 10,5 45,2 13,5 35,4 15,0 31,3 20,0 20,9 24,0 15,1 60,0 0,9

Si la cinética de reacción es de 1er orden deducir K eliminación, Vida media, Concentración en el tiempo Cero 5.-En un experimento para determinar el orden de la reacción de la descomposición de A, se obtuvieron los sgtes datos :

Tiempo (Seg) Concent. A 0 2,00 x 10-3

1000 1,39 x 10-3

2000 0,78 x 10-3

3000 0,17 x 10-3

Deducir : a.-Orden de la reacción b.-Según la gráfica el valor de K c.-La vida media de la reacción d.-El tiempo para que la concentración sea 0,02 x 10 -3

e.-Tiempo cuando la concentración estuvo en 1 x 10 -3f.-Concentración a los 4000 segundos 6.-Un cultivo de bacterias crece a una rapidez proporcional a la cantidad presente, si hay 1000 bacterias presentes inicialmente, y la cantidad se duplica en 1 hora;¿Cuántas bacterias habrá en 3,5 horas?. 7.-En un cierto cultivo donde la tasa de crecimiento bacteriano es proporcional a la cantidad presente el número se triplica en 3 horas, y al final de 12 horas hay 107 bacterias;¿Cuántas bacterias estaban inicialmente? 8.-Un medicamento se fabricó el 20 de noviembre del 2003, presenta 150 mg de actividad farmacológica, si pierde su actividad al alcanzar el 70 %; y si el tiempo de vida media es 2,5 años.¿Cuál será su fecha de caducidad? 9.-En el sgte experimento de cinética se obtuvieron los sgtes datos :

A → B Tiempo (meses) Concentración (mg/mL)

14 8 16 4 18 2 20 1

Deducir : a.-El orden de la reacción justificando el porqué b.-La concentración de A en el tiempo cero c.-La constante de descomposición y sus unidades d.-La vida media de la reacción e.-La concentración de A a los 12 meses y 17 meses f.-El tiempo en años para que la concentración sea 2,5 mg/ mL Profesor.-Hugo Villanueva Vilchez.

EJERCICIOS III

DISOLUCIONES

1. Para caracterizar una disolución se pueden utilizar los siguientes términos: densidad, molaridad, molalidad, concentración en gramos por litro. Defina con precisión cada término y aplíquelo a un ejemplo concreto. (S-93)

2. Para una disolución, defina los términos de concentración: molaridad, molalídad y gramos/litro. Explíquelos con un ejemplo. (S-97)

3. La disolución de ácido sulfúrico de 44,17% de riqueza en peso tiene una densidad de 1,340 g/ml. ¿Cuál es la normalidad de dicha disolución?

Sol: 12,1 N

4. Calcular la normalidad de una disolución de ácido nítrico de densidad 1,334 g/ml y del 50% de riqueza en peso. Considere que el peso molecular del ácido nítrico es 63.

Sol: 10,6 N

5. Calcular la concentración final de una disolución preparada mezclando 50 ml de ácido sulfúrico 0,146 M con cada una de los siguientes líquidos (suponga volúmenes aditivos):

a) Con 70 ml de agua.

b) Con 90 ml de ácido sulfúrico 0,068 M.

Sol: 0,061M; 0,096M

6. ¿Cuál es la normalidad y molaridad de un disolución de ácido sulfúrico del 99% en peso y de densidad 1,84 g/ml? Considere que el peso molecular del ácido sulfúrico es 98.

Sol: 37,2N; 18,6M

7. Si 9 litros de cloruro de hidrógeno gas medido a 20ºC y 750 mm de Hg se disuelven en el agua necesaria para dar 250 ml de disolución. Calcula la molaridad de esta disolución. R = 0,082 atm.l/K.mol

Sol: 1,48M

8. ¿Qué volumen de ácido clorhídrico de densidad 1,17 g/ml correspondiente al 34,18%, han de medirse para preparar 450 ml de una disolución de dicho ácido 0,2N?

Sol: 8,21 ml

9. El ácido clorhídrico del 36,5% en peso tiene una densidad del 1,15 g/ml. ¿Cuántos ml de éste ácido serán necesarios para preparar 1 litro de HCl 0,1N? (S-83)

Sol: 8,69 ml

10. El ácido nítrico concentrado comercial es generalmente 15,5M. Si su densidad es 1,409 g/ml. ¿Cuál es la composición en tanto por ciento en peso del agua presente? Considere que el peso molecular del ácido nítrico es 63.

Sol: 30,7%

11. ¿Qué volumen de disolución de ácido clorhídrico del 32% de riqueza en peso y densidad 1,16 g/ml se necesitan para reaccionar completamente con 600 gramos de sulfuro de hierro (II)? (Pesos atómicos: S = 32, Fe = 55,8, Cl = 35,5, H = 1)

Sol: 1,34 l

12. Calcular la molalidad de una disolución acuosa de hidróxido sódico al 10% en peso. Considere que el peso molecular del hidróxido sódico es 40.

Sol: 2,78

13. Calcula los mililitros de ácido clorhídrico de densidad 1,19 g/ml, conteniendo el 38,32% en peso del reactivo puro, necesarios para preparar 500 ml de disolución 0,2M.

Sol: 8 ml

14. Calcular la densidad de una disolución acuosa de sulfato de magnesio que es 3,6 N y es del 20% en peso. Considere que el peso molecular del sulfato de magnesio es 120.

Sol: 1,08 g/ml

15. ¿A qué volumen se debe diluir 500 ml de ácido sulfúrico del 90% en peso para preparar una disolución 10 M. La densidad del ácido sulfúrico del 90% es 1,81 g/ml.

Sol: 831,1 ml.

16. Una disolución 4,1 M de cloruro de sodio en agua tiene una densidad de 1,2 g/ml. Calcular la molalidad de esta disolución. Sol: 4,27 m

17. Una muestra de 35,0 ml de ácido clorhídrico de 30,0% en peso y de densidad 1,18 g/ml se diluyó con agua hasta un volumen de 125 ml. Calcular la molaridad de la disolución final. (S-91) Sol: 2,7M

18. Explique cómo prepararía las siguientes disoluciones: a) 2,0 litros de Ba(OH)2 0,030M a partir de una disolución que contiene 42,9 g de Ba(OH)2 por litro de disolución. b) 750 ml de Cr2(SO4)3 0,25 M a partir de una disolución que contiene un 35% en peso de Cr2(SO4)3 y que tiene una densidad de 1,412 g/ml. Masas atómicas: Cr = 52; S = 32; O = 16; Ba = 137,3; H = 1. (S-94)

Sol: Tomaría 240 ml de la disolución de hidróxido de bario y diluiría hasta 2 litros. Tomaría 148,7 ml de la disolución de sulfato de cromo (III) y diluiría hasta 750 ml.

19. Calcule la molaridad de una disolución de ácido nítrico del 70% en peso y densidad 1,42 g/ml. ¿Qué volumen de esta disolución será necesario para preparar 250 ml de HNO3 2M? (SR-94) Sol:15,8 M; 31,7 ml.

20. a) Calcule el volumen de ácido sulfúrico concentrado de densidad 1.83 g/ml y del 93,2 % en peso de ácido sulfúrico, que se necesita para preparar 500 ml de disolución 4,0 M del mismo ácido.

b) ¿Cuántos mililitros de esta disolución se necesitarán para neutralizar completamente 10 g de NaOH? (S-97)

Masas atómicas: S=32; Na=23: 0=16: H=l. Sol: 115 ml; 7,18 ml. 21. a) Calcule el volumen de ácido clorhídrico del 35 % de pureza y de densidad 1.17 g/ml que se necesita para preparar 1.5 litros de disolución de dicho ácido de concentración 3.0 M.

b) Una vez preparada, la disolución anterior se utiliza para neutralizar 500 ml de una disolución de NaOH 0.5 N. ¿Qué volumen se necesitará?

c) Indique razonadamente qué pH sería de esperar en la disolución resultante de la neutralización. Masas atómicas: H = 1, Cl = 35.5 (S-98)

Sol: 0,401 l; 83,3 ml; Neutro la sal resultante es NaCl, que no sufre hidrólisis.

Fuente. Javier García Aisa. Departamento de Física y Química. I.E.S. Luis Buñuel. Zaragoza

EJERCICIOS IV

Cálculo de pH EjEMPLO 1 : Calcúlese el pH de una solución cuya concentración de ión hidronio es 6,0 x 10 –5 M pH = - log [6,0 x 10 –5] = - log [6,0 x 10 –5] = - [log 6,0 + log 10 –5] pH = -0,78 + 5 = 4,22 Ejemplo 2: Cual es el pH y pOH de una solución 0,0001 M de hidroxido de sodio. Solución: El Na0H es un electrolito fuerte, su disociación es : NaoH Na+ + OH-

Hallemos entonces inicialmente el pOH así: pOH = - log [OH-] pOH = - log [1 x 10-4] pOH = - [log 1 + log 10-4] pOH = - log 1 – (-4) log 10 pOH = 0 – (- 4) log 10 pOH = 0 – (- 4) . 1 pOH = 4 Como la suma del pH y pOH en una solución es igual 14, el pH puede determinarse, restando de 14 el valor de pOH. En este caso: pH = 14 – pOH pH = 14 – 4 pH = 10 Ejemplo 3. Calcule el pH de una solución 0,5 M de NH4OH si Kb = 1,8 x 10 -5

Solución: NH3 + H2O NH4+ + OH - Inicio 0,5 0 0 Rx X X X Equil 0,5- x X X

Inicial Rx Equilib [NH3] = 0,5 X 0,5 – x [NH4+] = 0 X X [OH -] = 0 X X

Kb = [NH4+] [OH -] = PKb = X2 = 1,8 x 10--5

[NH3] 0,5 - x → X2 = 0,9 x 10-5

X = 3 x 10 –3

Luego: [OH -] = 3 x 10 –3

pOH = - log [OH-] pOH = - log [3 x 10 –3] pOH = - (log 3 + log 10 –3) pOH = - [0,477 + (-3)] pOH = - (-2,52) pOH = 2,52 pH = 14 – POH pH = 14 –2,52 pH = 11,48 Ejemplo 4: Un acido debil de formula HA tiene un pH = 5,3 cuando su concentración es 0,1 M ¿Cual es su constante de disociación? (Ka) ? HA + H2O H3O+ + A-

Inicial Reacción Equilibrio [HA] = 0,1 X 0,1 - x [H3O+] = 0 X X [A] = 0 X X

Ka = [H30+] [A -] = X2__ [HA] 0,1 - x pero pH = - log [H3O+] pH = - log X - log X = 5,3

- 5,3 = log X;

antilog (-5,3) = X luego:

antilog 6,7 = X, entonces X = 5 x 10-6

Ka = [5 x 10-6]2 ( 0,1 –5 x 10-6 )

Despreciando 5 x 10-6 como sumando: Ka = 25 x 10-12 0,1 Ka = 2,5 x 10 -10

Ejercicio .- CO2 + H2O <------> CO3H2 <----------> H+ + HCO3-

En el plasma donde no existe anhidrasa carbónica, casi todo el ácido carbónico está disociado en CO2 y H2O, y la concentración del ácido carbónico es muy escasa ( 0.003 mmol/l). Sin embargo esta pequeña

cantidad está disociado en CO3H- y H+, lo cual explica el porqué aumenta la acidez cuando aumenta el CO2 en el plasma.

La concentración normal de bicarbonato en el plasma es 24 mmol/l. Si aplicamos la fórmula de Henderson - Hasselbach al sistema

bicarbonato/ácido carbónico: HCO3- pH = pK + log ------------

H2CO3

el pK a 37ºC tiene un valor de 3.5, luego: pH = 3.5 + log (24/0.003) = 3.5 + log 8000 = 3.5 + 3.9 = 7.4 que es el pH normal del plasma arterial. Como la concentración de H2CO3 es tan pequeña y es dificil de medir, habitualmente se recurre a incluir en la

fórmula el CO2, aprovechando que su concentración es proporcional a la de H2CO3.

HCO3- (mmol/l) pH = pK + log ------------------------------------

CO2 disuelto(mmol/l) + H2CO3 La concentración real de ácido carbónico en el plasma es tan pequeña que la podemos ignorar. La concentración de CO2 disuelto en el plasma

es proporcional a su presión parcial por la constante de solubilidad del CO2 en el agua, que a 37ºC tiene un valor de 0.03, expresándola en

mmHg; por tanto: HCO3-

pH = pK + log ------------------------ pCO2 x 0.03

Dado que el valor del pK del sistema bicarbonato/ CO2 a 37ºC es de 6.1, el bicarbonato normal del plasma arterial es de 24 mmol/l, y la pCO2 arterial

normal es de 40 mmHg, el pH de la sangre arterial normal será: pH = 6.1 + log (24/1.2) = 6.1 + 1.3 = 7.4

En condiciones normales las concentraciones de bicarbonato y el CO2 disuelto están en proporción 20/1, y siempre que esta proporción se

mantenga el pH será 7.4.