Investigaciones Recientes en la Química

La Estructura Atómica:

Dalton fue el primero que basándose en hechos experimentales construyó una teoría científica en base a la existencia de átomos. En ella, se postulaba la indivisibilidad atómica (los presentaba como diminutas bolitas homogéneas), idea que permitió el logro de resultados extraordinarios.

Sin Embargo a fines del Siglo 19 y comienzos del siguiente, diversas experiencias sugirieron que el átomo era divisible, es decir, se hallaba compuesto por otros corpúsculos. En efecto, J. J. Thomson (1856-1940) observó que, en ocasiones, escapaban partículas cargadas con electricidad negativa a las que denominó electrones. A partir de ello Thomson concibió al átomo en 1898 como una esfera de electricidad positiva en la que los electrones negativos estarían incluidos. Casi toda la masa del átomo estaría asociada a la electricidad positiva, conclusión que se deducía al observar como los fragmentos positivos de los átomos eran mucho más pesados que los electrones. En 1911, lord Rutherford llevó a cabo un experimento, hoy clásico, para comprobar la verdad del modelo de Thomson: consistió en investigar la dispersión de las partículas alfa al atravesar delgadas láminas metálicas. Según el Modelo de Thomson, el metal estaría formado por átomos, que serían esferas positivas conteniendo electrones negativos, es decir, que el metal sería un mar de electricidad positiva con cargas negativas en su seno. Puesto que las partículas alfa poseen gran energía se pensó que atravesarían en línea recta la lámina metálica, y dado que la carga positiva y la masa estarían uniformemente repartidas por todo el metal no existía razón para que las partículas alfa se desviasen de su trayectoria inicial y no se abriesen paso rectilíneo a través del metal.

En el experimento las partículas alfa provenían de un elemento radioactivo, el Polonio, una placa gruesa de plomo con un orificio permite el paso de un haz de dichas partículas; en el trayecto de ese haz se coloca una lámina metálica, y finalmente, una pantalla recubierta de sulfuro de cinc permite detectar la llegada de las partículas.

Conforme a lo esperado, el 99% de las partículas alfa pasaron línea recta, pero hubo algunas que se desviaron ángulos bastante grandes, y un número muy reducido de ellas se reflejaron y retrocedieron sus trayectorias. Para Rutherford el resultado era increíble. He aquí sus propias palabras: “era casi tan increíble como si alguien disparase una granada de 15 pulgadas contra un trozo de papel de seda, fuese rechazada y golpease al lanzador”. El modelo de Thomson no era capaz de explicar tan grandes desviaciones. Si la carga positiva y la masa estuviesen uniformemente repartidas por todo el metal, una partícula alfa no tropezaría con grandes obstáculos ni experimentaría repulsiones fuertes en ningún punto de su trayectoria. Según Rutherford, la única posibilidad de espaciar una desviación tan grande es admitir que la electricidad positiva y la masa se concentran en regiones my pequeñas. Así Rutherford sugirió que el átomo posee un núcleo o centro, en el que se encuentra su masa y su carga positiva con electrones girando a su alrededor del núcleo en órbitas circulares (algo parecido a los planetas girando alrededor del Sol).

Calculando el porcentage de partículas que se desviaron, las que pasaron y las que se reflejaron se pudo calcular el tamaño que ocupa el núcleo en comparación con el que ocupan los electrones. Se dedujo que el núcleo ocupa una parte muy reducida del átomo, que prácticamente está ocupado por los electrones. Estableciendo una comparación: si el núcleo creciese hasta adquirir el tamaño del punto tipográfico con que termina esta frase, la totalidad de átomo sería mayor que una casa.

La objeción más seria que recibió este modelo, y que obligó a su abandono, fue la de que según las leyes físicas clásicas del electrón, poseedor inicialmente de una cierta cantidad de energía, la iría perdiendo en forma de ondas electromagnéticas, lo que provocaría la precipitación de dicha partícula sobre el núcleo. De este modo, el átomo, como tal, que daría destuído, contrariamente a lo que ocurre en la realidad.

Para superar la anterior objeción, el físico danés Niels Bohr recurrió a la denominada teoría de los cuantos formulada por el alemán M. Planck (1858-1947).

Según la concepción de Bohr, los electrones sólo pueden circular alrededor del núcleo atómico en ciertas órbitas circulares, seleccionada de acuerdo con unas leyes expresables matemáticamente.

La hipótesis de Bohr fue rápidamente aceptada, pero pronto requirió de ciertas modificaciones para explicar las nuevas observaciones. La más importante fue la de Sommerfield, que a fin de permitir la introducción de un nuevo concepto, el desdoblamiento de cada nivel de energía en subniveles, introdujo la elipticidad de las órbitas.

La concepción Bohr-Sommerfield tiene un carácter intuitivo, pero no explica suficientemente los fenómenos observados. Por ello a debido abandonarse por otro modelo, mucho más difícil de comprender, que se basa en el concepto matemático de probabilidad. Dicho modelo afirma que no se puede afirmar con exactitud en que punto se encuentra el electrón: no obstante, si se puede prever en que región del espacio se hallará muy probablemente en un instante determinado. A esta región se la llama orbital.

Partículas Exóticas:

Los científicos creyeron alguna vez que los átomos eran estructuras simples formadas por sólo tres partículas fundamentales: electrones, protones y neutrones. Sin embargo el estudio de la radioactividad demostró que cuando un neutrón se descompone en un protón, liberando un electrón (descomposición beta), existe una diminuta porción de masa con la que antes no se contaba, Esto sólo podía explicarse por la presencia de una partícula fantasma llamada neutrino. Más tarde se descubrieron los rayos cósmicos, partículas especiales del tipo de los electrones pesados, llamadas muones, y piones o pi-mesones, que mantienen unidos a los protones y neutrones. Muy pronto se descubrieron otros más, utilizando aceleradores construidos para desintegrar los núcleos por medio de la rápida rotación de las partículas.

Finalmente los científicos se vieron enfrentados a un desconcertante grupo de partículas subatómicas, hasta que lograron concluir que estas podían clasificarse en tres familias. Los electrones, los muones y los neutrinos son variaciones de una misma partícula llamada leptón; en tanto que los protones neutrones y piones son todos del tipo hadrón. Una tercera familia, conocida como bosones, incluye diminutas partículas mensajeras que transmiten toda la fuerza cósmica del universo. Los fotones, por ejemplo, son los bosones que transportan la fuerza electromagnética, y pueden existir partículas llamadas gravitones, responsables de la fuerza gravitatoria.

Ahora los físicos creen que todos los hadrones están constituídos por partículas incluso más básicas llamadas quarks. De acuerdo con la teoría de los quarks, estos vienen en seis formas: arriba, abajo, extraño, encantado, fondo y cima. Los neutrones y los protones son en esencia tripletas de quarks; los piones son pares. Junto con los leptones, los quarks parecen ser las unidades constitutivas del universo.

Como si esto fuera poco, los científicos han estado convencidos de que cada partícula tiene su antipartícula, su imagen reversa invisible, semejante pero en todos los sentidos opuesta. Por cada electrón existe un positrón invisible de carga positiva; por cada quark un antiquark, etc. Alguna vez se pensó que debería existir en el universo tanta antimateria como antimateria; pero ahora los científicos creen que en su mayoría fue destruída, poco después del Big Bang, junto con la mayor parte de la materia, quedando sólo la pequeña cantidad existente en el universo actual.

Materiales Compuestos:

Utilizados en todo, desde la fabricación de cocinas hasta de naves espaciales, los plásticos son uno de los más extraordinarios materiales artificiales y permanentemente se les encuentran nuevas aplicaciones. Casi sin excepción, están formados por moléculas gigantes especiales llamadas polímeros. La mayor parte de las moléculas que se encuentran naturalmente constan máximo de 20 ó 30 átomos; pero los polímeros están formados por cientos e incluso miles de ellos.

Los polímeros más simples se crean cuando la presión o el calor hacen que los monómeros , pequeñísimas moléculas, se alteren ligeramente y se unan en una larga cadena semejante a una serie de clips para papeles. Cuando se encadenan monómeros idénticos, se forman polímeros de adicción; si dos tipos de monómeros distintos reaccionan juntos se crean polímeros de condensación.

El polietileno, por ejemplo, es un polímero de adición formado por 50000 ó más monómeros de un hidrocarburo simple llamado etileno. Otros polímeros, como la celulosa y la seda, existen naturalmente, pero los polímeros artificiales pueden modelarse para ajustarlos a una amplia variedad de propósitos; en la actualidad miles de clases diferentes.

Se han desarrollado polímeros de cadena rígida como el Kevlar (inventado en los sesenta), que son más duros y más livianos que el acero. El Kevlar se emplea en muchas cosas, desde la fabricación de esquíes y otros artículos deportivos, hasta componentes vitales de las aeronaves; se emplea inclusive en chalecos antibalas. Los plásticos y los polímeros plásticos fueron alguna vez casi las únicas moléculas artificiales, pero desde mediados de los sesenta los científicos han avanzado enormemente en la creación de moléculas sintéticas. Las computadoras les han servido para diseñar y comprobar con rapidez, en la pantalla, diversas disposiciones moleculares. Las moléculas sintéticas comprenden ahora desde las zeolitas artificiales empleadas en la industria petroquímica, hasta los cristales líquidos usados en las pantallas digitales.

A comienzos del siglo, los científicos soñaban con encontrar balas mágicas, químicos que pudieran radicarse en las partes enfermas del cuerpo y curarlas. Hoy existen cientos de drogas de esta clase, destinadas no sólo a atacar los organismos causantes de la enfermedad sino también a reemplazar o bloquear el efecto de ciertos químicos del inferior del cuerpo.

Alguna vez las empresas farmacéuticas crearon nuevas drogas mediante el procedimiento de prueba y error, ensayando diferentes variaciones hasta encontrar la molécula perfecta. Hoy, la computadora hace innecesaria la preparación de estos compuestos, ya que los investigadores pueden reunir moléculas y probar su ajuste en una pantalla de computadora.

Elementos Radioactivos:

Tras el descubrimiento de los rayos X se abrió una nueva era en la química. El físico británico Charles Govler Barkla descubrió que, cuando los rayos X se dispersaban al atravesar un metal, dichos rayos, refractados tenían un sensible poder de penetración que dependía de la naturaleza del metal. En otras palabras, cada elemento producía sus rayos X característicos.

Existían algunas dudas de si los rayos X eran corrientes de pequeñas partículas o si consistían en radiaciones de carácter ondulatorio similares, en ese sentido, a la luz.

El físico alemán Max Theodore Felix von Laue demostró que se trataba de radiaciones con carácter ondulatorio.

Con este descubrimiento, muchos científicos se sintieron impulsados a investigar estas nuevas radiaciones, tan espectacularmente penetrantes. Antoine-Henri Becquerel se había mostrado interesado por la fluorescencia, osea la radiación visible.

Becquerel escubrió una sustancia, el sulfato de uranilo potásico (que cada una de sus moléculas contenía un átomo de uranio), que emitía radiación capaz de atravesar delgadas láminas de metal (en esa época solo se conocían los rayos X como la radiación capaz de atravesar delgadas cepas de metal). Becquerel expuso el sulfato al sol (para que la luz UV estimulara la fluorescencia) sobre una placa fotográfica. Pero entonces el cielo se nubló por densos nubarrones y como sin sol el experimento no resultaría, retiró la placa y el sulfato. Luego de unos días decidió revelar las placas con la esperanza de que, a pesar de la falta de luz directa, se hubiera emitido una pequeña cantidad de rayos X. Para su sorpresa la placa estaba totalmente negra a causa de una intensa radiación. Becquerel llegó a la conclusión de que esa radiación fue emitida por el uranio contenido en el sulfato de uranilo potásico. Este descubrimiento impresionó profundamente a los químicos y muchos comenzaron a trabajar con este fenómeno. Uno de ellos fue la joven químico Marie Sklodowska casada con Pierre Courie.

Marie Courie decidió medir la cantidad de radiación emitida por el uranio. Marie Curie fue la que sugirió el términio de radioactividad y encontró una segunda sustancia radioactiva, el torio.

Se descubrieron nuevos tipos de radiación como los rayos gamma y se descubrió que los elementos radioactivos emitían radiación mientras se iban convirtiendo paulatinamente en otras sustancias, se podría decir que sería cm una versión moderna de la transmutación.

Los Curie descubrieron que la pechblenda (fuente natural del uranio) contenía regiones más radioactivas. Consiguieron toneladas de pechblenda y se instalaron en un cobertizo en condiciones precarias desmenuzaron la pechblenda en busca de nuevos elementos. En julio de 1898 habían aislado un polvo negro 400 veces más radioactivo que el uranio. Este elemento se colocó en la tabla periódica y los Curie lo bautizaron Polonio en honor a su país. Siguieron trabajando y ese mismo año encontraron un elemento aún más radioactivo que el polonio y lo llamaron radio.

Los Curie fueron los pioneros en la investigación de los elementos radioactivos. Marie Curie murió de cáncer a causa de los trabajos con radiación que realizaba sin protección alguna. Ya a principios del siglo 20 se siguieron sumando elementos a la tabla periódica. Para ese entonces casi todos los elementos “pequeños” estaban descubiertos. Elementos cada vez más pesados se fueron sumando a la tabla hasta el día de hoy que se conocen elementos con pesos atómicos mayores a 100 (el más pesado tiene un peso atómico de 110)

Radioisótopos:

Aparte de para producir electricidad, los reactores nucleares pueden utilizasrse para producir varios tipos de materiales con diversas aplicaciones. Muchos elementos tienen sus respectivos isótopos pero muchos de ellos no se consiguen de forma natural. Estos pueden conseguirse colocando un elemento en el interior de un reactor nuclear y bombardeándolo con neutrones. Los productos que se originan en el bombardeo son inestables tendiendo a volver a su estado original emitiendo radiación en un proceso llamado degeneración radioactiva. Los isótopos radioactivos reciben el nombre de radioisótopos.

Por ejemplo, si el yodo en su estado natural, I-127, se bombardea con neutrones, formará el radioisótopo I-128. Químicamente es identico al I-127 pero su núcleo ha absorbido un neutrón por lo que aumenta su masa.

El I-128 degenera gradualmente para transformarse nuevamente en I-127, emitiendo radiación (rayos beta), durante el proceso. En una muestra cualquiera de I-128, la mitad de ella se habrá transformado en I-127 en 25 minutos: a esto se le conoce como período de semidesintegración. El I-128 no es el único isótopo del yodo que puede producirse artificialmente por bombardeo de neutrones en un reactor nuclear. De hecho, se han llegado a producir 21 isótopos del yodo con períodos de semidesintegracion que van desde los 2,5 segundos hasta los 1720 millones de años (I-129). Por otro lado, de los elementos conocidos pueden llegar a obtenerse en la actualidad alrededor de 1400 isótopos distintos.

Los radioisótopos tienen muchas aplicaciones. Pueden utilizarse como fuentes de radiación para tratamientos médicos; por ejemplo, el cobalto-60, que emite rayos gamma penetrantes se usa para tratar el cáncer. Una pequeña aguja de este material se coloca al lado de los tejidos cancerosos y los destruye. Una de las aplicaciones más importantes de los radioisótopos es la de elementos trazadores, particularmente en diagnósticos clínicos. Por ejemplo, la circulación de la sangre por el interior de las venas puede ser estudiada inyectando una pequeña cantidad de sodio-24 radioactivo al paciente y seguir su movimiento a través del cuerpo mediante un detector de radiaciones.

Los isótopos pueden utilizarse para construir fuentes de energía muy fiables para aplicaciones tales como marcapasos y balizas. En el viaje a la Luna Apolo 12 se utilizó un generador de este tipo para proporcionar energía a una serie de instrumentos que se dejaron en la superficie lunar.

También se pueden usar en el ambiente industrial para descubrir defectos en las piezas. Se coloca un radioisótopo de un lado de la pieza y del otro lado una película sensible a la radiación. Al revelarse la película queda impresa la pieza mostrando cada grieta que pudiera tener por imperceptible que esta fuera.