Química de la vida cotidiana. Tarea 3.2.- Búsqueda de información y explicación
La tabla periódica actual más empleada es la propuesta por la IUPAC. Pero no es la única forma que existe de ordenar y representar la periodicidad de los elementos químicos.
La primera tabla periódica publicada por Dmitri Mendeléiev (1869) organizaba los elementos por orden creciente de masas atómicas en intervalos periódicos, que seguían patrones comunes en las propiedades de los elementos químicos. Estos patrones observados han dado lugar a intentos de clasificación basados en la masa atómica creciente primero y número atómico después, que van desde las tríadas de Döbereiner y las octavas de Newlands (1864) en las que se basaban las tablas de Meyer y Mendeléiev, o la vis tellurique o tornillo telúrico de Alexandre Emile Beguyer de Chancourtois (1862) y la espiral de Baumhauer* (*M. Cruz Izquierdo Sañudo y colaboradores en: «Evolución histórica de los principios de la química» 2002).
La tabla más habitual representada en los libros de texto es el llamado Sistema Periódico largo, creada con siete periodos y dieciocho grupos o columnas. Siempre que cumplamos los requisitos de las propiedades y características de los elementos, los podemos agrupar de formas muy distintas y puede ser divertido representar nuestra propia tabla periódica, como las siguientes tablas ideográficas:
Tablas ideográficas
La primera figura es una creación personal deMark Lorch; la segunda una representación de la tabla de la IUPAC de Keith Enevoldsen. Se han ideado tablas con ilustraciones de lo más variopintas y creativas de todo tipo, con los materiales, nombres sugerentes, personajes, como cuenta Mark Lorch en el artículo en The Conversation…
Estas tablas ordenan los elementos en espiral, partiendo del Hidrógeno y siguiendo el orden de la masa atómica la primera, y número atómico las más modernas. Los elementos con propiedades similares se colocan en una misma línea, de forma que se distribuyen los dieciocho grupos en una especie de tela de araña (columnas o quesitos…) en los que cada vuelta de la espiral le da el periodo (siete).
Tablas extendidas
El orden de la denominada Tabla periódica ampliada escalonada por la izquierda de Charles Janet es diferente pero útil desde un punto de vista fisicoquímico, porque muestra el orden de llenado de los electrones en los orbitales a la vez de agrupar los elementos (Wikipedia); comienza con el Hidrógeno a la derecha de la tabla y sigue por el número atómico, junto a la configuración electrónica y Regla de llenado o Principio de Aufbau. Comenzando arriba a la derecha y bajando en los periodos en orden ascencente: 1s1, 1s2, 2s1, 2s2, 3p1…
Química de la vida cotidiana. Tarea 2.1.-Diseño de prueba. Siguiendo el método científico tradicional, explica paso a paso cómo podrías probar un hecho, una ley o un principio científico.
Una copa de vidrio está formada por enlaces covalentes; estos enlaces fuertes son los que establecen la unión de átomos compartiendo electrones. El cuarzo cristalino -que se forma con los mismos átomos que se forma el vidrio, átomos de silicio y oxígeno unidos entre sí- es un cristal perfectamente ordenado; el vidrio, sin embargo, por su fabricación, contiene pequeñas impurezas que no permiten a los átomos colocarse igual que en el cuarzo para formar los enlaces- Es decir, en su interior los átomos se reordenan en cristales amorfos o desordenados, que le dan otras características diferentes. Porque el vidrio, en realidad, es un fluido muy viscoso con tanta rigidez que parece sólido (cienciadesofa).
Método científico tradicional
Observación –Nos preguntamos cómo es posible romper enlaces del vidrio a distancia, es decir, ¿cómo es que la cantante rompe una copa de vidrio con su voz?
Ella Fitzgerald lo hacía en este vídeo promocional de Memorex, donde la voz de la intérprete de Jazz conseguía romper una copa de vidrio al reproducirse tras una grabación.
Hipótesis 1: La potencia de voz puede romper el vidrio debido a las ondas sonoras transmitidas a través del aire. Experimentación 1: Hacemos sonar la voz lo más alto que podemos, pero no conseguimos romper la copa. Hipótesis falsa.
Hipótesis 2. La potencia de voz (amplitud de la onda sonora) puede romper el vidrio debido a las ondas transmitidas a través del aire a una determinada frecuencia (el tono en que vibra ese material). Experimentación 2: Hacemos sonar la copa de vidrio para coger el “tono” o frecuencia a la que vibra ese material en concreto (el número de veces que vibra por unidad de tiempo en la caja de resonancia que contiene dentro emite un sonido). Si aumentamos la potencia del chorro de voz, solo si es el tono o frecuencia en el que vibra el material podremos generar tales vibraciones en el vidrio, que se vayan sumando y hagan que el vidrio se doble hasta alcanzar el punto de rotura del material.
Evaluación: Frecuencia y amplificación. El análisis de resultados nos dice que el vidrio se rompe y queda probada la hipótesis 2. Así, podemos repetir el experimento con distintos tipos de muestras, vasos de vidrio de distintas formas y grosores y veremos que cada tipo necesita una vibración e intensidad diferente para romperlo.
Resonancia: “Cuando una fuerza se aplica repetidamente a un sistema, con la frecuencia natural del mismo, el resultado es la aparición de oscilaciones de gran amplitud. Este fenómeno se llama Resonancia.” Cuando se aplica esta frecuencia lo suficientemente amplificada, la copa termina rompiendo los enlaces que mantienen unido el material como un ensayo de flexión.
La sokatira (en euskera tirar de la soga) es una modalidad de deporte rural muy popular en Euskal Herria. Su práctica se extiende a zonas de la cornisa cantábrica, regiones del norte de Escocia, Irlanda, India o Estados Unidos. En este juego, dos equipos se colocan en posiciones opuestas y tiran de una larga soga por sus extremos, en un reto de fuerza. La soga está marcada en el centro, de forma que, desde el equilibrio, por la fuerza ejercida por ambos equipos, se alcance la distancia estipulada para ganar, en la dirección del juego. Quien sobrepasa la marca, gana la partida.
Figura 1. Mujeres tirando de la soga en la Feria de Pushkar, India. (Tomado de Wikipedia).
La cuestión es, ¿qué pasaría si tiráramos con la misma fuerza, en lugar de en la dirección del eje de la cuerda, en dirección perpendicular a esta? Seguramente nos daríamos un buen golpe contra el suelo, porque la cuerda se rompería.
Figura 2. Soga de esparto. Fuerzas aplicadas.
Este ejemplo ilustra de forma macroscópica las propiedades anisotrópicas de la soga. Si hiciéramos un zoom sobre ella, podríamos ver cómo las fibras de la soga se tensionan, estrechan y alargan en el primer caso y cómo se separan en el segundo. La naturaleza de la soga puede ser variada -esparto, polietileno, algodón, lana, etc.- y cada componente, en función de su naturaleza y de cómo estén estructuradas las moléculas en su interior, tendrá propiedades mecánicas diferentes, es decir, aguantará la tensión más o menos tiempo. En el caso de la lana, si ampliáramos la zona más aún, a nivel microscópico o nanoscópico, veríamos la misma la estructura interna que la soga protegida dentro de matrices y capas, como se muestra en la figura 3.
El modelo más extendido de la estructura de la lana es el propuesto en 1972 por Bruce Fraser, Tom MacRae y colaboradores (Popescu y Höcker, 2007; SCIRO, 2015), que se muestra en la figura 3, donde se exponen, a distintos niveles (sin escala), los elementos que forman la fibra.
Figura 3. Adaptación del Modelo de telescopio (Popescu y Höcker, 2007): diagrama esquemático de la fibra de lana merina (CSIRO) basado en el dibujo de Bruce Fraser de 1972 (1)
(1) Proteínas KRT, queratinas (keratin); Proteínas KAP, proteínas asociadas a queratinas (Keratin Associated Proteins); Proteínas HS, proteínas tipo KAP de alto contenido en azufre (Hight Suphur); Proteínas UHS, proteínas tipo KAP de muy alto contenido en azufre (Ultra High Sulphur); Proteínas HGT, proteínas tipo KAP de alto contenido en aminoácidos de glicina y tirosina (High Glycine Tyrosine).
Las propiedades mecánicas de una cuerda se deben pues a la disposición de las fibras que la componen, pero, además, si estas fibras se enrollan de forma ordenada, la propia estructura mejora estas propiedades, ayudando por contacto, a mantenerse unida y no romperse. La estabilidad termodinámica tiene mucho que ver en este asunto.
A nivel macroscópico el efecto anisotrópico de la estructura también afecta a determinadas propiedades medibles como, por ejemplo, la velocidad de propagación de la luz polarizada a través de la fibra. Como se observa en la figura 4, si hacemos pasar luz polarizada a través de la lana bajo polarizadores cruzados, los cambios en la velocidad de la luz (índice de refracción, n) dan lugar a diferentes efectos ópticos.
Figura 4. Fibra de lana por microscopía de polarizadores cruzados en dos ángulos (90o arriba y 70o abajo). Si hacemos pasar luz polarizada a través de la fibra bajo polarizadores cruzados los cambios en la velocidad de propagación de la luz (índice de refracción, n) se reflejan en fenómenos ópticos (interferencias) debidos a la birrefringencia o doble refracción. La lana tiene un índice de refracción en dirección longitudinal (dirección de alargamiento) de aproximadamente 1,56 algo mayor que el transversal (1,55), por tanto, de signo de elongación positivo; su birrefringencia es de alrededor de 0,01. Fotos de Textile Fabric Consultants, Inc. en http://www.microlabgallery.com.
Estos efectos ópticos son consecuencia de los cambios de la dirección de la luz refractada e indican que las moléculas están conformadas en planos ordenados, y estas familias de planos están orientados en distintas direcciones. Factores como la longitud de onda incidente, la temperatura, la presión o la concentración de los componentes influyen de forma importante en estas propiedades ópticas (Hernanz, A. et al., 2003).
La lana presenta esta anisotropía en distintas propiedades, la absorción de moléculas es otra de ellas. El agua, por ejemplo, puede ser absorbida por la lana en grandes cantidades y de forma muy rápida; esta absorción, además de hacer que su peso aumente, hace que la fibra se expanda longitudinalmente (2%) y transversalmente, tanto que su diámetro puede hincharse hasta más de un 15% en condiciones ambientales muy húmedas (Cruz et al., 2016).
El agua hace que las propiedades mecánicas de la lana varíen en comparación con las mismas fibras secas. Si recordamos que la lana se compone de proteínas, y que estas son largas cadenas de aminoácidos, podemos tener una idea de cuáles serán los sitios de unión del agua a las fibras de lana; desde los enlaces peptídicos hasta los residuos aminoacídicos cargados o polares pueden ser buenos aceptores de estas moléculas. La propia estructura de la lana se compone de pequeñas microfibrillas de proteínas de queratina o KRT (del inglés Keratin) incrustadas en una matriz, también proteica, que a su vez forman macrofibrillas, unos filamentos de aproximadamente 200 nm dentro de las propias células que componen la lana (Popescu y Höcker, 2007). Esta matriz, sin embargo, está compuesta de proteínas no tan ordenadas, las denominadas proteínas asociadas a queratina (KAP, Keratin Associated Proteins) cuyos componentes no permiten estructuras tan ordenadas como las de las KRT (hélices-α superenrolladas) y absorben la humedad en el interior de sus huecos más hidrofílicos, aumentando el diámetro de la fibra, hinchando la lana en la dirección ecuatorial más que en la dirección longitudinal, y distorsionando la estructura interna de la fibra (Cruz et al., 2016). En la figura 5 se muestra esquemáticamente la estructura de la lana y los distintos lugares de unión de las moléculas de agua (W).
Figura 5. Diagramas esquemáticos de la interacción del agua propuesta para las macrofibrillas: En (I) el agua actúa como puente en los enlaces cruzados y en el hinchamiento, de forma que aumenta la distancia entre las proteínas de la matriz; En (II) el agua puede colarse en los enlaces de hidrógeno de las cadenas de proteínas de la matriz (KAP) o en las queratinas filamentosas con estructura helicoidal (KRT); En (III) el agua se introduce en la matriz, formando redes tridimensionales de proteína-agua (Wang et al., 2016)
El agua puede enlazarse entre las cadenas y actuar como un agente de hinchamiento, reducir el entrecuzamiento y el espaciado entre las cadenas (Fig. 5-I); puede introducirse en los enlaces de hidrógeno de la estructura secundaria que estabiliza la molécula dando holgura o aumentando la movilidad de las proteínas (Fig. 5-II, a); o puede formar una red tridimensional de moléculas de agua, que funciona como plastificante, reduciendo la rigidez y aumentando la movilidad de la estructura molecular de la matriz (fig. 5-III). En algunos estudios sobre componentes de filamentos de queratina sin presencia de matriz, se observa que estos filamentos son también sensibles a la humedad(Fig. 5-II, b), aumentando la capacidad de absorción en comparación con estas mismas estructuras insertadas en la matriz (Wang et al., 2016).
El gráfico 1 corresponde a las propiedades mecánicas de las fibras de lana cuando se han sometido a distintos porcentajes de absorción de humedad relativa (RH). Estas gráficas muestran cómo varía su elasticidad, el módulo de Young, el límite elástico, la zona plástica o el punto de rotura.
Gráfico 1. Curvas de tensión- deformación para la lana merina con la misma microestructura inicial en función de la humedad absorbida (Wang et al., 2016).
La importancia del medio en relación al comportamiento estructural de las proteínas es esencial; y recíprocamente, la estructura de la proteína resulta esencial tanto en su comportamiento de adsorción, como en su comportamiento elástico, plástico o resistencia, y en sus propiedades en general.
Como se puede observar en este gráfico 2, las propiedades mecánicas de los productos de queratina dependen tanto de las microestructuras que presentan sus componentes, diferentes en los casos de la lana, cabello, plumas, uñas, escamas, barbas o picos, como de las condiciones ambientales a las que están expuestas.
Gráfico 2. Curvas de tensión-deformación para distintos productos de queratina con distintas microestructuras según la humedad absorbida (Wang et al., 2016). Fotos de CONFELAC, Muy interesante y National Geographic.
La anisotropía de la lana es de gran interés, como hemos visto, en la absorción de moléculas, en las propiedades mecánicas, así como en las superficiales, térmicas o eléctricas, pero también lo es en la propagación de éstas.
Figura 6. Izquierda: Rotura producida por la fisura perpendicular al eje de la cuerda y su propagación. Derecha: Estructura interna de una cuerda de escalada. (Fotografías tomadas Wikipedia, de David J. Fred).
La anisotropía de la lana aumenta la propagación de las fisuras en la dirección de la tensión. Si por fricción una cuerda se rompe perpendicularmente a la dirección de la tensión aplicada, la rotura de la fibra es inminente, debido a la desestabilización de las fuerzas que la mantienen unida.
Por esta razón, las cuerdas más resistentes, se componen de trenzas de fibras orientadas en varias direcciones, de forma que la rotura, o la tensión que la produce, pueda frenarse con el impacto contra una pared oblicua a ella, como puede ser una fibra en otra dirección.
El manejo de microestructuras proteínicas dispuestas estratégicamente y la estabilidad de sus componentes conformando estas microestructuras es la clave para la mejora de estas propiedades. Así, el estudio de las propiedades estructurales de la lana es un gran campo abierto que trata de comprender tanto las estructuras polipeptídicas en sí mismas como las condiciones ambientales que mejoran estas nano, micro y macroestructuras de las fibras.
BIBLIOGRAFÍA
Cruz, C. F., Costa, C., Gomes, A. C., Matamá, T., y Cavaco-Paulo, A. (2016). Human Hair and the Impact of Cosmetic Procedures: A Review on Cleansing and Shape-Modulating Cosmetics. Cosmetics, 3(3), 26. https://doi.org/10.3390/cosmetics3030026
Hernanz Gismero, Antonio, Izquierdo Sañudo, María Cruz, Navarro Delgado, Raquel, Peral Fernández, Fernando, Senent Pérez, Salvador, y Troitiño Núñez, María Dolores. (2003). Técnicas instrumentales fisicoquímicas (UNED). Madrid.
Popescu, C., y Höcker, H. (2007). Hair: the most sophisticated biological composite material. Chemical Society Reviews, 36(8), 1282-1291. https://doi.org/10.1039/b604537p
Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., y Meyers, M. A. (2016). Keratin: Structure, mechanical properties, occurrence in biological organisms, and efforts at bioinspiration. Progress in Materials Science, 76, 229–318. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2015.06.001
AGRADECIMIENTOS
El proyecto (REF E/1/18) que ha dado lugar a este trabajo ha recibido el apoyo de la Fundación “la Caixa” (ID 1000010434), Fundación Caja Navarra y UNED Pamplona, según el acuerdo LCF/PR/PR15/51100007”. Asimismo, agradezco a la profesora Dra. Mercedes de la Fuente Rubio del departamento de C.C. y T.T. Fisicoquímicas de la UNED por la ayuda y guía en el mismo.
Este artículo se publicó en Triplenlace.com, el 10 de abril de 2019. Triplenlace.com es un sitio dedicado a la enseñanza y la divulgación de la Química. Lo edita Jose María Gavira Vallejo, profesor de la Universidad Nacional de Educación a Distancia, de España.
Katharine Schenectady-en (New Yorken) jaio zen 1898ko urtarrilaren 10ean. Zientziari bizia eman zion txikitatik eta General Electrik-en lanean 20 urterekin sartu zen Irving Langmuir-ekin. Fisikan graduatu eta hurrengo urtean, 1918an, Kimikako lizentziatura lortu zuen Chicagon. Karbonoaren adsorzio-propietateen inguruan ikertu zuen.
1924an, Cavendish laborategietan onartu zuten doktoregoa Sir Ernest Rutherford-ekin egiteko. Cambridge Unibertsitateko Fisikan doktore lehenengo emakumea izan zen 1926an. (Bitartean, Charlotte Scott matematikaria ere izan zuen maisu.)
Gas-maskarak ikertzen hasi zen. I. Mundu Gerran praktikoak ziren teknologiak hobetzeko gaiak ziren punta-puntakoak, gas toxikoak saihestekoak, esaterako. Karbono aktibatuen propietateak eta material horretaz eginiko gainazalek molekula toxiko gehienak harrapatzea ikaragarria zen… (adsorzioa).
<<Adsortzioa: Solido baten gainazalean gas edo likido baten molekulak erreakzio kimikorik gertatu gabe atxikirik gelditzea. Adsortzioa nahaste edo disoluzio bateko gaiak (gasak zein likidoak) bereizteko erabiltzen da. Eskuarki, adsortzio terminoa atxikitze-fenomeno fisiko hutsa adierazteko erabili ohi da. Dena dela, zenbaitek adsortzio fisikoa (fisisortzioa) eta kimikoa (kimisortzioa) bereizten dituzte>>
ElHuyar Zientzia eta Teknologia hiztegitik hartua
Blodgett-i 1933an, olio geruza finak gainazaletan neurtzeko metodo berri bat otu zitzaion, geruza lodiera haren kolorea erabiliz neurtzea. Prezisio handiz egitea lortu zuen, gainera.
Ur, metal edo beira gainazalean zabaltzeko diseinatutako estaldura molekularrak ziren. Estaldura berezi horiek nanometro gutxi batzuetako lodierako geruza pilatuak eratu zitzaketen. (1 nm = 0,000 001 mm) Polita, eh!
Molekula hauek –surfaktantederitzotenak- bi zaletasun dituzte (“anfifilikoak” dira): molekularen alde batek ur zaletasuna dauka ezaugarri (“hidrofilikoa” da), eta besteak, aldiz, uretatik alde egiteko joera (“hidrofoboak”).
[[Egunotan ikusi dugu COVID-19 -aren geruza lipidikoan izango lukeen xaboiaren efektua, xaboi molekula anfifilikoak eta gainazal-tentsioan gertatzen diren aldaketen eraginaz, bideoan ikusten da. Xaboiak uraren gainazal-tentsioa apurtu eta, hortaz, gainazaleko partikulek hondora edo ertzeetara alde egiten dute.]]
Beste mota bateko gainazalak ere badaude (konposizioaren arabera): hosto hauena, adibidez, oso “hidrofoboa” da. Ur molekulek barne indarrak sendotu eta gainazal hidrofobotik urruntzen saiatzen dira, ttantta borobilak eta egonkorrak eratuz grabitatearen kontra.
(Gogoratu txikitan termometroa lurrera erori eta nola jolasten ginen merkuriozko ttantta haiekin…?)
[Sam Kean-en La cuchara menguante (Ariel, 2011)-tik hartuta]
Molekula “anfifilikoz” osatutako geruza
Molekula “anfifilikoz” osatutako geruza, beirazko xafla tartean sartzean, itsasi eta geruza monomolekularrak sortuko dira materialaren gainean. Berriz sartuz gero, bi geruza (bi)molekular lortuko ditugu, …
(Wikipediatik hartuta eta moldatuta)
Hogeiren bat aldiz egitea nahikoa da kolore-interferentziak lortzeko, eta horien bidez geruzaren lodiera neurtzeko. Metodo hori erabili zuten Langmuir-ek eta Blodgett-ek, edo Blodgett-ek eta Langmuir-ek, oso emaitza onak lortuz.
Horrela, Blodgett-ek nahi zuen neurrietako geruza finak sor zitzakeen beira baten gainean.
Nola egin zuen?
Beira normalak argi zati esanguratsu bat islatzen du, uhinak fase berdinean daudenean, batu egiten dira, baina, desfasean, fase ezberdinean daudenean, behera egiten dute.
Love this @Perimeter idea for relating light double slit interference patterns to constructive and destructive interference for waves. Simple, clear, and concrete. #iteachphysicspic.twitter.com/6XhXli0MXy
Horrela, material zehatz horietan, espektro ikuskorraren uhinak baliogabetzen zituen geruzaren lodiera kalkulatu zuen: bario estearatozko 44 molekulako film gardena.
“Kristal ikusezina” beira arrunt bat zen, film garden batez estalia, beiraren islapena neutralizatzen zutenak, dagozkien argi-uhinen maximo eta minimoak elkarren aurkakoak, elkar ezeztatzen zuten. Hortaz, kristalezko argia ia islarik igorri gabe, ia ikusezin bihurtzen zen.
Metodo hau patente batekin erregistratu zuen 1938ko martxoan, «Film Structure and Method of Preparation» izenarekin; Blodgetten asmakizunik ezagunena izan daiteke lente ez-islatzailea edo ikusezina, urte askoan beira gardenak egiteko metodoa izan dena.
Egun, Katherine Bur Blodgett nanoteknologiaren aitzindaria dela esan genezake (nanoteknologia, 1-100 nm bitarteko tamainako teknologia da); teknologia txikietan aplikatzeko lehenengo urratsak eman zituen emakumea.
Biomaterialen inguruan, nanokristaletan, eta funtzio ezberdinetako estruktura berriak dituzten materialak ikertzeko eta sortzeko fenomeno gakoak ikasi zituen.
Horrela, Zientzian eta Gizartean eragina izan zuen zientzialari mediatikoak emakume askori gehiagori ere ateak zabaldu zizkion, General Elektric-en barnean eta kanpoan.
Katherine Bur Blodgett, Langmuirrekin geruza molekularrak ikertu zuen emakumearen eta zientzialari aitzindariaren bizitzari buruz gehiago jakiteko erreferentziak:
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