Autor: AHQ_admin

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¡Qué dolor de barriga!

Utilizando las reacciones ácido-base para nuestra salud

En mayor o menor medida, todas las actividades que realizamos de forma cotidiana requieren de un gasto de energía. Esta pérdida energética la debemos recuperar periódicamente con las comidas que realizamos a lo largo del día. Así, siguiendo estrictamente la primera ley de la termodinámica, transformamos la energía contenida en los nutrientes que ingerimos en energía útil para nuestro organismo, mediante la digestión.

Los jugos gástricos del estómago –que contienen ácido clorhídrico–, juegan un papel central en este proceso, ya que son los responsables de producir un medio de pH cercano a 1, necesario para romper las moléculas de los alimentos en unas más pequeñas y más fácilmente absorbibles. Pero a veces, este proceso de digerir los alimentos en un medio ácido causa malestares, o incluso problemas de salud. En estos casos, hay que neutralizar el ácido con una base como las sales de frutas. O bien reducir la concentración de ácido con una sustancia como el omeprazol.

Actualmente hay disponible un gran abanico de sustancias químicas útiles para contrarrestar la acidez gastrointestinal, mediante diferentes estrategias, y ayudarnos a poder disfrutar de una cena sin ardor de estómago. Por ejemplo, las sales de frutas contrarrestan la bajada repentina de pH por medio de su reacción química con los jugos gástricos. De esta manera, se palían de forma inmediata los efectos de un mal funcionamiento biológico. Por otra parte, el omeprazol es un compuesto químico que inhibe una proteína específica de las células epiteliales de las glándulas de la mucosa del estómago, reduciendo así la producción de los jugos gástricos.

EL POSIBLE MALESTAR CAUSADO EN LA DIGESTIÓN SE PUEDE PALIAR CON UNA BASE COMO LAS SALES DE FRUTAS
¿Dónde está la química?

Las sales de frutas son formulaciones químicas compuestas principalmente por carbonatos e hidrogenocarbonatos (comúnmente llamados bicarbonatos) de sodio o de calcio, que actúan directamente aumentando el pH del medio a través de una reacción ácido-base de neutralización. Por ejemplo, la sal más utilizada, el hidrogenocarbonato (o bicarbonato) de sodio, se combina con el ácido clorhídrico (ácido fuerte) presente en el estómago, según la reacción:

¿Qué conceptos lo explican?

La manera en que podemos definir los conceptos de ácido y base ha sido ampliamente debatida a lo largo del tiempo y aún hoy existen múltiples definiciones que permiten describir las propiedades de estas sustancias. Se puede considerar la capacidad que tiene una especie química de disociarse para dar hidrones o iones hidróxido en disolución acuosa (teoría de Arrhenius). O, atendiendo a las reacciones de neutralización, se podría considerar la tendencia de dar o aceptar hidrones como criterio para identificar los ácidos y las bases (teoría de Brønsted y Lowry o teoría del ácido-base conjugados). En cualquier caso, un ácido incrementa la concentración de hidrones en el medio de reacción y una base la reduce.

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Hábitos más sostenibles

El objetivo de los plásticos fácilmente degradables

Los plásticos son el eje de la innovación en la tecnología química. Desde los años 50 en adelante, empresas como BASF, Dow Chemical o DuPont han liderado esta revolución tecnológica, con polímeros como el polipropileno, el poliestireno o el policloruro de vinilo. En la actualidad, la investigación puntera lucha para conseguir plásticos biocompatibles y biodegradables para reducir el impacto ambiental de esta revolución.

La estructura polimérica del plástico tiene la ventaja de hacerlo muy duradero y resistente pero tiene el inconveniente de ser muy poco biodegradable. En los últimos 60 años se han tirado a la basura más de mil millones de toneladas de plástico que tardarán siglos en degradarse de forma natural. Últimamente, la investigación ha avanzado mucho en este aspecto y se han diseñado algunos plásticos biodegradables como los polilactida, los poliglicólicos o policaprolactona. Entre sus aplicaciones comerciales destacan suturas biodegradables, plástico base para impresoras 3D o bolsas para residuos urbanos.

LA INVESTIGACIÓN ACTUAL SE CENTRA EN CONSEGUIR PLÁSTICOS BIOCOMPATIBLES Y BIODEGRADABLES
¿Dónde está la química?

Los plásticos biodegradables son por lo general poliésteres, en los que los enlaces éster son hidrolizados en presencia de agua. La reacción rompe el enlace éster y descompone el plástico en sus monómeros fundamentales. La cinética de degradación del polímero se puede modelar ajustando las proporciones de los diferentes monómeros que componen el bioplástico. Algunas bacterias son capaces de acelerar esta degradación, sintetizando enzimas que favorecen la ruptura de los enlaces éster. En degradar el poliéster, la bacteria es capaz, literalmente, de alimentarse de los monómeros. Se trataría de un proceso similar al de comernos un bistec, cortándolo en trocitos más pequeños: el bistec sería el bioplástico, el cuchillo la enzima, los pequeños trozos de carne los monómeros y nosotros la bacteria.

Estructura del PLA (un bioplástico)
¿Qué conceptos lo explican?

Está claro que los polímeros conforman una parte importante de la sociedad actual tal como la conocemos. También es cierto que la utilización de materiales plásticos ha provocado efectos ambientales nocivos y que necesitamos buscar polímeros más adecuados para el medio ambiente. La biodegradabilidad de un polímero depende de lo fácil que sea romper los enlaces que se han formado entre sus monómeros. Y esto depende de los grupos funcionales que aparecen en estas moléculas. Los enlaces éster permiten obtener una solidez adecuada a la vez que la facilidad de degradación necesaria en condiciones ambientales.

Vista microscópica de la composición del plástico biodegradable Ecovio® FS Papel de BASF
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Bolsas de vida: los airbags

Cuatro cálculos de química para que todo funcione

Desde mediados de los años 70 del siglo pasado, los airbag forman parte actualmente del equipamiento estándar de cualquier turismo. Pero, por ejemplo, esta tecnología también se ha incorporado en motocicletas, en equipamientos deportivos como ropa de esquí, y ha formado parte de la actual investigación en Marte.

¿Cómo funcionan? Cuando un vehículo sufre un accidente de tráfico, el impacto provoca un cambio repentino de la velocidad del vehículo. Los ocupantes, pero, mantienen inicialmente su velocidad y, por ello, salen empujados en la dirección del choque hasta que algo pueda pararlos. El momento del impacto se detecta a través de varios sensores y un sistema electrónico evalúa qué airbags debe inflar. Se activan los componentes correspondientes, se genera gas y la bolsa se infla. Sólo han pasado unos milisegundos desde el choque y ya tenemos el cojín listo para amortiguar el impacto.

LOS AIRBAGS SE USAN TAMBIÉN EN MOTOCICLETAS, EQUIPAMIENTOS DEPORTIVOS O, INCLUSO, EN LA INVESTIGACIÓN ESPACIAL
Los airbags también sirvieron para el descenso suave de la sonda Mars Pathfinder. Imagen cortesía de NASA.
¿Dónde está la química?

Fijémonos en que se debe generar una cantidad determinada de gas muy deprisa y de forma controlada. La respuesta la encontramos en la azida de sodio (NaN3), un compuesto estable, pero que cuando se calienta a unos 550 kelvins (unos 277 grados centígrados), se descompone violentamente y libera dinitrógeno, el gas que infla el airbag.

Pero la química no se acaba aquí. Esta reacción produce sodio metálico, una sustancia muy reactiva e inestable. Por ello, los airbags incorporan otros compuestos como el nitrato de potasio y el dióxido de silicio. El nitrato de potasio reacciona con el sodio para acabar formando una mezcla de óxidos alcalinos. Por último, estos se combinan con el dióxido de silicio para constituir una mezcla de silicatos alcalinos de sodio y potasio, un producto estable e inerte.

Descomposición de la azida de sodio
Test de funcionamiento del airbag
¿Qué conceptos lo explican?

Como ya hemos visto, la base son unas reacciones químicas, fenómenos en los que se generan especies químicas diferentes de las de partida, que permiten explicar, primero, la formación de un gas y, después, la formación de una mezcla estable de óxidos. Pero no es suficiente saber qué pasa, sino que, para poder controlar el fenómeno, hay que poder estimar las cantidades de reactivos necesarias para que todo funcione. Las leyes de los gases y los cálculos estequiométricos son la clave para poder diseñar con éxito estos dispositivos y muchos otros. Para esto sirve la química, para entender y para calcular.

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Duro y resistente

Enlace químico y geometría para salvar vidas

Uno de los materiales más resistentes que se conocen es el Kevlar®. Fue descubierto de forma casual por la química norteamericana Stephanie Kwolek a finales de los años 60 y sus propiedades fundamentales son la elevada dureza, la resistencia a la temperatura y su baja densidad.

Si queremos un material muy duro, resistente a la penetración o al corte, y muy ligero, el Kevlar® suele formar parte de la solución. Un grandísimo número de aplicaciones aprovechan esta combinación de características: el Kevlar® 29 se emplea fundamentalmente en cascos y chalecos protectores; el Kevlar® 49 se utiliza para coser velas de barco, para fabricar kayaks, partes de avión, turbinas o cables y otras aplicaciones donde se requiere una mayor flexibilidad. Asimismo, combinado con otros compuestos como la fibra de carbono, permite producir materiales con diferentes propiedades y usos.

LAS PROPIEDADES FUNDAMENTALES DEL KEVLAR® SON DUREZA, RESISTENCIA A LA TEMPERATURA Y LIGEREZA
¿Dónde está la química?

El Kevlar®, o poli(imino-1,4-fenileniminocarbonil-1,4-fenilcarbonil), es un copolímero de p-diaminobenceno y dicloruro de tereftaloilo. Una vez sintetizado el polímero, los cristales se separan y al producto se le da forma de fibras gracias a una extrusora de tipo spinneret, que emplea la misma estrategia que utilizan las arañas para tejer las fibras de las telarañas.

Este material se usa para fabricar kayaks, partes de avión o elementos de seguridad como cascos de motocicletas, entre otros
¿Qué conceptos lo explican?

La clave de la resistencia del Kevlar® recae sobre todo en la estructura tridimensional del polímero. Los enlaces intra- e intermoleculares se dan en tres niveles y están en la base de las excepcionales propiedades del Kevlar®. Los electrones que forman los enlaces covalentes de la estructura polimérica están fuertemente deslocalizados y dan lugar a una estructura resonante totalmente plana y esencialmente lineal. Además, las cadenas contiguas en el plano se unen a través de enlaces de hidrógeno. En la tercera dimensión, entre las capas del polímero, son las fuerzas de Van der Waals las que contribuyen a compactar el material.

LA CLAVE DE LA ALTA RESISTENCIA DEL KEVLAR® RECAE EN SU COMPOSICIÓN QUÍMICA Y SOBRE TODO EN LA ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DEL POLÍMERO 9
Estructura plana del Kevlar®
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Los dispositivos móviles del futuro

El enlace químico, determinante de las propiedades

¿Qué relación tienen el modelo atómico y los nuevos smartphones? La capacidad de producir pantallas cada vez más finas y flexibles ha sido posible gracias a la utilización de nuevos materiales que emiten luz de diferentes longitudes de onda (azul, rojo, amarillo o verde) cuando se les aplica corriente eléctrica. Esta nueva tecnología se conoce como OLED (Organic Light-Emitting Diodes) y se basa en el uso de materiales poliméricos flexibles que permiten conducir la electricidad, y compuestos orgánicos que permiten la emisión de luz para generar las imágenes.

Un ejemplo de los polímeros utilizados es el grafeno. Este material, flexible y transparente, está formado por anillos de benceno fusionados dispuestos como una colmena de abejas. De esta manera, los electrones de los átomos de carbono se pueden deslocalizar por toda la superficie polimérica y conducir la electricidad por toda la estructura. Además de tener un soporte flexible, es necesario que la corriente active los píxeles de la pantalla y se genere luz para formar las diferentes imágenes. Esta luminiscencia se consigue por medio de los diodos OLED.

Diagrama de cómo trabaja la tecnología OLED
¿Dónde está la química?

Algunos compuestos orgánicos constituyen una excelente solución: no son estructuras rígidas y se pueden depositar sobre casi cualquier superficie sin perder sus propiedades.

Cuando se aplica una corriente eléctrica sobre estos compuestos, permiten el paso de la corriente. En este proceso se libera uno de sus electrones del orbital ocupado de mayor energía (HOMO) y se recupera un electrón en el orbital no ocupado de menor energía (LUMO). Antes de que el compuesto pueda repetir este proceso, el electrón del LUMO pasa a la posición vacía del HOMO. La energía que pierde el electrón es emitida en forma de luz de una longitud de onda determinada, dando color a la imagen.

LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS QUE SE USAN PARA ESTA TECNOLOGÍA PUEDEN DEPOSITARSE SOBRE CASI CUALQUIER SUPERFICIE
Conducción eléctrica de un compuesto orgánico
¿Qué conceptos lo explican?

Los diferentes modelos atómicos han permitido describir la naturaleza atómica de la materia. El modelo atómico de Schrödinger considera que el núcleo de los átomos se encuentra rodeado por una nube electrónica. Dentro de este, los orbitales nos muestran la zona del espacio con mayor probabilidad de encontrar los electrones.

Esta misma idea se desarrolla también cuando hablamos de compuestos. En este caso, los orbitales moleculares permiten describir las regiones con mayor probabilidad de encontrar los electrones e interpretar las interacciones, entre la luz y la materia, que se producen.

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Cremas para protegernos del sol

Interacción luz-materia al servicio de la salud

Sabemos que la exposición moderada y controlada a la radiación ultravioleta (UV) es beneficiosa. Por ejemplo, la radiación UV es necesaria para la síntesis de la vitamina D3 y su acción terapéutica se utiliza en afecciones cutáneas como la psoriasis, la dermatitis o el acné. Al mismo tiempo, un exceso de exposición al sol puede causar agresiones que van desde las típicas quemaduras estivales hasta el fotoenvejecimiento de la piel o efectos mutagénicos relacionados con el cáncer de piel o con la pérdida de respuesta inmune celular.

Por este motivo, a partir de los años 20 del siglo pasado surgieron en el mercado los fotoprotectores solares: preparados farmacéuticos de aplicación tópica capaces de reflejar, absorber o dispersar la radiación UV y disminuir de esta manera sus efectos negativos sobre la piel. Los fotoprotectores se basan en compuestos llamados filtros químicos que tienen en común la capacidad de absorber la radiación en una determinada región del UV.

LOS FILTROS SOLARES SON CAPACES DE REFLEJAR, ABSORBER O DISPERSAR LA RADIACIÓN UV
¿Dónde está la química?

El mecanismo de protección consiste en la “desactivación” de la radiación UV energética y potencialmente peligrosa mediante el uso de filtros químicos. Cuando estos compuestos absorben la radiación, la energía es transformada en calor inocuo bien directamente o bien participando en una reacción fotoquímica (mediada por luz), rápida y reversible de tautomerización, un tipo de isomerización (reordenación interna de los átomos de una molécula). Este es el caso del Uvinul® A Plus (2-(4-(dietilamino)-2-hidroxibenzoil)benzoato de hexil), un filtro químico orgánico de BASF que se puede encontrar en cremas solares comerciales.

Existe una clara relación entre la estructura química del filtro solar y su capacidad de absorción de la radiación UV. Con pequeños cambios en la estructura química se consigue adaptar y optimizar la región de máxima absorción del fotoprotector, es decir, seleccionar el tipo de radiación en que queremos que la protección sea más eficiente.

Estructura y tautomerización de un filtro químico
¿Qué conceptos lo explican?

Lo más importante es reconocer la interacción de la luz solar con la materia en general y con los compuestos químicos en particular. Los filtros químicos de los protectores solares absorben la luz UV de forma que la energía absorbida retorna térmicamente y proporciona reacciones de isomerización. Es decir, las moléculas iniciales se transforman en otras con la misma fórmula molecular (el mismo número y tipo de átomos), pero con diferentes estructuras y propiedades que protegen nuestra piel.