Química

Pese a que mucha gente suele pensar que la química está relacionada sólo con pruebas de laboratorios, aditivos para comidas, sustancias peligrosas, etc., la verdad es que esta ciencia se halla prácticamente en todo aquello que nos rodea. De acuerdo con la American Chemical Society[1], la química se relaciona con todo lo que uno puede oír, ver, tocar u oler; de modo que todas las personas, aun sin ser químicas de profesión, han hecho química alguna vez en sus vidas, ya sea cocinando, usando detergentes de limpieza, ingiriendo algún medicamento o simplemente preparando un jugo. Uno podría decir que sin los avances en este campo el estilo de vida de los seres humanos todavía sería bastante primitivo, dado que no existirían automóviles, electricidad, computadoras, discos compactos y un sinfín de artefactos que hacen más sencilla la existencia.

De aquí que la química sea considerada, en esencia, como el estudio de la materia –que es todo aquello que tiene masa y volumen– y los cambios que tienen lugar en ella bajo determinadas condiciones, y que sus conocimientos sean indispensables para los estudios de biología, física, geología, ecología y otras tantas disciplinas. Y aunque, a partir de su definición misma, puede decirse que es casi tan antigua como la primera civilización humana, o incluso más, sus pilares modernos se remontan apenas al siglo XIX, cuando los científicos comenzaron deliberadamente a separar las sustancias en sus componentes y, de esa forma, a explicar las características químicas y físicas de éstas de mejor manera. Hoy se trata de una ciencia harto refinada en la que, gracias al desarrollo de la tecnología, se estudia básicamente lo que es inapreciable a simple vista, como los átomos o moléculas, unidades fundamentales de la materia.

La importancia de la química puede advertirse ya en el hecho de que, en el campo de la medicina, la terapia génica, que consiste en la inserción de un gen sano específico en las células de un paciente para curar o menguar los efectos de enfermedades como cáncer, sida, artritis, fibrosis quísticas, hemofilia, entre otras, requiere que el médico tenga sólidos conocimientos de las propiedades químicas de los componentes moleculares implicados. La decodificación misma del genoma humano, que comprende el material genético completo de nuestro organismo y constituye una función esencial de la terapia génica, se basa en técnicas químicas.

En general es posible afirmar que la química ha sido la piedra angular de los grandes logros de la medicina, dado que con ella fue posible desarrollar las anestesias, que permitiría que los médicos fueran capaces de realizar cirugías para curar enfermedades posiblemente mortales, y las vacunas y los antibióticos, que hicieron factible la prevención de enfermedades provocadas por microorganismos. Los químicos de la industria farmacéutica, hoy, se dedican a investigar y a encontrar sustancias químicas que, produciendo pocos o nada de efectos adversos, puedan curar diversas afecciones.

En el estudio de la energía, tan importante para el desarrollo de la civilización y la tecnología, la química cumple un rol sustancial en tanto abre la puerta a la investigación de nuevas fuentes que, al ser menos dañinas para el medio ambiente y más duraderas, puedan sustituir a las convencionales, que consisten en combustibles fósiles y cuyas reservas estimadas, al paso en que vamos, no resistirán más allá de 50 o 100 años. Entre las más prometedoras se encuentran la energía solar, que puede ser aprovechada efectivamente a través de su conversión directa en electricidad mediante el uso de celdas fotovoltaicas, o para producir hidrógeno que alimentará a una celda combustible para generar electricidad, y la energía producto de la fusión nuclear.

Materiales como los polímeros, que incluyen el caucho y el nylon; la cerámica, utilizada en utensilios de cocina; los cristales líquidos de las pantallas electrónicas; los adhesivos empleados en notas adherentes; y los recubrimientos, como las pinturas de látex; que han brindado una profunda mejora a la calidad de vida de los seres humanos, en muchos aspectos, fueron posibles gracias al estudio de la química. Asimismo, esta ciencia juega un rol trascendental en otros materiales que prometen dar paso a nuevas revoluciones tecnológicas, como los superconductores eléctricos, o que ya la han producido, como es el caso de los microprocesadores de silicio.

Finalmente, gracias a la química ha sido posible mejorar la actividad agrícola mundial mediante la creación de fertilizantes y plaguicidas que ayudan a maximizar la productividad de los cultivos. Sustancias que a su vez se hallan en constante proceso de revisión para disminuir las consecuencias perjudiciales que puedan traer al agua, al suelo o a otras plantas.

Pese a lo especializado de su vocabulario y lo aparentemente difícil de éste, la química es una disciplina bastante comprensible para cualquier persona. Por otro lado, suele alternar entre el mundo macroscópico, visible para el ojo humano, y el microscópico, invisible para éste. En general las investigaciones aquí provienen de la observación de fenómenos a gran escala, y se explican, luego de emplear el método científico, a partir de consideraciones propias del mundo microscópico de moléculas y átomos.

La materia y su clasificación

La materia, que como se expuso antes, es todo aquello que ocupa un espacio y tiene masa, incluye a su vez tanto lo que podemos ver y tocar como eso que nos resulta invisible. Desde un punto de vista químico, en base a su composición y propiedades, ésta puede clasificarse, en un principio, en sustancia o mezcla. Caracterizándose, en el primer caso, por tener una composición definida o constante que no varía bajo diversas condiciones físicas, y unas propiedades distintivas. Así, el agua, el amoniaco, el azúcar de mesa, el oro y el oxígeno son sustancias, que a su vez se pueden identificar a partir de su color, aspecto, sabor u otro.

La mezcla, por su parte, consiste en una combinación de dos o más sustancias, en la que cada una de éstas mantiene sus propiedades, y cuyos estados individuales sí pueden variar en determinadas condiciones. Aquí los ejemplos son el aire, las bebidas gaseosas, la leche y el cemento. Las mezclas no cuentan con una composición determinada, de modo que una muestra de aire en Santiago de Chile puede diferir de otra en Londres, en especial a partir de condiciones como la altitud o la contaminación atmosférica.

Las mezclas asimismo pueden ser homogéneas, cuando tienen composición uniforme, o heterogéneas, cuando las sustancias permanecen separadas. En el primer caso se observa una sola fase en toda la mezcla, las partículas se distribuyen de manera uniforme y las sustancias que la integran no pueden reconocerse a simple vista; vinagre, agua de lluvia o un jugo de limón son ejemplos de éste. En el segundo, las partículas de las sustancias pueden identificarse con relativa facilidad y, por supuesto, no están distribuidas uniformemente; como sucede en una pizza o en el agua de mar.

Todas las mezclas, homogéneas o heterogéneas, pueden formarse y ser separadas más tarde por medios físicos en las sustancias que las componían, sin que éstas vean su identidad afectada. Así, el azúcar, por poner un ejemplo, podría recuperarse del agua donde fue mezclada mediante el calentamiento y evaporación de esta última. Comúnmente es más sencillo separar las sustancias de mezclas heterogéneas que las de homogéneas.

Elementos y compuestos

Volviendo a las sustancias, éstas adicionalmente pueden consistir en elementos, cuando no se pueden separar en otras más sencillas a través de medios químicos, o compuestos, en esos casos donde la referida separación es posible.

Los elementos son las sustancias químicas más simples, dado que constan de un solo tipo de átomo. No se pueden dividir en unidades más pequeñas sin la aplicación de enormes cantidades de energías. En función de sus propiedades, pueden clasificarse en metales, metaloides y no metales: los primeros normalmente son buenos conductores de electricidad, maleables, brillantes y en ocasiones magnéticos; los últimos son típicamente no conductores, no maleables, no magnéticos y opacos; y los metaloides tienen características tanto de los metales como de los no metales. Hasta la fecha se tiene constancia de la existencia de 118 elementos, la mayoría de los cuales se halla en la tierra de forma natural. Los otros se han obtenido a través de procesos nucleares. Los elementos son representados mediante símbolos de una o dos letras, siendo la primera mayúscula y la segunda minúscula, siempre. Dichos símbolos suelen derivarse del nombre en latín del elemento, y en muchos casos guardan correspondencia con el nombre en inglés.

Los compuestos, por su lado, consisten en elementos combinados químicamente –esto es, con sus átomos unidos mediante enlaces químicos–, y en general son más frecuentes que los elementos. Las muestras puras de elementos aislados, de hecho, son poco comunes en la naturaleza, la mayoría se une con otros para formar compuestos, y entre los ejemplos más reconocibles de estos últimos tenemos la sal de mesa, compuesta por sodio y cloro, y el agua, compuesta por oxígeno e hidrógeno.

Los compuestos poseen una estructura única y definida, con una proporción fija de átomos que permanecen juntos en una disposición espacial determinada. Según sus enlaces, pueden ser: 1) compuestos moleculares, formados por enlaces covalentes; 2) sales, formadas por enlaces iónicos; 3) compuestos intermetálicos, formados por enlaces metálicos; 4) y complejos, formados por enlaces covalentes coordinados. Y a diferencia de las mezclas, su composición es igual bajo cualquier circunstancia y los elementos que los compones pueden separarse únicamente a través de procesos químicos.

Estados de la materia

En general, todas las sustancias pueden existir en tres estados distintos: sólido, líquido o gaseoso. El último difiere de los dos primeros en la distancia que media entre sus moléculas. En los sólidos, las moléculas permanecen juntas de forma ordenada, con poca libertad de movimiento. En los líquidos, las moléculas están cerca unas de otras, sin que se mantengan en una posición específica. En los gases, las moléculas se encuentran separadas entre sí por distancias grandes en comparación con el tamaño de las mismas.

Para pasar de un estado a otro es necesario agregar o sustraer energía a la materia. Por ejemplo, agregar energía térmica (calor) al agua líquida hará que ésta se convierta en vapor (un gas), y quitarle energía provocará que se transforme en hielo (sólido). Estos cambios también pueden derivar del movimiento y la presión.

Al aplicar calor a un sólido, sus partículas empiezan a vibrar y a intentar separarse. En un punto con determinados valores de temperatura y presión –el denominado punto de fusión–, este sólido empezará a derretirse para transformarse en líquido. Al quitarle calor a un líquido, sus partículas se ralentizan y empiezan a asentarse en un lugar dentro de la sustancia. Nuevamente, en un momento determinado, la sustancia alcanza una temperatura lo suficientemente fría a una cierta presión –lo que se conoce como el punto de congelación–, y el líquido se vuelve sólido.

Un sólido también puede convertirse en gas sin pasar por la fase líquida, proceso conocido como sublimación. Esto puede ocurrir cuando la temperatura de una muestra aumenta rápidamente más allá del punto de ebullición. El proceso durante el cual un líquido se convierte en un gas, finalmente, se denomina ebullición o vaporización.

Las partículas de un líquido siempre se encuentran en constante movimiento, lo que hace, junto con otras condiciones, que choquen muchas veces entre sí. Estas colisiones generan transferencias de energías, mismas que pueden causar que las partículas cercanas a la superficie sean expulsadas de la muestra como partículas de gas libre. Los líquidos se enfrían a medida que se evaporan debido a que las moléculas de la superficie que salen expulsadas se llevan la energía consigo.

Cuando un gas pierde energía y sus partículas tienden a juntarse –proceso conocido como condensación–, entonces éste se convierte en un líquido. A su vez, un gas puede pasar directamente a la fase sólida, ignorando la líquida, cosa que se conoce como deposición.

Propiedades de la materia

La identificación de la materia se lleva a cabo a partir de sus propiedades y composición. Las primeras pueden ser físicas, en tanto sea posible medirlas y observarlas sin la necesidad de modificar la composición de la sustancia –por ejemplo, el color, el peso, el punto de fusión o de ebullición–; o químicas, que precisan de un cambio en la composición de la materia para ser visibles. Dicho cambio provocará que la sustancia química original desaparezca y abra paso a un elemento o compuesto.

Por otra parte, todas las propiedades mensurables de la materia pertenecen a una de dos categorías adicionales: propiedades extensivas o propiedades intensivas. La diferencia entre ambas es que las extensivas dependen de la cantidad de materia con que se esté tratando, y las intensivas no. El peso de una materia, por ejemplo, será mucho mayor mientras más cantidad de ésta haya, lo que da cuenta de que el peso es una propiedad extensiva. La temperatura del agua en un balde, en cambio –suponiendo que no exista transferencia de calor entre éste y el entorno–, permanecerá constante aún si se extrae agua de él, o si se agrega más cantidad con la misma temperatura.