Química, universo, Tierra y vida

Q U Í M I C A

Química, universo,Tierra y vida

A L F O N S O R O M O D E V I V A R

G U I L L E R M O D E L G A D O

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C I E N C I AP A R A

T O D O S

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QUÍMICA, UNIVERSO, TIERRA Y VIDA



La Ciencia

para Todos

Desde el nacimiento de la colección de divulgación científica del

Fondo de Cultura Económica en 1986, ésta ha mantenido un ritmo

siempre ascendente que ha superado las aspiraciones de las personas

e instituciones que la hicieron posible. Los científicos siempre han

aportado material, con lo que han sumado a su trabajo la incursión

en un campo nuevo: escribir de modo que los temas más complejos y

casi inaccesibles pue dan ser entendidos por los estudiantes y los lec-

tores sin formación científica.

A los diez años de este fructífero trabajo se dio un paso adelante,

que consistió en abrir la colección a los creadores de la ciencia que se

piensa y crea en todos los ámbitos de la lengua española —y ahora

también del portugués—, razón por la cual tomó el nombre de La

Ciencia para Todos.

Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, a través del mar océano, a la

península ibérica, está en marcha un ejército integrado por un vasto

número de investigadores, científicos y técnicos, que extienden sus

actividades por todos los campos de la ciencia moderna, la cual se

encuentra en plena revolución y continuamente va cambiando nues-

tra forma de pensar y observar cuanto nos rodea.

La internacionalización de La Ciencia para Todos no es sólo

en extensión sino en profundidad. Es necesario pensar una ciencia en

nues tros idiomas que, de acuerdo con nuestra tra dición humanista,

crezca sin olvidar al hombre, que es, en última ins tan cia, su fin. Y, en

consecuencia, su propósito principal es poner el pensamiento cientí-

fico en manos de nuestros jóvenes, quienes, al llegar su turno, crearán

una ciencia que, sin des de ñar a ninguna otra, lleve la impronta de

nuestros pueblos.



Comité de selección de obras

Dr. Antonio Alonso

Dr. Francisco Bolívar Zapata

Dr. Javier Bracho

Dr. Juan Luis Cifuentes

Dra. Rosalinda Contreras

Dra. Julieta Fierro

Dr. Jorge Flores Valdés

Dr. Juan Ramón de la Fuente

Dr. Leopoldo García-Colín Scherer

Dr. Adolfo Guzmán Arenas

Dr. Gonzalo Halfft er

Dr. Jaime Martuscelli

Dra. Isaura Meza

Dr. José Luis Morán López

Dr. Héctor Nava Jaimes

Dr. Manuel Peimbert

Dr. José Antonio de la Peña

Dr. Ruy Pérez Tamayo

Dr. Julio Rubio Oca

Dr. José Sarukhán

Dr. Guillermo Soberón

Dr. Elías Trabulse



Alfonso Romo de Vivar • Guillermo Delgado

QUÍMICA, UNIVERSO,TIERRA Y VIDA

laciencia/51

para todos



Primera edición (La Ciencia desde México), 1987

Segunda edición (La Ciencia para Todos), 1999

Tercera edición, 2003

Cuarta edición, 2011

Romo de Vivar, Alfonso, y Guillermo Delgado Química, universo, Tierra y vida / Alfonso Romo de Vivar, Guillermo Delgado. —

4ª ed. — México : FCE, Instituto de Química-UNAM, SEP, Conacyt, 2011.175 p. ; ilus. ; 21 × 14 cm — (Colec. La Ciencia para Todos ; 51) Texto para nivel medio y medio superior ISBN 978-607-16-0735-5

1. Química 2. Astronomía 3. Biología 4. Divulgación científi ca I. Delgado, Guillermo, coaut. II. Ser. III. t.

LC QD31 Dewey 508.2 C569 V.51

Distribución mundial

La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Secretaría de Educación Pública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.

Diseño de portada: Laura Esponda

D. R. © 2011, Universidad Nacional Autónoma de MéxicoInstituto de QuímicaCiudad Universitaria, 04510 México, D. F.

D. R. © 1987, Fondo de Cultura Económica

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Tel. (55) 5227-4672; fax (55) 5227-4640

Se prohíbe la reproducción total o parcial de esta obra, sea cual fuere

el medio, sin la anuencia por escrito del titular de los derechos.

ISBN 978-607-16-0735-5

Impreso en México • Printed in Mexico

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ÍNDICE

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

I. Átomos y moléculas en el universo . . . . . . . . . 19 Hidrógeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Helio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 La atmósfera primitiva de la Tierra . . . . . . . . 34 Componentes del cuerpo humano . . . . . . . . 36 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

II. El átomo de carbono, los hidrocarburos y otras mo-léculas orgánicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Isótopos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 El carbono en estado libre . . . . . . . . . . . . . 43 Compuestos del carbono . . . . . . . . . . . . . 47 Los cometas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Compuestos oxigenados del carbono . . . . . . . 60 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

III. La radiación solar y las reacciones fotoquímicas . . 73 Reacciones fotoquímicas . . . . . . . . . . . . . 77 Celdas fotovoltaicas . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Fotosíntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81



10

Formación de azúcares y otros compuestos or-gánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

IV. La energía de los compuestos orgánicos . . . . . . 87 La hemoglobina . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 El cerebro humano . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Descubrimiento del fuego . . . . . . . . . . . . . 94 Envejecimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

V. Usos mágicos y medicinales de las plantas . . . . . 99 Flora mexicana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Flora sudamericana . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Química de productos naturales . . . . . . . . . 106 Zoapatle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

VI. Fermentaciones y modifi caciones químicas . . . . 115 Pulque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Colonche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Tesgüino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Pozol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Fermentación alcohólica . . . . . . . . . . . . . 120 Fermentación láctica . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Otras fermentaciones . . . . . . . . . . . . . . . 121 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

VII. Jabones, saponinas y detergentes . . . . . . . . . . 125 Saponifi cación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Acción de las impurezas del agua sobre el jabón . . 127 Detergentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Saponinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134



11

VIII. Hormonas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Crecimiento y supervivencia de las plantas . . . . 135 Mensajeros químicos en insectos y plantas . . . . 141 Hormonas sexuales en los seres humanos . . . . 145 Esteroides con actividad anabólica . . . . . . . . 150 Hormonas humanas a partir de sustancias vegetales 152 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

IX. Guerras químicas, accidentes químicos . . . . . . 158 Guerra química en la naturaleza . . . . . . . . . 158 Uso de sustancias químicas para la guerra . . . . 161 Sustancias tóxicas en accidentes industriales . . . 172 Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

Abreviaturas de las publicaciones referidas . . . . . . . . . 175



Recuerda, hombre, que polvo eres y en polvo te con-

vertirás.



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INTRODUCCIÓN

Las reacciones químicas ocurren espontáneamente en el univer-so, produciendo en forma lenta sustancias sencillas. En nuestro planeta, las reacciones químicas también suceden espontánea-mente, pero de manera mucho más rápida y formando molécu-las más complicadas, debido sobre todo a la presencia de oxíge-no en el aire y en las aguas de mares, ríos y lagos.

Así, el hierro dejado a la intemperie se cubre de una capa de herrumbre causada por la oxidación espontánea; una reac-ción de oxidación más vigorosa se produce con violencia explo-siva, tal como ocurre con la combustión de la pólvora y de la dinamita.

Por su parte, los vegetales producen una gran variedad de compuestos utilizando como materia prima el bióxido de car-bono de la atmósfera y el agua y los minerales del suelo, y como fuente de energía, la luz solar.

En cuanto a la vida animal, se mantiene gracias a la com-bustión lenta de los alimentos que se lleva a cabo en el organis-mo. En esta reacción química se produce bióxido de carbono, que se expulsa en la respiración, liberando la energía necesaria para efectuar las complejas reacciones químicas que los orga-nismos necesitan para mantenerse vivos.

Más aún, la vida y la muerte son procesos químicos. La vida comienza con la fecundación, con la que desencadena una se-



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rie de cambios químicos que seguirán ocurriendo a lo largo de la vida; el amor, el miedo, la ambición, tienen su origen en procesos químicos; también lo tienen las enfermedades que padece todo ser vivo cuando los mecanismos normales son alterados.

En el ser humano la muerte viene cuando deja de producir-se el proceso de oxidación llamado respiración; después ocurre una serie de procesos de degradación que hace que los elemen-tos que formaron el cuerpo se vuelvan a incorporar a la tierra: el bióxido de carbono que se libera en la descomposición del organismo, asciende a la atmósfera, lugar de donde será toma-do por los vegetales para elaborar de nuevo compuestos orgáni-cos, los cuales, al ser consumidos por los herbívoros, se incor-porarán una vez más a la cadena alimenticia, reiniciándose así el ciclo vida-muerte-vida que ha venido aconteciendo en nues-tro planeta desde hace millones de años.

La complicada química que se desarrolla en el cerebro ha convertido a los seres humanos en seres inteligentes y, como ta-les, capaces de realizar procesos químicos a voluntad en labora-torios y fábricas, con lo que logran producir en forma rápida y efi ciente una gran cantidad de compuestos que incluyen mate-riales de construcción, alimentos y medicinas.

La habilidad que ha logrado el hombre para controlar los procesos químicos ha hecho posible el aumento de la pobla-ción, ya que hoy en día es más fácil proporcionar habitación, alimento y medicinas que hace uno o dos siglos. Con esto se ha logrado también prolongar el promedio de vida. Más aún, ha hecho posible, gracias a la moderna tecnología metalúrgica y de plásticos, la producción de gran cantidad de enseres domésti-cos que facilitan la labor del ama de casa, a la que le queda más tiempo libre tanto para dedicarse a otras actividades como para disfrutar de las maravillas que ofrece el mundo moderno.

Por otro lado, la energía contenida en los combustibles fó-siles es liberada y controlada en modernas máquinas que mue-ven los grandes barcos que cruzan los océanos o los rápidos avio-nes que permiten cruzar el Atlántico en unas cuantas horas, a



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diferencia del viaje transatlántico efectuado por Cristóbal Colón en 1492, en el que invirtió más de dos meses.

En el uso de los recursos energéticos del planeta, la moder-na tecnología ha llevado al hombre a la exploración de los espa-cios extraterrestres, al estudio de la Luna, de los planetas y del cometa Halley, por ejemplo.

Con éstos y muchos más éxitos, la humanidad ha sobresti-mado su poder de dominio sobre la naturaleza, y en su afán de uso y abuso de los recursos del planeta ha alterado la naturale-za con su depredación, la ha desequilibrado por medio de pes-ticidas que, ciertamente, han aumentado las cosechas, pero que al mismo tiempo han alterado el ecosistema. Las fábricas y vehícu-los automotores producen humos nocivos que contaminan la atmósfera de las ciudades y producen la lluvia ácida que seca los bosques y contamina los lagos de la nación. Lo mismo sucede en otras naciones, que reciben los humos transportados por el viento.

La máquina ha sido también aplicada a la guerra; el hombre no sólo ha empleado su potencialidad para el bienestar humano, la utiliza también para provocar su muerte.

Es, pues, imperativo que los habitantes del planeta nos una-mos y tratemos de cambiar la mentalidad de los dirigentes de las naciones para que, en vez de gastar los recursos, patrimonio de la humanidad, en acumular armas para una posible destruc-ción, los utilicen en bien de todos, para que la vida en el planeta sea más justa, sin los grandes desequilibrios ahora existentes en-tre los que tienen el poder y los que carecen de él.



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I. Átomos y moléculas en el universo

En 1948 el científi co George Gamow postuló como origen del universo una gran explosión, que a partir de una enorme con-centración de materia formó las innumerables galaxias que aho-ra pueblan el universo. Una de dichas galaxias es la Vía Láctea, formada por más de 100 000 millones de estrellas, entre las que se encuentra nuestro Sol.

Cuando la temperatura del universo era de alrededor de mil millones de grados, se comenzaron a formar los núcleos de los elementos. Primero se formaron los más simples, el hidrógeno (H) y el helio (He); posteriormente, en el interior de las estrellas se fueron formando los núcleos de los elementos, que actual-mente forman parte de los cuerpos celestes, de nuestro planeta y de los seres vivos. Así, es posible afi rmar que el origen de todo lo que nos rodea y origen de la vida misma, son las estrellas.

Después de la gran explosión el universo se ha ido expan-diendo y enfriando paulatinamente hasta llegar a una tempera-tura de 3 K (–270 °C) que es la que tienen en la actualidad los espacios interestelares. Los elementos que existen en el univer-so se han ido descubriendo poco a poco. A mediados del siglo xix se conocían 66 de ellos y varios científi cos intentaron clasi-fi carlos. El gran químico ruso Dmitri Mendeléiev (1834-1907) los ordenó de acuerdo con su peso atómico en lo que se conoce como la tabla periódica de los elementos, en la que se revela una



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notable periodicidad de las propiedades físicas y químicas, de manera que pudo predecir dichas propiedades en elementos aún desconocidos y que más tarde fueron descubiertos revelando gran coincidencia con las predicciones. Sin embargo, con el tiem-po empezaron a aparecer algunas inconsistencias evidentes en la tabla periódica moderna (fi gura i.1). Por ejemplo, el argón (Ar) que ocupa el número 18 en la tabla periódica tiene un peso ató-mico (39.95) superior al del potasio (K) que ocupa el lugar 19 y tiene un peso atómico de 39.1 unidades de masa atómica (uma), por lo que de acuerdo con el ordenamiento por pesos atómicos sus posiciones deberían estar invertidas. Una mejor manera de ordenar los elementos es por su número atómico (Z), el cual corresponde al número de protones (peso atómico = 1 y carga +1), que contiene su núcleo, los que quedan neutralizados por igual número de electrones (peso atómico 0 y carga -1).

El núcleo de los elementos contiene además de protones otros componentes de peso uno y carga cero, llamados neutrones (1

0n). Algunos elementos, a pesar de tener el mismo número ató-

mico, tienen diferente peso atómico por contener en su núcleo diferente número de neutrones. A estos elementos se les llama isótopos, por ocupar el mismo lugar en la tabla periódica, por ejemplo, el carbono (C) que tiene número atómico 6 y peso ató-mico 12, se representa como 12

6C, siendo el subíndice su núme-

ro atómico (Z) y el superíndice su peso atómico; cuando el nú-cleo del carbono adquiere un neutrón adicional tendremos el isótopo carbono-13 que se representa 13

6C y si adiciona un se-

gundo neutrón tendremos el carbono-14 (146C) cuyo núcleo tie-

ne ocho neutrones.

La tabla periódica, que hasta 1940 contaba con 92 elementos, comenzó a ampliarse con elementos obtenidos en forma sinté-tica. En Berkeley, California, en los Estados Unidos, se sinteti-za ron los elementos del 96 al 106, los que se denominaron con nombres de lugares como americio, californio y berkelio; a otros, en honor a científi cos notables como curio (por Marie y Pierre Curie), fermio (por Enrique Fermi) y nobelio (por Alfred Nobel).



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En la década de los ochenta del siglo xx el grupo alemán de Darmstadt tomó la estafeta y comenzó a sintetizar elementos cada vez más pesados; para 1988, cuando ya habían sintetizado los elementos 107, 108 y 109, el científi co Günter Herrmann, al advertir que preparar elementos más pesados se vuelve más y más difícil, mencionó que estos elementos deben existir en la naturaleza, pero en 1988 no había manera de sintetizarlos; sin embargo, ese mismo grupo en 1994 logró sintetizar los elemen-tos 110 al 112 por medio de la fusión de cualquiera de los dos elementos estables más pesados que existen, el plomo (Pb) de Z = 82 y peso atómico 208 y el bismuto (Bi) de Z = 83 y peso atómico 209. Estos elementos, que se consideran blanco, son fundidos con otros elementos, que actúan como “proyectiles” y proporcionan sus protones, los que sumados a los del blanco da-rán el número requerido de protones del nuevo elemento. Para preparar el elemento Z = 110 se partió de plomo (Z = 82) con peso atómico 208 y para el elemento Z = 111 se partió de bis-muto (Z = 83) con peso atómico 209. Para ambos se usó como proyectil a uno de los isótopos pesados del níquel (Ni, Z = 28) de pesos atómicos 62 y 64, respectivamente, de acuerdo con las siguientes ecuaciones:

62 28 Ni + 208 82Pb → 269110 Z + 1

0n64 28 Ni + 209

83 Bi → 272111 Z + 1

0n

Aunque en las ecuaciones señaladas su preparación se ve simple, la difi cultad aumenta exponencialmente conforme au-menta Z. Para ejemplifi car esta difi cultad puede mencionarse que sólo una colisión en un billón entre 209

83 Bi y 6428 Ni produci-

rá el elemento 111.No obstante las difi cultades en la preparación de elementos

pesados, en la primera década del siglo xxi en Dubna, Rusia, se sintetizaron los elementos 113 (Ununtrio), 114 (Ununquadio), 115 (Ununpentio), 116 (Ununhexio) y 118 (Ununoctio), de-jando a la tabla periódica bastante ampliada pero con un hueco

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a.co

mAunque pasen inadvertidas, la vida cotidiana está conformada

por un sinnúmero de reacciones químicas, que abarcan lo mismo los complejos procesos fisiológicos del ser humano, que la elaboración

de los alimentos que consume y los medicamentos que combaten las enfermedades, e incluso la fabricación de productos de uso diario

como los jabones y los cosméticos. No obstante, la investigación y el empleo del conocimiento químico no ha involucrado siempre

un beneficio para la humanidad, pues el hombre ha inventado también poderosas herramientas de muerte como las armas nucleares o las bioquímicas, que además han dañado nuestro entorno.

Así, esta obra invita al lector a descubrir que la ciencia puede hallarse en los lugares más insospechados, y con ello a formar conciencia

sobre las repercusiones de su uso en nuestra vida diaria.

Alfonso Romo de Vivar es doctor en química orgánica e investigador emérito

por la unam, además de ser fundador de la Revista Latinoamericana de Química.

Ha sido merecedor del Premio Nacional de Química (1977)

y del Premio Mario Molina (2011).

Guillermo Delgado es químico egresado de la unam y se ha desempeñado

como editor de la Revista de la Sociedad Química de México. En 2003 recibió

el Premio Nacional de Química.

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Química, universo, Tierra y vida

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