LA QUIMICA ORGANICA

La química es el estudio científico de la materia. A una persona profesionalizada en esta ciencia se le conoce como químico o química. Estas pueden considerar la cantidad de espacio que un objeto puede llenar (densidad), medir la energía de los átomos (estado de la materia), analizar los resultados de la combinación de sustancias (reacciones), entre otras muchas cosas interesantes.

La química, inicia con el estudio de la materia. Durante miles de años, los químicos y químicas  han llegado a comprender muchas formas diferentes de cómo cambia y se mueve la materia a través del Universo.

Pero ellos no son los únicos en hacer uso de esta ciencia. Los médicos la usan para fabricar medicamentos que nos ayudan cuando estamos enfermos. Los ingenieros para fabricar dispositivos electrónicos como tu televisor o tu teléfono celular. Los agricultores usan la química para ayudar a que sus cultivos crezcan y para que podamos tener alimentos. Los chefs usan la química para cocinar comidas deliciosas, incluso tu mamá lo hace (consciente o inconscientemente) cuando cocina.

Al comprender la química, puede comprender mejor el mundo que lo rodea y cómo funciona. Porque todo es materia: tu computadora, el aire que respiras, el agua que bebes, tu almuerzo, el suelo sobre el que caminas, las flores que disfrutas incluso tú estás hecho de materia.

Cualquier objeto que pueda ver, oler o tocar está hecho de materia… pero también hay trozos de materia muy pequeños que no se pueden ver ni tocar. Los químicos usan equipo especial para estudiar a esas pequeñas cosas. Según los científicos, toda la materia que podemos observar constituye aproximadamente el 5% del Universo. El resto está hecho de materia y energía oscuras.

Hay dos cualidades principales de la materia: ocupa espacio y tiene masa. Incluso las partículas más pequeñas y las partes de los átomos ocupan algo de espacio. Y respecto a la masa, es la cantidad de materia que tienes. Por ahora, puede pensar en la masa en términos de peso… o te puedes haber distraído como yo pensando en la masa de las gorditas.

No es necesario que la química te diga que un elefante mucha más masa que una mariposa y un átomo menos masa que una mariposa. Sostener un objeto te dirá el peso del objeto y le dará una buena idea de su masa en comparación con otros objetos.

Aunque el peso nos da una referencia de la masa, la masa y el peso son diferentes. La masa es una cantidad de materia que es la misma en todas partes del Universo. Un kilogramo de oro (Au) tendrá la misma masa en la Tierra o en la Luna. Mientras que el peso se basa en la gravedad del entorno. Por lo que ese kilogramo de oro pesará más en la Tierra que en la Luna, porque la Tierra tiene una gravedad más fuerte que nuestro hermoso satélite. Dado que Júpiter es mucho más grande que la Tierra (con fuerza gravitacional más fuerte), el peso de ese oro si lo llevamos a Júpiter será mucho mayor. La masa será siempre la misma, aquí, en China y en Júpiter.

La unidad elemental de la materia, son los átomos. Estos son las unidades de materia más pequeñas y básicas que tienen las propiedades de un elemento. Todos los átomos tienen las mismas partes básicas (electrones, protones y neutrones), pero están organizados de diferentes formas.

Podríamos decir que entonces los átomos no son las partes de la materia más pequeñas,  y tendríamos razón. Pero los electrones aunque son más pequeños que los átomos y hay otras partículas subatómicas que son, incluso, más pequeñas que los electrones. Esas diminutas partículas no tienen las propiedades de un elemento.

Los elementos son trozos de materia donde todos los átomos tienen las mismas propiedades químicas. Los elementos están hechos de átomos similares. Queremos decir que los átomos son exactamente iguales, pero eso no es del todo cierto. Un elemento está formado por átomos que tienen el mismo número de protones. Si tiene un lote de átomos y todos tienen el mismo número de protones, todos son un elemento.

Por ejemplo, si todos los átomos tienen cuatro protones, son átomos de berilio (Be). Algunos de esos átomos pueden tener cuatro electrones (neutros). Algunos átomos pueden tener tres electrones, dejando al átomo con una carga positiva (iones). Esos iones todavía se consideran átomos de berilio.

Los neutrones funcionan de la misma manera. Puede tener cuatro neutrones, pero también puede tener tres o cinco neutrones. Los átomos con el mismo número de protones y diferente número de neutrones se denominan isótopos de un elemento. Los isótopos y los iones siguen siendo el mismo elemento a pesar de que tienen diferentes números de neutrones y electrones. Bueno pero ya nos fuimos muy a detalle… mejor vámonos por las ramas.

La química es un tema amplio y profundo, y se divide en cinco áreas o ramas principales: analítica, bioquímica, química física, inorgánica y orgánica. La química analítica utiliza pruebas para descubrir los ingredientes de una sustancia, tal como lo hacen en un laboratorio de análisis del agua para saber que sustancias disueltas tiene o un nutricionista cuando analiza los alimentos para conocer los nutrientes que contienen y colocar los sellos en el empaque.

La bioquímica estudia principalmente la química en el cuerpo. Puede estudiar las células cancerosas para aprender cómo curar la enfermedad y también a virus y bacterias para aprender sobre enfermedades infecciosas como el covid-19.

La química física estudia las propiedades físicas de las moléculas: cómo se mueven o cambian. Cuando hornea galletas, las galletas se solidifican y se doran, una reacción física. Una rama se refiere a los seres vivos y al cuerpo humano; otra rama estudia productos y materiales fabricados en un laboratorio.

La química inorgánica es el estudio de sustancias inertes, como metales, rocas y otros minerales. Un científico podría estudiar las formaciones rocosas para determinar cómo se hicieron o estudiar la composición de una viga de acero para determinar su resistencia.

La química orgánica es el estudio de compuestos de carbono, como limpiadores, plásticos, aditivos alimentarios y medicamentos. Es muy importante, y el Dr. Omar Cortezano Arellano nos comparte que tiene mucho que ver con nuestra vida diaria, como ya te lo pudiste imaginar, abarcando desde nuestra vestimenta hasta la aspirina que nos quita el dolor de cabeza.

El fascinante átomo de carbono

La vida en nuestro planeta es posible gracias a dos fenómenos que constituyen una rareza en el mundo de la química: el enlace de hidrógeno (erróneamente llamado puente de hidrógeno) y la catenación del carbono. 

En el caso de la molécula de agua, H₂O, el enlace de hidrógeno es una fuerza de atracción que ocurre entre el hidrógeno de una molécula, y el oxígeno de otra molécula. Esta atracción se debe a que el hidrógeno es electropositivo, y el oxígeno, electronegativo. Sin el enlace de hidrógeno, el agua no podría existir en estado líquido o sólido a la temperatura ambiental de la Tierra. Sería un gas, al igual que todos los compuestos cuyas moléculas tienen una masa molar tan baja como la del agua.

Por otro lado, la catenación es la capacidad de un elemento para formar cadenas; es decir, para unirse químicamente consigo mismo. El carbono no es el único elemento que tiene esta capacidad, pero es el que más tiende a hacerlo, y en las formas más variadas.

El símbolo del átomo de carbono es “C”. En el idioma español, no es lo mismo “carbono” que “carbón”. “Carbono” es el nombre del elemento, y “carbón” es un sólido formado principalmente por cadenas de átomos de carbono. El carbono que se encuentra en la Tierra, se creó hace unos 5000 millones de años, durante el periodo de formación del sistema solar, en el que prevaleció la química de fusión nuclear, y mostró ser relativamente estable. Esto le permitió aportar una cantidad que representa el 0.02% en peso de todos los elementos. Aunque este porcentaje parece bajo, el carbono es el décimo segundo elemento más abundante en nuestro planeta. Seguimos hablando del ciclo del carbono a continuación, pero antes es importante señalar ¿Qué es el carbono?

Elemento del carbono

El carbono pertenece al grupo 14 de la tabla periódica, cuyos elementos son: carbono (C), silicio (Si), germanio (Ge), estaño (Sb) y plomo (Pb). Los primeros tres son no metales, y los últimos dos son metales. Todos estos elementos comparten la capacidad de catenación, pero ninguno de ellos lo hace con tanta facilidad como el carbono.

Además de concatenarse, el carbono puede hacerlo mediante enlazamiento múltiple, lo que significa enlazarse entre sí mediante enlaces dobles y triples. Esta última propiedad es común al nitrógeno y al oxígeno, pero en dichos casos, la catenación es relativamente poco frecuente.

Los átomos de carbono pueden unirse entre sí en una variedad de formas y en una cantidad de átomos, imposible para cualquier otro elemento. Pueden formar cadenas de miles de átomos o anillos de todos los tamaños; estas cadenas y anillos pueden tener ramificaciones. A los carbonos de estas cadenas y anillos se unen otros átomos; principalmente hidrógeno, oxígeno, flúor, cloro, bromo, yodo, nitrógeno, azufre, fósforo…

Esta particular característica es la que permite que existan tantos compuestos de carbono. El número de compuestos que contienen carbono es varias veces mayor que el número de sustancias que no lo contienen. El carbono es muy importante para conservar la vida del planeta, uno de los aportes más importantes es la fotosíntesis que se explica a continuación:

El surgimiento de la vida y el proceso de conversión del CO₂ en moléculas orgánicas a través de la fotosíntesis gracias al ciclo del carbono.

Durante la formación de la Tierra, su atmósfera se componía principalmente de vapor de agua, dióxido de carbono y nitrógeno, junto con otros gases emitidos por la acción volcánica. La vida inició con los vegetales hace unos 3000 millones de años, en las aguas tibias de los océanos y los mares, y originalmente en formas de plantas primitivas. Esta forma de vida evolucionó debido a su habilidad para fotosintetizar, tomando como materia prima el dióxido de carbono de la atmósfera, y reemplazándolo por oxígeno. En el proceso de fotosíntesis, la planta convierte el CO₂ en las cadenas de celulosa y demás moléculas que la conforman, y que, como veremos adelante, los químicos han denominado moléculas orgánicas.

Las primeras formas de plantas y algas crecieron en una abundancia masiva a lo largo de millones de años. Las formas de vida animal evolucionaron mucho después, probablemente hace alrededor de 2000 millones de años, y fueron totalmente dependientes del oxígeno generado por la flora de ese tiempo.

Los animales herbívoros se alimentan de plantas, y los animales carnívoros se alimentan de otros animales. Por lo tanto, todos los seres vivos, plantas y animales, partimos del CO₂ como materia prima para formar nuestros tejidos. Podemos estar conscientes, entonces, de que todos nuestros tejidos fueron CO_2.

El principal compuesto presente en el cuerpo humano es el agua, pero en segundo lugar están las moléculas orgánicas a base de cadenas de carbono. Por lo tanto, el oxígeno representa la mayor parte de la masa del cuerpo humano (65%), pero en segundo lugar está el carbono (18%). El 99 % de la masa del cuerpo humano está formada por seis elementos: oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, calcio, y fósforo. El contenido de los elementos aluminio y silicio, aunque son muy abundantes en la Tierra, es muy bajo en el cuerpo humano.

La química orgánica o química de las cadenas de carbono

Originalmente, los compuestos químicos se dividieron en dos grupos: inorgánicos y orgánicos, según de dónde provenían. Los compuestos inorgánicos eran aquellos que provenían de los minerales, y los orgánicos, los que se obtenían de fuentes vegetales y animales, o sea: de materiales producidos por organismos vivos. Hasta más o menos 1850, muchos químicos creían que los compuestos orgánicos debían tener su origen en organismos vivos y, en consecuencia, jamás podrían ser sintetizados a partir de sustancias inorgánicas.

Todos los compuestos de fuentes orgánicas contenían el elemento carbono. Aún después de que quedó establecido que estos compuestos no necesariamente debían provenir de fuentes vivas, ya que podían sintetizarse en el laboratorio, resultó conveniente mantener el nombre orgánico para describirlos, y es así que hasta la fecha, los compuestos se clasifican en inorgánicos y orgánicos.

Los compuestos orgánicos se han agrupado en familias que, en general, no tienen equivalentes entre los inorgánicos.

La química orgánica ha desarrollado métodos para descomponer moléculas complicadas, para reordenar los átomos y generar moléculas nuevas, para agregar átomos a las moléculas existentes o para sustituir átomos nuevos por antiguos. Su objetivo es sintetizar nuevas moléculas que proporcionen soluciones o mejoras a las actividades humanas. Actualmente se conocen alrededor de 16 millones de compuestos orgánicos, y cada año se conocen otros 500,000.

La formación de los yacimientos de petróleo, y de las minas de carbón

El petróleo y el gas natural son compuestos orgánicos que se formaron a partir de la materia orgánica acumulada en sedimentos del pasado geológico, y en asociación con materia inorgánica de los mares a lo largo de millones de años.

Por otro lado, hace alrededor de 500 millones de años, la flora había evolucionado considerablemente, y pasó de las aguas tibias de los mares, a la tierra. Al entrar en la era carbonífera, ocurrió un crecimiento masivo en la forma de selvas tropicales. En este tiempo, también los continentes se dirigían lentamente hacia el norte, a través de los climas más cálidos de las regiones ecuatoriales, con sus tormentas torrenciales.

El desplazamiento continental con las depresiones y levantamientos correspondientes de la corteza terrestre, provocaron que áreas crecientes de estas selvas tropicales, lentamente y a través de millones de años, quedaran sumergidas en estuarios de ríos y en el mar. No todos los árboles de las selvas que crecieron a lo largo de un periodo de alrededor de 300 millones de años formaron minas de carbón. Probablemente solo uno de cada mil billones (1 x 10¹⁵) de árboles terminó en una mina de carbón. El resto, simplemente se descompuso en compuestos gaseosos y minerales.

Formación de carbón

Una importante etapa en la formación de carbón, a partir del material de estas selvas tropicales, fue el pantano, con su materia botánica descompuesta por bacterias aeróbicas y anaeróbicas, para crear el material residual que se convirtió en carbones, bajo subsecuentes influencias de tiempo, temperatura y presión, asociadas al entierro de material, normalmente a distancias profundas.

Este proceso de carbonización continuó debajo de la tierra, mientras que los continentes se movían hacia el norte hasta la posición en la que se encuentran actualmente. Las propiedades de los carbones de las distintas zonas carboníferas del mundo no son idénticas, incluyendo los carbones que se encuentran a diferentes niveles dentro de una misma beta. Algunos carbones se formaron mucho tiempo después de que había terminado la era carbonífera; es decir, en el periodo cretáceo, asociado con los dinosaurios.