OZONO: ¿BUENO Y MALO?

El ozono (del griego ozein = oler) es un gas de color azul, descubierto en 1840 por Christian Schömbein, quien lo llamó así por su olor metálico y picante, que se puede detectar durante las tormentas y cerca de equipos eléctricos. En 1863 J. L. Soret demostró que es una forma alotrópica del oxígeno: su molécula está formada por 3 átomos (O₃), mientras que la del oxígeno sólo por 2 (O₂). Por su gran efecto oxidante y su acción bactericida y virulicida (mata bacterias y virus) el ozono se usa para tratar aguas negras, como desinfectante, blanqueador y para esterilizar el aire (para asmáticos). Es mucho más eficaz que el cloro en la desinfección de agua: más rápido, extermina sólo bacterias y virus y no deja residuos nocivos ni sabor u olor.

En la atmósfera terrestre, el ozono puede ser “bueno” o “malo” dependiendo de dónde se encuentre. El ozono “bueno” está en la estratósfera (capa entre los 17 y 48 km de altura) y actúa como un filtro que detiene la parte más perjudicial de la radiación ultravioleta proveniente del sol. El “malo” está en la tropósfera (la región más próxima a la superficie terrestre, hasta unos 17 km de altura). Es perjudicial para la salud de animales y plantas.

El ozono “bueno” se forma a partir del oxígeno (O₂) del aire, por acción de la luz UV (ultravioleta). El proceso es reversible (el O₃ se descompone lentamente a O₂) y ocurre principalmente en la parte superior de la estratósfera (30-45 km de altura) originando una capa (“capa de ozono”) renovable y de una concentración que no varía porque la velocidad de formación es igual a la de descomposición. La concentración de ozono varía con el lugar y la época del año. Su concentración no es muy alta pero es vital para la vida porque absorbe casi el 99% de la radiación UV tipo B (de 280-320 nm) que es la responsable de mutaciones genéticas (cáncer de piel) y cataratas. Además, debilita el sistema inmunológico y disminuye la fotosíntesis de las plantas.

En 1930 se prepararon los cloro-flúor-carbonos (CFC), compuestos fáciles de sintetizar, de bajo peso molecular y considerados inofensivos por no ser tóxicos, ni corrosivos, ni inflamables y de muy baja reactividad. Rápidamente se usaron en equipos de refrigeración y aire acondicionado, en la fabricación de espumas sintéticas y como propelentes para aerosoles.

En 1974 los químicos Sherwood Rowland y Mario Molina (ganaron el Premio Nobel de Química, 1995 junto con Paul Crutzen) indicaron que los CFC estaban produciendo una disminución en la concentración de ozono en la estratósfera. En 1984 científicos británicos detectaron una reducción de un 40% de este ozono. El “agujero” descubierto era del tamaño del continente europeo y crecía regularmente. Por muchos años se consideró que la disminución era estacional y que se situaba cerca de la Antártida, pero se ha comprobado que la disminución se produce en todas las épocas del año (aunque con distinta intensidad) y que ocurre a nivel global.

La causa principal de esta disminución son las actividades humanas (antropogénicas) que liberan átomos de cloro o bromo. Los CFC al ser liberados en la atmósfera, viajan lentamente hacia la estratósfera (10 a 20 años) en donde, por acción de la radiación UV de alta energía, se descomponen y desprenden átomos de cloro que son los que transforman el ozono en oxígeno molecular. Un átomo de cloro puede destruir miles de moléculas de ozono. La aparición y el crecimiento constante del “agujero de la capa de ozono” ha sido motivo de la preocupación internacional y han originado una serie de recomendaciones para disminuir el uso de CFC y reemplazarlo por compuestos menos dañinos a la capa de ozono.

La acción perjudicial del ozono “malo” fue descubierta en 1940 al hallarlo responsable del deterioro de neumáticos y artículos de goma almacenados por mucho tiempo y, además, afectaba la vegetación. Los primeros en percibir su efecto fueron los asmáticos que, hasta entonces, utilizaban aire purificado con ozono. Son varias las fuentes que lo originan: una parte viene de la estratósfera, al ser arrastrado por los vientos hacia la tropósfera. Otra parte se origina por un complicado proceso químico en el que participan la luz solar, el óxido de nitrógeno y una serie de compuestos orgánicos volátiles (COV). Éstos provienen de procesos biológicos (de la vegetación, fermentación), de los gases volcánicos y de emisiones de motores de vehículos e industrias.

El ozono es el componente principal del “smog”. Su inhalación causa irritación de las mucosas, tejidos pulmonares y ojos, tos, dolores de cabeza, etc. Si la concentración es muy alta, puede provocar inflamaciones pulmonares y afectar gravemente la función respiratoria. Como las reacciones que originan el ozono se activan por la luz solar, la mayor concentración de éste ocurre en las horas del día. Es también altamente tóxico para las plantas: afecta las paredes celulares, disminuye la fotosíntesis y perjudica su crecimiento, provocando la disminución de la vegetación y la producción.

BIBLIOGRAFÍA

1.     “Ciencia Ambiental”.- Miller G. Tyler.- Thomson.- México 2003.

2.     http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/ozone.html

Q. F. Juan José León Cam <jjleon @ lamolina.edu.pe>

Departamemto de Química. U. Nacional Agraria La Molina

VAN'T HOFF Y EL PODER DE LA IMAGINACIÓN

El 30 de agosto de 1852 nació Jacobus Henricus Van’t Hoff en Roterdam (Holanda). En sus primeros años escolares demostró mucho interés por la poesía y la filosofía. A los 17 años se interesó por la ciencia y la naturaleza e ingresó a la Escuela Politécnica de Delft, donde fue un estudiante brillante y terminó su carrera de Química en dos años (en un programa de 3 años). Luego de su graduación (1871), decidió estudiar matemática en la Universidad de Leyden (Holanda) y química orgánica con los profesores F. Kekulé en Bonn – Alemania (1872 – 1873) y A. Wurtz en París – Francia (1873-1874).

De regreso a Holanda (1874) obtuvo su doctorado en la Universidad de Ultrecht y, a la edad de 22 años, hizo una revolucionaria propuesta: que las cuatro valencias del átomo de carbono tetravalente están dirigidas hacia los vértices de un tetraedro regular (geometría tetraédrica), en contraste con la idea predominante en esa época, que lo consideraba plano. Casi al mismo tiempo, Joseph Le Bel, un químico francés de 27 años hizo una propuesta muy similar. En consecuencia, cuando estos carbonos están unidos a 4 grupos o sustituyentes diferentes, pueden obtenerse 2 moléculas distintas que, como nuestras manos, una es la imagen en el espejo de la otra. De esta manera se pueden explicar los experimentos de Pasteur sobre el ácido tartárico y otros hechos experimentales de la naciente isomería óptica. Esto fue crucial para el entendimiento de la química orgánica y sentó las bases de la estereoquímica o estudio de las moléculas en las tres dimensiones.

Sus revolucionarias ideas fueron bien recibidas por Wislicenus pero no así por Kolbe quien, considerando un exceso de su juvenil imaginación, comentó: “Un cierto Dr. J. H. Van’t Hoff, del Colegio Veterinario, parece no tener gusto por la investigación química exacta. Él encuentra una tarea menos ardua montar su Pegaso (evidentemente prestado por el Colegio Veterinario) y elevarse a su Parnaso Químico, para mostrar en su obra LA QUÍMICA DEL ESPACIO cómo encuentra los átomos situados en el espacio”. Años después, Bragg comprobó, mediante análisis por rayos X que las ideas de Van’t Hoff y Le Bell eran correctas.

Uno de los aspectos a destacar es la gran imaginación que poseía Van’t Hoff para atacar los problemas químicos y encontrarles solución. Consideraba muy importante la imaginación en el trabajo científico. En su disertación inaugural como Profesor de Química de la universidad de Amsterdam (1878) discute el papel de la imaginación en el esclarecimiento de la relación entre causa y efecto y la tituló “El poder de la imaginación en la ciencia”. Después de un minucioso análisis de las biografías de un gran número de científicos, llegó a la conclusión que los más productivos tuvieron una gran imaginación y que, frecuentemente, también poseían grandes potencialidades artísticas.

En 1884 publicó su investigación titulada “Estudio de dinámica química”, en 1885 demostró que la presión osmótica de las disoluciones suficientemente diluidas es proporcional a su concentración y a la temperatura absoluta. En 1886 demostró que las disoluciones diluidas y los gases se comportan de una forma muy similar. En 1887 fundaron, junto con Ostwald, la influyente revista científica “Journal of Physical Chemistry”.

En 1901 recibió el Primer Premio Nobel de Química, por su trabajo pionero en la dinámica química y la presión osmótica de las disoluciones. Sus investigaciones sobre las sustancias en disolución tienen grandes consecuencias prácticas, cuyos beneficios se comprenderán mejor si recordamos que las reacciones químicas se producen fundamentalmente en disolución y que las funciones vitales de los organismos vivos se mantienen por procesos metabólicos que ocurren en disolución. El 1 de marzo de 1911 murió en Steglitz, cerca de Berlín.

BIBLIOGRAFÍA

1. Guevara R., Juan de Dios. “Figuras Cumbres de la Física y de la Química”. Lima – Perú. 2000. P. 140 – 144.

2.  http://www.aiqula.org/sitio/index.php/imagenpersonajemes/jacobus-vant-hoff

3.  http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1901/hoff-lecture.pdf

MSc. Elvito F. Villegas Silva <elvito @ lamolina.edu.pe>

Departamento de Química. U. Nacional Agraria La Molina

DEL GRAFITO AL GRAFENO

Las propiedades de los materiales dependen no sólo de su composición química y de su estructura, sino también del tamaño y forma de sus partículas. Si el tamaño de sus partículas es menor a un “tamaño crítico” (escala nanométrica), las propiedades de los materiales (ópticas, mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y químicas) son diferentes. Así, es posible preparar nuevos materiales, con nuevas propiedades y aplicaciones, controlando el tamaño y forma de las partículas de materiales conocidos.

Esto ha llevado a la aparición y consolidación de un área del conocimiento llamada “nanociencia y nanotecnología”, un campo interdisciplinario en el que participan físicos, químicos, matemáticos, ingenieros, etc. El prefijo “nano” se usa para designar la milmillonésima parte (10⁻⁹) de cualquier magnitud. Los nanomateriales son aquellos que poseen por lo menos una dimensión dentro de la escala de tamaño nanométrico, es decir, entre 1 y 100 nanómetros. El término NANOTECNOLOGÍA fue acuñado por el japonés Norio Natiguchi en 1974, para diferenciar lo que ocurre en la nanoescala de aquello de escalas mayores (microescala). En 1996 se concedió el Premio Nobel de Química a Kroto, Curl y a Smalley por su colaboración en el descubrimiento de estos compuestos, cuyas propiedades aún están siendo intensamente estudiadas.

Los materiales tradicionales formados por átomos de carbono son el grafito y el diamante. En 1985 se descubrió una tercera forma: los “fullerenos” que están formados por átomos de carbono unidos en forma hexagonal, como un “panel de abejas”, con un carbono en cada vértice y que puede formar esferas (“buckyesferas”), o cilindros (“nanotubos” o “buckytubos”) o elipsoides. Se los llamó “fullerenos” en homenaje al arquitecto norteamericano Buckminster Fuller quien empleó con éxito la cúpula geodésica en la arquitectura, sus obras más célebres son los “domos geodésicos”.

El Premio Nobel de Física 2010 fue concedido a André Geim y Konstantin Novoselov, profesores de la Universidad de Manchester, por la preparación y estudio del “grafeno”, una molécula plana de gran superficie que, según afamados científicos de hace unos 70 años, no podía existir por ser inestable termodinámicamente. Su nombre proviene de GRAFITO + ENO, porque se trata de una sola de las láminas que forman el grafito y es el componente estructural básico del grafito y los fullerenos.

El grafeno es una lámina muy fina con un número inmenso de anillos aromáticos fusionados y con el grosor de un solo átomo de carbono. Es el material más fuerte y más duro del mundo, además de ser un excelente conductor del calor y la electricidad. Según el Comité del Premio Nobel, una hipotética hamaca de un metro cuadrado de grafeno perfecto, soportaría un gato de 4 kilogramos. La hamaca pesaría 0,77 miligramos - menos que el peso de los bigotes del gato – y sería prácticamente invisible. 

El grafeno es un semiconductor que permite construir dispositivos electrónicos mucho más diminutos (a escala nanométrica). Sus innumerables aplicaciones pueden revolucionar la industria en virtud de sus propiedades singulares: es ligero y extraordinariamente flexible; de gran elasticidad y dureza; su resistencia es 200 veces superior a la del acero; conductividad térmica superior a la de cualquier otro material; conductividad eléctrica tan alta como la del cobre; más eficiente que el silicio al conducir electrones; es tan transparente y tan denso que ni siquiera los átomos de helio – los más pequeños que existen en estado gaseoso y sin combinar- pueden atravesarlo.

Por ahora, se sabe que el grafeno podría utilizarse como componente de los circuitos integrados. Se estima que su principal aplicación sería reemplazar al silicio en muchos transistores y microprocesadores. Sin embargo, la fiebre del grafeno recién ha empezado y en unos cuantos años ya podría revolucionar la electrónica y participar en el desarrollo de nuevos materiales.

BIBLIOGRAFÍA

-      Química Nova, Vol 30, Nº 6, 1469-1479, 2007.

-      Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.- Vol XXXII, Nº 123 Junio 2008.- pág. 213-233.

-      http://es.wikipedia.org/wiki/Grafeno

- http://apuntesdearquitecturadigital.blogspot.com/2010/04/como-construir-un-domo-geodesico-de.html

MSc. Elsa Huamán Paredes <ehuaman @ lamolina.edu.pe>

Departamento de Química. U. Nacional Agraria La Molina

LA INSULINA Y LA “ORINA DULCE”

La diabetes es una enfermedad tan antigua que sus primeras referencias aparecen en el Papiro de Ebers. En las literaturas hindú y china se resaltan sus síntomas y la atracción de las hormigas por la “orina dulce” de los enfermos. En esa época ya se distinguían sus 2 formas: una se presenta en jóvenes delgados que no sobreviven por mucho tiempo y la otra en personas mayores y obesas, formas que corresponden a los tipos 1 y 2 de nuestros días.

La primera referencia en la literatura médica occidental se debe a Thomas Willis (1621 – 1675). Casi un siglo después, el médico inglés Mathew Dobson (1725 – 1784) señaló la presencia de azúcar en la sangre y orina de los enfermos. En 1889 Oskar Minskowski y Josef von Mering observaron que al extirparle el páncreas a un perro se producían todos los síntomas de una diabetes severa.

En 1893 se descubrió que el metabolismo de los carbohidratos es controlado por una sustancia que llamaron “insulina” por producirse en los “Islotes de Langerhans” del páncreas y se hicieron grandes esfuerzos por aislarla, obteniéndose extractos de páncreas capaces de reducir los síntomas de la diabetes en perros, aunque ellos producían también graves efectos tóxicos.

La insulina fue descubierta en 1921 por Sir Frederick Grant Banting, luego de los experimentos realizados en la cátedra de John J. MacLeod, profesor de fisiología de la U. de Toronto, con el apoyo de Charles Best, un estudiante de Química que se encargó de aislarla. Así obtuvieron un extracto purificado de páncreas y comprobaron que reducía el nivel de azúcar en perros con diabetes experimental. Por estos trabajos MacLeod y Banting recibieron el Premio Nobel de Medicina, 1923. Banting protestó porque MacLeod fuera premiado en lugar de Best y compartió su parte del Nobel con este último.

En 1922 se inyectó insulina a un niño diabético y los resultados fueron espectaculares. En 1923 se empezó a producir insulina a partir de páncreas de buey y cerdo. Se necesitaban 800 a 1000 kg de páncreas para obtener 100 g. de insulina cristalizada. Como la acción de esta insulina es de corta duración y requería frecuentemente de otra administración a media noche, se desarrollaron insulinas de acción prolongada. La insulina no sólo disminuye la glucosa en sangre, también aumenta su transporte al interior de las células, su conversión a glucógeno y su oxidación. En la actualidad, existen diversos preparados de insulina con diferente velocidad de absorción, lo que permite un mejor tratamiento a los pacientes.

La insulina es una hormona de naturaleza proteica, producida por las células “beta” del páncreas. La dilucidación de su estructura es una proeza realizada en 1954 por Frederick Sanger y colaboradores. Ellos establecieron el orden o secuencia (“estructura primaria”) de sus 51 aminoácidos, utilizando el método químico tradicional para estudiar grandes moléculas: fragmentarlas en trozos pequeños que, después de ser identificados, se unen como las piezas de un rompecabezas. Fue la primera vez que se conoció la estructura primaria de una proteína y, por este logro, Sanger ganó el Premio Nobel de Química, 1958.

Luego se estudió la insulina de varias especies animales, encontrándose que la insulina de los vertebrados consta de 2 cadenas peptídicas (“A” y “B” de 21 y 30 aminoácidos respectivamente) y tres puentes disulfuro (−S−S−). Las insulinas de diferentes especies pueden diferir sólo en algunos aminoácidos. Así, las de humanos, vacunos y corderos difieren en los aminoácidos 8, 9 y 10 de la cadena “A”. Como estas diferencias tienen poco efecto en su actividad biológica, la insulina de una especie presenta actividad en otra especie.

La insulina también fue la primera proteína en ser sintetizada. En los años 1963-1965 grupos de científicos de USA, China y Alemania lograron sintetizarla, pero su aplicación a escala industrial era difícil por su alto costo y complejidad (consta de 170 reacciones). En 1980 se logró transformar insulina de porcino en humana, sustituyendo alanina (aminoácido Nº 30 de la cadena “B”) por treonina. El uso de insulina humana carece de los inconvenientes que producen las de origen animal (molestias renales y afecciones oculares). Actualmente se produce insulina humana mediante técnicas de ingeniería genética, constituyendo uno de los mayores logros médicos del siglo XX.

BIBLIOGRAFÍA

1.      Neckers y Doyle.- Química Orgánica.- Tercera edición. México 1985.

2.      http://www.iqb.es/d_mellitus/historia/historia06.htm

 Q. F. Juan José León Cam <jjleon@lamolina.edu.pe>

Departamento de Química.- Universidad Nacional Agraria La Molina