La química y su relación con otras ciencias por

rnardo Herradón García

Las ciencias naturales y sus divisiones.

L

as ciencias naturales estudian la materia, la energía y la interacción entre ambas. En los orígenes, no había distinción entre las distintas ciencias naturales; de hecho, algunos historiadores y filósofos de la ciencia afirman que no existía ni ciencia, sólo existía la filosofía natural, que lo abarcaba todo.

Figura 1. Tabla periódica de los elementos químicos.

En

cualquier caso, independientemente del nombre, las ciencias evolucionaron y fueron generando tal cantidad de información que hizo imposible que un único ser humano pudiera poseer todo el conocimiento adquirido. De esta manera, la ciencia se especializó, dividiéndose en principio en las cinco ciencias naturales ‘clásicas’: física, química, geología, biología y astronomía. Con el paso de los años, esta última pasó a ser una parte de la física. Los diferentes métodos usados, los enfoques y aproximaciones empleados, y los objetos concretos de estudio son los diferenciadores de las cuatro ciencias.

La evolución

de estas ciencias clásicas dio lugar a posteriores áreas de especialización, en principio, híbridas entre algunas de estas cuatro: bioquímica, biofísica, geoquímica, geofísica, paleontología, química física (apenas distinguible de la físicoquímica). La posterior evolución de los métodos y objetos de estudio, hacen surgir otra nueva generación de especialidades (podemos definirlas de tercera generación), siendo el pionero de estas la biología molecular, y entre los que cabe mencionar la toxicología, las ciencias medioambientales, la inmunología y prácticamente todas las ciencias de la vida que llevan el adjetivo molecular (parasitología molecular, neurobiología molecular, inmunología molecular, etc.). Aunque aparentemente estas ‘nuevas’ ciencias tienen campos de estudio más restringidos que las ‘clásicas’, también poseen un carácter multidisciplinar.

La química: ciencia del cambio y de las moléculas.

La química

es la ciencia que estudia las transformaciones y propiedades de la materia en su estructura íntima y las consecuencias que tiene en el mundo macroscópico.

La

estructura íntima de la materia queda definida por el número y tipo de ����������������������������� átomos����������������������� y como estos se combinan a través de enlaces químicos. La materia se transforma a través de las reacciones químicas.

El átomo

es la unidad más pequeña de materia que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. Un átomo está constituido por un núcleo cargado positivamente, dónde reside la mayor parte de su masa. El núcleo está constituido por protones y neutrones, que son partículas de aproximadamente la misma masa y que se diferencian en su carga eléctrica; el neutrón es eléctricamente neutro y el protón está cargado positivamente. El número de protones de un átomo es el número atómico, que es lo que caracteriza a un elemento químico. El núcleo está rodeado por electrones, que son partículas cargadas negativamente muy pequeñas, su masa es aproximadamente 1836 veces menor que la del protón.

Los elementos

químicos son los componentes básicos de la materia. Existen poco más de 100 elementos químicos que se ordenan en la tabla periódica (Figura 1). Por la posición de los elementos en la tabla periódica podemos deducir sus propiedades química.

En

la naturaleza no existen átomos aislados (se pueden tener en experimentos muy controlados de laboratorio) y estos generalmente se combinan entre sí (una excepción es el grupo 18 de la tabla periódica, los gases nobles, que tienen poca tendencia a formar compuestos) a través de enlaces químicos. Los enlaces se forman transfiriendo o compartiendo electrones entre átomos. Los tres tipos de enlace más importantes en química son el iónico, el metálico y el covalente.

Los

átomos son especies eléctricamente neutras; es decir, el número de protones iguala al de electrones. Un átomo puede ceder o ganar electrones generando un ión positivo (catión) o negativo (anión).

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Figura 3. Relación de la química con otras ciencias.

El enlace iónico

se forma por interacción electrostática entre cationes y aniones. Los elementos de los grupos 1 y 2 tienen tendencia a generar cationes. Los aniones son formados por los elementos (solos o combinados entre ellos) nitrógeno (N), oxígeno (O), azufre (S) y los elementos del grupo 17 (excepto el astato, At), el grupo de los halógenos. Los compuestos iónicos no existen como entidades discretas sino como conglomerados de iones, dónde cada catión está rodeado por varios aniones y cada anión está rodeado por varios cationes. Por ejemplo, la sal común o cloruro sódico tiene fórmula estequiométrica NaCl, donde un átomo de sodio (Na) se combina con un átomo de cloro (Cl). Sin embargo, esta fórmula no refleja la estructura real del compuesto en estado sólido, pues cada catión sodio (Na+) está rodeado por seis aniones cloruro (Cl-) y cada anión está rodeado por seis cationes (Figura 2). En disolución acuosa, el cloruro sódico está disociado en el catión sodio y el anión cloruro, dónde los iones están separados por moléculas de agua.

El enlace metálico

es el responsable de la estructura y propiedades de los metales. En este caso, algunos electrones (los más alejados del núcleo) de los átomos metálicos son compartidos por todos los átomos del metal, creando una nube electrónica. Estos electrones, denominados deslocalizados, tienen movilidad y son los responsables de la conductividad eléctrica y térmica de los metales.

El

enlace más frecuente se produce cuando los átomos comparten electrones, dando lugar al enlace covalente. La agrupación de átomos a través de enlaces covalentes constituyen las moléculas, que son las especies preponderantes en química; y, por eso, la química se ha definido también como la ‘ciencia molecular’, aunque esta definición se queda corta en la definición de los límites de la química.

Todo

lo que nos rodea en nuestro planeta está constituido por especies química (iónicas, metálicas o covalentes). Por eso, se puede decir que todo es química (ver siguiente apartado) y la química es la ciencia central.

La

Figura 2. Estructura cristalina de cloruro sódico.

figura 3 muestra la relación de la química con otras ciencias. La química interacciona con otras ciencias, como la toxicología, la ciencia de los alimentos, las ciencias medioambientales, la ciencia de los materiales, las ciencias agrícolas, la veterinaria, la medicina, la biología y la física. Se observa que la flecha que une la química con el resto de ciencias tiene su origen en la química. En todas estas ciencias se usan conceptos y métodos de la química (basados en el empleo y manipulación de moléculas) para estudiar fenómenos y/o generar productos de consumo. Por poner algunos ejemplos, todo lo que comemos es una mezcla de sustancias químicas (ya sean naturales o artificiales) o el efecto biológico que tienen

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Figura 4. Objetos de consumo cuya producción depende de productos químicos. Se recoge una frase de Baekeland (el inventor de la baquelita, el primer plástico de uso masivo) reconociendo el poder de la química. las sustancias químicas se tiene que explicar a nivel molecular, lo que influye en ciencias biomédicas, toxicología y ciencias medioambientales. La flecha que une la física con la química es de doble punta, indicando la contribución mutua que ambas ciencias tienen: la química aportando moléculas para realizar experimentos y verificar teorías, y la física aportando base conceptual a la química. Finalmente, las aportaciones de la química a las matemáticas son escasas, siendo más importantes las de ésta a aquella, proporcionando base teórica y métodos numéricos. Esta característica hace que la química sea considerada la ciencia central.

La

química es la ciencia del cambio, es la ciencia que estudia los fenómenos por los que la materia se transforma. Algunas de estas transformaciones, como la oxidación de un trozo de hierro o el incendio de un bosque son procesos químicos naturales que ocurren en nuestro planeta. Son reacciones de oxidación (pérdida de electrones y/o ganancia de oxígeno) porque vivimos en un ambiente oxidante causado por el oxígeno del aire que respiramos; que también provoca muchas reacciones en nuestro organismo, de las que obtenemos energía.

Una

cualidad importante de la química en relación con los avances en nuestra sociedad es la capacidad para realizar transformaciones a voluntad de la materia; actividad denominada síntesis química. La química es la ciencia que proporciona muchas de las comodidades de nuestra vida diaria, pues están basadas

en el uso de sustancias química sintéticas. Estas múltiples aplicaciones de la química la convierten en la química de lo cotidiano. La imagen de la figura 4 muestra objetos cotidianos que se fabrican a partir de sustancias químicas.

Cuando

los químicos se dieron cuenta que podían crear nuevas sustancias químicas, empezaron a buscar aplicaciones. Ya en el siglo XIX, la química era una ciencia de moda en la sociedad pues proporcionaba muchas sustancias (mejoras en la producción de alimentos, tejidos, colorantes, jabones, metales, medicamentos) que facilitaban la vida de las personas.

La

obtención de moléculas por diseño ha dado lugar a otra de las ‘visiones’ de la química como la ciencia que crea su propio objeto. En esta frase, acuñada por Berthelot (1827-1907) se recoge el carácter creativo de la química, que le hace parecer al arte, pues en palabras del Premio Nobel de química, Jean-Marie Lehn (nacido en 1937, Premio Nobel en 1987): “La química es como el arte. Por ambos caminos obtienes cosas. Con la química puedes cambiar el orden de los átomos y crear realidades que no existían”.

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Los límites de la química. Su relación con la física y la biología.

Debido a

que la química es la ciencia de las moléculas, que son la base de la materia que nos rodea, a los químicos nos gusta decir que “todo es química”; aunque somos conscientes que ciertas fenómenos de la naturaleza (especialmente las que tienen que ver con estructuras enormes, como las galaxias, o con muy altas energías, en los aceleradores de partículas) quedan fuera del alcance de la química.

Por otro lado,

la física intenta descifrar las leyes que rigen el Universo, desde el conjunto de galaxias hasta los componentes más pequeños de la materia. El objeto de su estudio abarca dimensiones desde 1026 m (tamaño aproximado del universo) hasta 10-16 m (tamaño de un quark, una partícula subnuclear). La física intenta explicar la naturaleza estableciendo leyes que se ajustan a los principios de las interacciones de los cuatro campos físicos: gravitatorio, electromagnético, nuclear fuerte y nuclear débil. Uno de los retos de la física es la unificación de todos los campos, estableciendo una teoría única de campos.

Como

En comparación

La posición

¿Cuáles

se ha destacado en el apartado anterior, es más adecuado definir la química como la ciencia de las cosas cotidianas, puesto que todos los seres humanos interaccionamos con miles de sustancias químicas al día: el aire que respiramos, el agua que bebemos o usamos, la comida que ingerimos, los artilugios que utilizamos, el combustible que consumimos, la ropa que vestimos, etc. central de la química en su relación con otras ciencias, indicadas en la figura 3 también pone de manifiesto que la relación entre dos ciencias distantes suele pasar a través de la química. La razón de esto es que cuando dos ciencias distantes interaccionan lo suelen hacer a través de sus componentes íntimos, las moléculas.

Aunque

la química se relaciona con muchas ciencias, su relación ha sido especial con la física y la biología. Por eso, también se ha definido la química como la ciencia que está entre la física y la biología. Esta relación tiene implicaciones históricas y temáticas. Por un lado, desde el punto de vista temático, la química comparte áreas de interés y métodos de estudio con estas dos ciencias. Desde un punto de vista histórico, el desarrollo de la química frecuentemente ha dependido de los avances en física. Por otro lado, la biología moderna, fundamentada en la bioquímica y en la biología molecular, usa técnicas y metodologías de la química.

La relación

con la física y la biología; la química, aparentemente, tiene objetos de estudio y objetivos más modestos, como se ha indicado anteriormente; aunque, no hay que olvidar que es la ciencia que proporciona todas las comodidades de nuestra vida diaria. son los límites de la �������������� química? Puesto que el objeto de su estudio son las moléculas y todo está hecho de moléculas, podemos pensar que la química estudia todo (con las excepciones comentadas anteriormente; es decir, lo que está influido por los campos gravitatorios y los nucleares). Sin embargo, tradicionalmente, los límites de la química los marca las ciencias clásicas con las que hace frontera: la física y la biología.

Se

ha dicho que la química empieza en la última capa electrónica y que el resto del átomo es ‘cosa’ de los físicos.

Es cierto

que los electrones de la capa más externa (electrones de valencia) son los que participan en las reacciones químicas, en la formación de enlaces y en las interacciones no covalentes; y muchas veces se ha dejado de lado el papel del núcleo y los electrones de las capas internas en el comportamiento químico. Sin embargo, los electrones de las capas más internas y (especialmente) los núcleos no son inocuos en química. El ejemplo más importante es el de una especie sin electrones, fundamental en química, el catión del átomo de hidrógeno, el protón [aunque debido a su gran reactividad (acidez y electrofilia), generalmente se encuentra coordinado a otras especies].

de la química con la física y la biología fija los límites y el alcance de la química. “La Química entre la Física y la Biología” Así comienza el Libro de la Química Moderna (Ediciones Omega, 1973, descatalogado, pero que se puede comprar en anticuarios) y el prefacio al mismo (por Manfred Eigen, nacido en 1927, Premio Nobel en 1967) y tiene dos connotaciones. Por un lado, da idea de la centralidad de la química como ciencia y por otro lado, intentamos ponernos a la altura de la biología y de la física, que tienen dos grandes objetivos: entender la vida y el Universo.

La

Sin duda alguna

La

, el objeto de estudio (la vida) de la biología es apasionante, lo que tiene connotaciones materiales y espirituales para el ser humano.

posición de los núcleos, su carga y masas determinan las posiciones más estables de los electrones en los átomos (la región del espacio dónde hay mayor probabilidad de encontrar al electrón) y en las moléculas determinan los mínimos en las superficies de energía potencial (las configuraciones más estables de las moléculas). posición y masa de los núcleos influyen en propiedades físico-químicas importantes como las frecuencias de vibración y rotación de las moléculas [con las aplicaciones en espectroscopia infrarroja (IR), Raman

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y de microondas]. También es importante el núcleo en espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), que es una herramienta fundamental en el estudio estructural, especialmente de moléculas orgánicas; y que es debida al acoplamiento energético de un núcleo con momento magnético (los que tienen un número impar de neutrones o de protones) con un campo magnético externo.

Los núcleos

tienen importancia en cinética química, pues influyen en los efectos isotópicos cinéticos (KIE, de sus siglas en inglés, Kinetic Isotope Effect). El KIE es una herramienta valiosa en la investigación de mecanismos de reacción (estudiar en detalle como los reactivos se convierten en productos de una reacción química). Se ha encontrado que la velocidad de una reacción química depende del isótopo (átomos de un mismo elemento químico con distinto número de neutrones) del elemento que participa en la etapa limitante de la velocidad de la reacción. Cuanto mayor sea la proporción entre las masas de los dos isótopos, mayor es el efecto isotópico; por eso, el KIE más importantes se producen en las reacciones en las están implicados átomos de hidrógeno/ deuterio.

Un tema

de interés actual en química es como los efectos relativistas influyen en las propiedades químicas y químico-físicas de los átomos y moléculas; este hecho tiene especial importancia en los elementos pesados (y superpesados) del sistema periódico, dónde la velocidad de los electrones de las capas internas es muy alta (cercana a la de la luz) y hay que tener en cuenta las ecuaciones de la Teoría de la Relatividad (teoría de Dirac de la mecánica cúantica relativista).

Finalmente

, esta discusión sobre la importancia del núcleo en química no puede acabar sin mencionar la química nuclear. Aunque se ha apuntado que las interacciones nucleares son las responsables de la estabilidad/inestabilidad de los núcleos atómico y que estas son tema de la física, también es cierto que la química nuclear es una parte importante de la química, dónde investigan muchos químicos.

A partir

de la mitad del siglo XX, tras los experimentos de Avery (1877-1951) sobre la identificación del ADN como portador de la información genética, y la publicación del libro What is life? de Schrödinger (1887-1961, Premio Nobel de Física en 1933) nació una nueva ciencia, la biología molecular; que relacionada con la bioquímica, se centra en el estudio de las moléculas responsables de la transmisión de la información genética. Tanto la bioquímica como la biología molecular están estrechamente relacionadas con la química. A partir de estas dos subdivisiones de la biología ha surgido una nueva área de investigación multidisciplinar, la biomedicina, que también guarda estrecha relación con la química y que trataré en un próximo artículo. Es indudable que los límites de cada ciencia (especialmente la física, la biología y la química) son difusos (realmente siempre lo han sido) y cada vez lo serán más, debido a la mayor interdisciplinaridad de estas tres ciencias. Lo que tiene que hacer un científico moderno es saber un poco de todo y abordar los temas desde un punto de vista multidisciplinar.

Bernardo Herradón es Investigador Científico en el CSIC, trabajando en el Instituto de Química Orgánica General, investigando en temas variados en química, desde la síntesis orgánica a la toxicología computacional, pasando por materiales híbridos orgánico-inorgánico nanoparticulados, aromaticidad y compuestos biológicament activos. Es un apasionado de la transmisión de la cultura científica, manteniendo una extensa actividad en INTERNET; ‘Los avances de la química’, ‘Educación Química’, ‘Madrimasd’, charlas en centros de enseñanza, ferias científicas, cursos de divulgación y comisario científico de la exposición 'Entre Moléculas'. Puedes visitar su perfil profesional, así como su perfil personal en Facebook o Twitter.

La otra

frontera ‘clásica’ de la química está con la biología. El descubrimiento de que los compuestos orgánicos no estaban ligados a ninguna fuerza vital y que se podían preparar en el laboratorio [Wöhler (1800-1882), síntesis de la urea en 1828] fue una revolución en química. A partir de ese momento los químicos empezaron a interesarse por las reacciones químicas en los organismos vivos, siendo el origen de la química biológica o bioquímica. Esta disciplina científica se puede definir como la explicación química de los procesos de la vida y se puede clasificar tanto como una parte de la química como de la biología.

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