Moléculas a reacción

Blog de divulgación del Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea

La Química y las “otras luces” (I)

José Ignacio García Laureiro, ISQCH

2015 ha sido declarado el Año Internacional de la Luz, y todavía no le habíamos dedicado la atención que se merece. La luz es, sin duda, fundamental en nuestras vidas. Nuestra actividad está muy condicionada por nuestro sentido de la vista. Por eso, cuando queremos afirmar de forma taxativa nuestra seguridad en algún acontecimiento, usamos el conocido pleonasmo: “lo vi con mis propios ojos”. El cerebro, a veces, nos juega malas pasadas al interpretar lo que “nuestros propios ojos” han visto, pero eso es otra historia…

Un párrafo, y todavía no hemos hablado de química. ¿Os habéis equivocado de blog? ¡Nada de eso! Hay mucha, muchísima química, asociada a la luz: cómo generamos luz artificial, cómo nuestros ojos pueden percibir la luz, cómo lo hacen los sensores de las cámaras fotográficas, cómo la luz se convierte en imágenes cuando impresiona un película fotográfica “química”, cómo se convierte en energía eléctrica cuando incide en las placas solares, o cómo se convierte en azúcares cuando las plantas realizan la fotosíntesis… Como veis, todo un mundo de posibilidades. ¡Ah, pero todo esto hace referencia tan solo a la “luz visible”!

La luz visible (es decir, la que es capaz de ser percibida por nuestros ojos), abarca tan solo una minúscula parte del espectro electromagnético, en las longitudes de onda comprendidas entre 400 y 700 nm (un nanómetro es una milmillonésima de metro). Es la zona en la que aparece el arcoíris de los colores: del violeta al rojo.

El espectro electromagnético completo

El espectro electromagnético completo, con la zona visible ampliada en la parte inferior

Pero el espectro de las ondas electromagnéticas es mucho, mucho más amplio, comprendiendo longitudes de onda entre kilómetros (ondas de radio) a picómetros (rayos gamma; un picómetro es una billonésima de metro). Y sí, lo habéis adivinado, los químicos no nos conformamos solo con la estrecha zona de la luz visible: empleamos todo el espectro de luz para extraer información de todo tipo acerca de las moléculas, lo que a su vez puede traducirse en aplicaciones prácticas que pueden ir desde calentar rápidamente el desayuno a detectar un tumor cerebral.

Longitud de onda, frecuencia y energía

Un breve recordatorio, aprovechando dos simples, pero poderosas ecuaciones de la física. La primera, de la teoría electromagnética, c = λ · ν, nos dice que el producto de la longitud de onda por la frecuencia es una constante, precisamente la velocidad de la luz en el vacío. Como c es constante, a mayor λ, menor ν, es decir, a mayor longitud de onda, menor frecuencia de la luz. La segunda, de la teoría cuántica, es la ecuación de Planck: E = h · ν. Esta ecuación nos dice que a mayor frecuencia de la luz, mayor energía, ya que h es constante (la constante de Planck). Combinando ambas, es fácil ver que la luz de menor longitud de onda (UV, rayos X) es más “energética” que la de mayor longitud de onda (microondas, radio)

Empezaremos por un problema práctico, que nos guiará a lo largo de gran parte de nuestro viaje por el espectro lumínico. ¿Podemos distinguir a simple vista el contenido de los dos frascos que aparecen en la imagen inferior?

¿Puede la luz decirnos qué contienen estos frascos?

¿Puede la luz decirnos qué contienen estos frascos?

Ambos contienen un líquido transparente e incoloro. Podría tratarse de la misma sustancia o de sustancias diferentes: la luz visible no nos lo puede aclarar. Digamos que en un caso se trata de agua y en el otro de benceno.[1] En esta primera parte, viajaremos por la parte “invisible” del espectro que comprende las longitudes de onda más largas que las de la luz visible, es decir, por encima de 700 nm, hasta llegar a los metros y más allá.

Inmediatamente al lado de la longitud de onda visible más grande, que, como recordaréis, corresponde al color rojo, nos encontramos con la luz infrarroja. La luz infrarroja es invisible a nuestro ojo, pero no al de las cámaras de algunos teléfonos móviles. Podéis hacer el experimento de pulsar el mando a distancia de la tele mientras lo enfocáis a través de vuestro móvil: veréis un punto luminoso, invisible al ojo desnudo: son los rayos infrarrojos. También percibiréis estos rayos, aunque no con la vista, sino con la piel, cuando el grill de vuestro horno empieza a calentarse, ya que la transmisión de calor por radiación tiene lugar de forma importante mediante la luz infrarroja. El mismo principio es el que explica el funcionamiento de las “gafas de visión térmica”, capaces de captar el calor de los objetos.

¿Y qué pasa con nuestro pequeño problema de identificación? La radiación infrarroja tiene la propiedad de corresponder a una frecuencia que se encuentra en la misma zona que la de las vibraciones de los enlaces entre átomos de una molécula. Podemos imaginar estos enlaces como muelles que unen dos o más masas (los átomos). La vibración de estos muelles es capaz de “resonar” cuando la luz infrarroja de la frecuencia adecuada incide en la molécula, de forma similar a como un diapasón vibra en presencia de otro que está afinado en la misma frecuencia, aunque no se toquen. Los químicos somos capaces de identificar esas frecuencias de resonancia, que son distintas para cada tipo de átomos y enlaces, lo que nos permite distinguir entre el agua y el benceno de una forma muy sencilla, por comparación de sus respectivos “espectros de infrarrojo”. Debajo tenéis los espectros de ambas sustancias y unas animaciones que muestran cómo a cada tipo de movimiento le corresponde una frecuencia de resonancia distinta.

Espectro IR del benceno y una de sus vibraciones C-H

Espectro IR del benceno y una de sus vibraciones C-H

Espectro IR del agua y una de sus vibraciones O-H

Espectro IR del agua y una de sus vibraciones O-H

Si nos alejamos un poco más, hacia las longitudes de onda más largas, del orden de los centímetros, llegamos a la zona de las microondas, el reino de la telefonía móvil, los canales UHF de televisión y los hornos domésticos.[2] En esta zona, el tipo de movimientos moleculares capaces de acoplarse con esta clase de luz son las rotaciones, siempre que las moléculas posean una separación de cargas que dé lugar a una orientación preferente en un campo eléctrico, lo que se conoce como momento dipolar. Volviendo a nuestras moléculas, el agua es capaz de orientarse en un campo eléctrico, pero el benceno, no. Si el campo eléctrico oscila, como lo hace en el caso de las ondas electromagnéticas, el agua intentará seguirlo, cambiando su orientación. Pero como el campo oscila mucho más deprisa de lo que las moléculas pueden moverse, esto provocará un movimiento de “cabeceo”, dando lugar a fricción en el líquido, y de ahí a la generación de calor. Por eso el agua se calienta rápidamente en el horno microondas, mientras que el benceno no lo hace (pero no lo probéis en casa: el benceno es una sustancia tóxica, inflamable y cancerígena; mejor no jugar con ella).

Rotación incompleta de las moléculas de agua en un campo eléctrico oscilante

Rotación incompleta de las moléculas de agua en un campo eléctrico oscilante

Como pasaba en el caso de los infrarrojos, también podemos obtener espectros de microondas de las moléculas, distinguiendo así unas sustancias de otras. De hecho, este tipo de espectros se emplean mucho en astrofísica, y nos permiten conocer la composición química de nubes de gas que se encuentran a distancias inimaginables. La astrofísica se convierte en astroquímica.

Llegamos a las longitudes de onda más larga, las de radio, que van del orden de metros a kilómetros. ¿Nos hablan también las moléculas por radio? Pues sí que lo hacen, aunque tan solo en determinadas condiciones. A estas alturas todos hemos oído hablar de la resonancia magnética, que los químicos seguimos calificando de nuclear, mientras que los médicos la han transformado en funcional. La Resonancia Magnética Nuclear, o RMN, es una técnica que nos permite conocer la estructura de una molécula, en función del comportamiento de determinados núcleos atómicos en presencia de un campo magnético muy intenso. En su versión médica, este comportamiento se emplea para generar una imagen de los tejidos, que ayuda al diagnóstico. Como habréis comprobado, han aparecido los términos “magnético” y “núcleo”.

A la izquierda, el típico aparato de RMN para usos químicos. A la derecha, el que se emplea en medicina. Ambos se basan en los mismos principios

A la izquierda, el típico aparato de RMN para usos químicos. A la derecha, el que se emplea en medicina. Ambos se basan en los mismos principios

Nos falta la “resonancia”. De nuevo, se trata de encontrar las ondas electromagnéticas cuya energía es adecuada para entrar en resonancia con esas transiciones nucleares que se producen en el campo magnético. Y esas ondas nos son otras que las ondas de radiofrecuencia. Así que, en este caso, podemos obtener espectros de RMN que nos dan mucha información acerca de los átomos de la molécula y de su entorno. Distinguiendo de nuevo sin ningún género de dudas el agua del benceno.

Espectro de H-RMN del agua

Espectro de H-RMN del agua

Espectro de H-RMN del benceno

Espectro de 1H-RMN del benceno

Como veis, la “luz invisible” de longitudes de onda superiores al rojo nos permite a los químicos “ver” mucho más allá de lo que nos dicen nuestros propios ojos. Pero otro tanto pasa con la luz de longitud de onda más corta que el violeta. Tendréis que esperar a la próxima entrega para saber más al respecto.


Notas:

[1] Bueno, debo confesar que he hecho un poco de trampa. Para ser sinceros, podría determinarse que ambos líquidos son distintos midiendo su índice de refracción de la luz visible, pero no se lo digáis a nadie, que me arruináis el argumento del post de hoy…😉

[2] No, aunque los teléfonos móviles y la wifi de casa funcionen con microondas, no nos van a freir el cerebro ni nada por el estilo. Es un problema de densidad de energía: nuestro horno casero de microondas funciona con potencias de cientos de vatios, mientras que los móviles y la wifi funcionan a potencias que van desde varios milivatios a 1 vatio. El mayor riesgo para la salud del móvil es ir hablando por él mientras conducimos.


Esta entrada participa en el XLVIII Carnaval de Química: Edición Cadmio, alojado en el blog Activa tu neurona

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Acerca de isqch

El Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (ISQCH) es un instituto de investigación química mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Zaragoza.

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