Moléculas a reacción

Blog de divulgación del Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea

La Química y las “otras luces” (y II)

José Ignacio García Laureiro, ISQCH

En nuestra anterior entrega hablamos del espectro de las ondas electromagnéticas, del que la luz visible constituye tan solo una estrecha franja. Describimos la parte del espectro que se encuentra más allá del rojo, en la zona de longitudes de onda mayores que las de la luz visible, y vimos algunos ejemplos de lo que los químicos podemos aprender de las moléculas, cuando las miramos con ese tipo de luz.

En el post de hoy, nos volveremos a la otra parte del espectro, la que se encuentra más allá del violeta, y que corresponde a las longitudes de onda más cortas y, por tanto, más “energéticas”.[1] Nuevamente, veremos que es posible mirar la materia con este tipo de luz “invisible” y, en este caso, extraer información acerca del comportamiento de los electrones y los núcleos atómicos.

El espectro electromagnético completo

El espectro electromagnético completo

La luz cuya longitud de onda se encuentra por debajo de los 400 nm es la que se conoce como luz ultravioleta. Aunque este tipo de luz es invisible para nosotros, los insectos sí que la pueden percibir. El mundo de las flores es sorprendentemente distinto si uno posee “visión ultravioleta”. Casi se puede leer el mensaje: “la comida está AQUÍ”. Y el polen, también, claro; no hay comida gratis…

flor_UV

A la izquierda, un abejorro sobre una flor, bajo luz visible y luz UV. A la derecha, una interpretación en “falso color” de lo llamativas que les deben parecer las flores a los insectos cuando las ven con su “visión UV”

¿Y cómo interacciona la luz UV con las moléculas? En este caso, la energía de esta luz, mucho mayor que la de las luces que vimos en el anterior post, es capaz de hacer saltar los electrones más externos de los átomos a situaciones de mayor energía. Estas situaciones se conocen como estados excitados. Estos estados no son estables, y normalmente el electrón vuelve a su posición inicial, deshaciéndose de esa energía de una forma u otra. Una de ellas es emitir luz visible, lo que se conoce como fluorescencia.

fluor

Absorción de luz ultravioleta por una molécula. Las zonas rojas son más ricas en electrones y las azules, más pobres. Cuando un electrón es excitado, cambia la distribución electrónica en toda la molécula. Tras la emisión de luz visible, los electrones vuelven a sus posiciones de energía más estables.

A esa capacidad de interaccionar fuertemente con los electrones se debe la peligrosidad de los rayos UV. Todos sabemos que debemos proteger nuestra piel de su acción, ya que pueden dar lugar a quemaduras e incluso cáncer de piel. La aparición del cáncer se debe al daño que producen estas radiaciones sobre la estructura del ADN de las células. Ni la luz visible ni las de longitudes de onda más largas (y por lo tanto, menos energéticas) son capaces de producir estos daños. Un argumento más en contra de la peligrosidad de la wifi o los teléfonos móviles, como comentábamos en nuestro post anterior.

Al igual que podíamos realizar espectros utilizando las transiciones provocadas por la luz infrarroja o las microondas, los químicos también podemos obtener espectros de absorción de la luz ultravioleta, lo que nos permite distinguir unas sustancias de otras y también determinar de forma muy precisa su cantidad en una muestra. Abajo os muestro los espectros de UV del benceno y el agua, nuestras sustancias misteriosas del post anterior.

Espectro UV del benceno

Espectro UV del benceno

Espectro UV del agua

Espectro UV del agua

Si nos seguimos moviendo hacia longitudes de onda más cortas, nos encontramos los rayos X, descubiertos por Röntgen en 1895. Estos rayos tienen una longitud de onda tan corta y tan alta energía, que son capaces de atravesar espesores relativamente grandes de materiales comunes. Solo los materiales más densos son capaces de detenerlos. En esto se basa el empleo más conocido de los rayos X: la radiografía. Al colocar nuestro cuerpo entre la fuente de rayos X y una placa fotográfica, solo los huesos poseen una densidad suficiente como para detener parte de la radiación, quedando esas partes de la placa sin impresionar.

Una de las primeras radiografías realizadas por Wilhelm Röntgen correspondiente a la mano izquierda de  Albert von Kölliker

Una de las primeras radiografías realizadas por Wilhelm Röntgen, de la mano izquierda de Albert von Kölliker

De forma similar, los rayos X se emplean para detectar pequeñas imperfecciones (tales como poros, grietas o variaciones del espesor) en materiales  para tuberías, turbinas, motores y otras aplicaciones en las que la integridad es fundamental. ¿Y en química? Al ser los rayos X más energéticos que los UV, son capaces de interaccionar con los electrones más profundos de los átomos, de forma que es posible realizar espectros similares a los UV, pero con este tipo de electrones y de luz: es la llamada espectroscopia de rayos X. Permite, entre otras cosas, conocer la composición química de la superficie de un material, e incluso la organización espacial de los átomos. Por otra parte, al ser la longitud de onda de los rayos X del mismo orden que la distancia entre los átomos de las redes cristalinas, puede utilizarse el fenómeno de difracción de rayos X para establecer las posiciones de los átomos en este tipo de redes, lo que nos permite obtener una “foto” a nivel atómico de los materiales cristalinos. Como ejemplo se muestran más abajo las estructuras del benceno y el agua, nuestros particulares conejillos de Indias.

Estructura cristalina del benceno, determinada por difracción de rayos X

Estructura cristalina del benceno, determinada por difracción de rayos X

Estructura cristalina del agua (hielo), determinada por difracción de rayos X

Estructura cristalina del agua (hielo), determinada por difracción de rayos X

Llegamos ya casi al extremo de nuestro espectro lumínico, a la zona de los rayos gamma. Al igual que los rayos X, este tipo de luz pertenece a la categoría de radiaciones ionizantes, ya que tienen energía suficiente para arrancar electrones de los átomos, produciendo especies cargadas, es decir, iones. Este tipo de radiaciones son las más peligrosas, ya que tienen impacto a corto y largo plazo sobre los tejidos vivos, dañando el ADN y provocando la aparición de cánceres. Por eso no podemos estar sometidas a ellas durante mucho tiempo. Los rayos gamma se producen en procesos radioactivos, como la desintegración β del cobalto-60 (60Co) a níquel-60 (60Ni). También en procesos de aniquilación materia-antimateria, como veremos enseguida. Tienen un gran poder de penetración en los materiales, de forma que para protegernos de ellos hacen falta pantallas de varios centímetros de plomo o muchos más de hormigón, como sucede en las centrales nucleares.

¿Podemos utilizar los rayos gamma para ver con ellos cosas de otro modo invisibles? Por supuesto que sí. Se utilizan en radiodiagnóstico, por ejemplo para la detección de cáncer de huesos, administrando a los pacientes una sustancia radioactiva que presente este tipo de emisiones, como el tecnecio-99m (99mTc). También son la base de la detección en el caso de la tomografía por emisión de positrones, o PET en sus siglas en inglés. En este caso, la química juega un papel muy especial, como veremos.

Los isótopos radioactivos de algunos elementos experimentan un tipo de desintegración β particular, en la que en lugar de un electrón el núcleo emite un antielectrón, o positrón. Es el caso del flúor-18 (18F), que por emisión positrónica se transforma en oxígeno-18 (18O), una forma rara, pero estable, del oxígeno. Los positrones interaccionan con cualquier electrón del entorno, desintegrándose el par partícula/antipartícula con la emisión de fotones de alta energía, los rayos gamma.[2] La PET más habitual se basa en administrar al paciente por vía intravenosa un derivado de glucosa, la 2-fluorodesoxiglucosa, en la que el flúor incorporado es 18F. Este derivado se distribuye por los tejidos, y la desintegración del flúor radioactivo lo transforma en glucosa.

Transformación de fluorodesoxiglucosa en glucosa, con emisión de rayos gamma

Transformación de fluorodesoxiglucosa en glucosa, con emisión de rayos gamma

Esta técnica es particularmente útil en el caso la detección de carcinomas, especialmente en el cerebro, ya que el metabolismo de las células cancerosas suele ser más rápido. El mayor consumo de glucosa de estas células permite detectar fácilmente la zona afectada, gracias a la mayor concentración de fluorodesoxiglucosa y la consiguiente mayor emisión de rayos gamma. Lo mismo sucede con otros órganos, pudiendo obtenerse imágenes de gran utilidad para el diagnóstico. Ahora viene la parte estresante: el 18F tiene una vida media de 109 minutos y, lógicamente,[3] no se encuentra en la naturaleza. Hay que generarlo en instalaciones especializadas, como ciclotrones y, una vez generado, en unas pocas horas se ha desintegrado completamente. Por ello hay que incorporarlo cuanto antes, mediante reacciones químicas muy rápidas y selectivas, a una sustancia orgánica que actúe como marcador (como es la fluorodesoxiglucosa), y administrarlo al paciente en el plazo de minutos a pocas horas de haberse preparado esta sustancia. Química a contrarreloj…

Imagen del interior gdel cuerpo generada por PET

Imagen del interior del cuerpo generada por PET

Y con esto llegamos al final de nuestro repaso de lo que los químicos somos capaces de ver y hacer con las luces no visibles, pero igualmente importantes, del espectro. Con los rayos cósmicos aún no nos hemos metido, pero todo se andará😉


Notas:

[1] Recordemos brevemente las ecuaciones que relacionan energía (E) y longitud de onda de la luz (λ): E = ν y ν=c. De ahí que E=h·c, don de h y c son constantes. A menor λ, mayor E.

[2] Voy a aprovechar para poner otra de las grandes pequeñas fórmulas de la física, quizá la más universalmente conocida, la ecuación de Einstein E=m·c2. En la desintegración electrón/positrón, la masa de ambas partículas se transforma íntegramente en energía, de ahí que la longitud de onda de la luz emitida sea tan corta.

[3] En apenas 24 horas, todo el 18F que pudiera haber tenido nuestro planeta se habría desintegrado, y dado que su formación requiere grandes energías, solo podemos obtenerlo artificialmente, en cantidades y por tiempos muy limitados.


Esta entrada participa en el XLIX Carnaval de Química: Edición Indio, alojado en el blog Radical Barbatilo

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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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Esta entrada fue publicada en 04/07/2015 por en Carnaval de Química, Conceptos, Cristalografía, Difracción, Energía, Técnicas y etiquetada con , , , , , .

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