La química entre nosotros

Por José Franco, José Manuel Vázquez Ramos y Jorge Peón Peralta

La química entre nosotros es una selección integrada por once artículos de divulgación preparados por dieciséis investigadores y estudiantes en activo de la Facultad y el Instituto. Desde la enseñanza, la investigación y la divulgación, las tres instancias universitarias participamos en este esfuerzo editorial con el objetivo de contribuir a la apreciación y el entendimiento de la química en tanto conocimiento imprescindible para la vida y la cultura del siglo XXI.
El interés de los autores por dar vida a esta antología se explica por la necesidad de dar a conocer —de una manera sencilla pero rigurosa— los conocimientos generados en sus estudios de frontera, lo cual sin duda ampliará el contacto de los lectores con las ciencias químicas. Es por medio de la divulgación como se pueden aportar conocimientos fundamentales sobre las diversas áreas de la química y su relación con otras disciplinas científicas, para acercar así a la sociedad a los complejos desarrollos del mundo académico, con miras a obtener un mejor entendimiento de las relaciones entre ciencia y vida cotidiana.

• Idioma: Español
• Editorial: UNAM, Dirección General de Divulgación de la Ciencia
• Fecha de lanzamiento: 9 abr 2024
• ISBN: 9786073087124

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SUSANA PORCEL GARCÍA

El renacimiento de la química del oro

En las dos últimas décadas el oro ha dejado de ser considerado un metal inerte para transformarse en objeto de numerosos estudios sobre sus propiedades a nivel nanoscópico, como catalizador y en biomedicina. Los descubrimientos realizados muestran el gran potencial de este metal y auguran muchas aplicaciones en diversas áreas.

El oro es uno de los metales más codiciados: desde la antigüedad, muchas civilizaciones lo han empleado con fines ornamentales y como moneda de cambio, debido a que su resistencia frente a la oxidación, la humedad y la mayoría de los agentes corrosivos le permite conservar su color amarillo y brillo a pesar del paso del tiempo.

Hoy en día, su inercia química ha sido aprovechada en los lugares más insospechados. Por ejemplo, la mayoría de las bolsas de aire de los automóviles poseen contactos de oro para asegurar un correcto funcionamiento cuando sea necesario. Por su baja toxicidad, los chefs de cocina más atrevidos lo han incluido en su lista de ingredientes para satisfacer los gustos de sus comensales más extravagantes; en gastronomía, debido a que el oro puro es un metal muy blando, se emplea en forma de láminas o polvo —de esta manera se pueden decorar exquisitos postres—; por tratarse de un metal inerte, abandona el organismo sin efectos secundarios en alrededor de veinticuatro horas.

Sin embargo, la aparente baja reactividad del oro, que lo ha hecho tan atractivo desde el punto de vista estético, había sido la causa de que los químicos no se hubieran interesado por este metal. Sólo hasta finales del siglo pasado se observó que, bajo ciertas condiciones, el oro presenta una reactividad especial que lo distingue de otros metales. Así que a partir del nuevo siglo asistimos a lo que muchos han denominado la fiebre del oro en química, debido a que se ha producido un incremento acelerado y masivo en el número de publicaciones científicas relacionadas con el estudio de las propiedades, reactividad y aplicaciones del dorado metal. Tanto es así que es el único elemento de la tabla periódica para el cual existe una revista (Gold Bulletin), en la cual desde 1971 se publican, de manera exclusiva, artículos relacionados con las nuevas aplicaciones de este metal.

Origen de las propiedades del oro

Pero ¿qué hace tan especial a este elemento? Comencemos por hablar de su estructura elemental. Los átomos de oro poseen una carga nuclear elevada, lo cual hace que sufran los llamados efectos relativistas. A lo largo de la tabla periódica, a medida que la carga nuclear de los átomos se incrementa, la atracción de los electrones hacia el núcleo aumenta, lo que ocasiona una aceleración de los electrones. Aquellos electrones cuya velocidad se aproxima a la de la luz experimentan fenómenos relativistas. De acuerdo con la teoría de la relatividad de Einstein, cuando un objeto se mueve a velocidades muy altas, su masa se incrementa; como consecuencia, disminuye la distancia respecto al núcleo de aquellos electrones que se mueven a velocidades cercanas a las de la luz. Esta variación anómala de las distancias de los electrones respecto al núcleo tiene diversos efectos, y es la causa de muchas de las propiedades y formas de reactividad peculiares del oro.

Entre las consecuencias más directas está una disminución en la energía de los electrones de las capas más externas, por lo que se necesita una mayor cantidad de energía para arrancar un electrón, lo cual se traduce en poca tendencia a la oxidación. Por otro lado, a diferencia de otros metales, los electrones en la banda de valencia del oro —los que se encuentran en su último nivel energético— pueden absorber energía de la luz visible, y por ello observamos un color amarillo. Aunque estamos acostumbrados a ver el oro de este color, puede adquirir otras tonalidades.

En joyería existe el oro blanco, cuyo color se debe a una aleación con otro metal. Sin embargo, por sí mismo el oro puede presentar distintos colores cuando se encuentra en forma de partículas con tamaño inferior a 100 nanómetros, conocidas como nanopartículas (1 nanómetro = 10–9 m). Cuando los objetos miden menos de 100 nanómetros pueden mostrar propiedades físicas y químicas inesperadas. Las propiedades químicas —reactividad e inflamabilidad, entre otras— y las propiedades físicas —punto de fusión, conductividad, etcétera— pueden cambiar en la nanoescala. Así, una dispersión coloidal de nanopartículas de oro de tamaño inferior a 30 nanómetros absorbe luz de color azul de la zona visible del espectro y produce una luz de color rojo. A medida que las nanopartículas de oro aumentan su tamaño, la longitud de onda que absorben se desplaza hacia la zona visible del espectro de longitudes de menor energía, se absorbe luz roja y se refleja luz azul.

Figura 1 | 1. Color de las nanopartículas de oro en función de su tamaño. 2. Detector colorimétrico de clembuterol basado en nanopartículas de oro.

El cambio de color que experimentan las nanopartículas de oro en función de su forma y tamaño ha permitido desarrollar algunas aplicaciones, como los sensores colorimétricos, esto es, detectores que cambian de color al modificarse el valor de una propiedad. Por ejemplo, recientemente se ha diseñado un detector de clembuterol —sustancia broncodilatadora empleada como agente dopante en varias disciplinas deportivas— basado en el cambio de coloración que experimenta una solución de nanopartículas de oro en presencia de dicho compuesto. La medida es muy rápida y puede realizarse en forma directa sobre muestras de sangre. En principio, la suspensión de nanopartículas de oro es de color rojo vino, pero al entrar en contacto con muestras de sangre que contienen clembuterol se vuelve gris, debido a que la interacción con esta sustancia hace que las nanopartículas se agreguen de un modo diferente. El cambio de color se produce de manera rápida, incluso a concentraciones muy bajas del compuesto (figura 1).

El oro como catalizador

La catálisis es la aceleración de una reacción química llevada a cabo por una pequeña cantidad de una sustancia llamada catalizador, la cual no se modifica durante el proceso y permanece esencialmente intacta. Entre los catalizadores más eficientes se encuentran las enzimas, encargadas de acelerar muchas de las reacciones bioquímicas que ocurren en nuestro organismo.

Hay dos grandes grupos de catalizadores: los heterogéneos y los homogéneos. Los primeros ejercen su actividad en una fase diferente a la de los reactivos. En la mayoría de los casos se trata de sólidos que ejercen su actividad sobre sustancias que se encuentran en una mezcla de reacción líquida o gaseosa.

Un ejemplo de catálisis heterogénea es la que ocurre en los tubos de escape de los automóviles equipados con un convertidor catalítico. La función del convertidor es transformar los restos de hidrocarburos —monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno—, provenientes de la combustión de la gasolina, en dióxido de carbono, nitrógeno y vapor de agua, con el objetivo de reducir la emisión de gases nocivos a la atmósfera. El convertidor está constituido por una malla cerámica, parecida a una colmena formada por numerosas celdas, la cual está recubierta de algunos metales, como el platino (Pt), el rodio (Rh) y el paladio (Pd), que actúan como catalizadores. Los gases entran al convertidor, pasan a través de las celdas y se ponen en contacto con la superficie durante 0.1-0.4 segundos, tiempo en el cual ocurre la transformación.

Por el contrario, los catalizadores homogéneos ejercen su actividad en la misma fase de los sustratos sobre los que actúan, por lo cual suelen estar disueltos en un disolvente. Un ejemplo de catalizador homogéneo son las enzimas de nuestro organismo. La gran ventaja de estos catalizadores con respecto a los heterogéneos es que pueden ser diseñados a nivel molecular con gran precisión, son más selectivos y eficaces, ya que todas las moléculas del catalizador están disponibles como centros activos, mientras que en los heterogéneos la reacción ocurre sólo en la superficie de éstos.

Debido a su aparente inercia