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ELEMENTOS DE QUÍMICA GENERAL

Átomos, moléculas y enlaces químicos

Toda la materia consta de unidades simples denominadas átomos. Aunque la

palabra “átomo” significa algo que no puede ser fraccionado (del griego a, sin, y tomée,

corte), lo cierto es que estas partículas elementales están integradas por muchas partes

más pequeñas, las cuales también son divisibles. Los elementos son sustancias formadas

por un mismo tipo de átomo. Los compuestos están integrados por unidades llamadas

moléculas, las cuales son asociaciones estrechas de átomos (en el caso de los

compuestos, los átomos son diferentes) unidos de una manera precisa.

La materia puede existir en tres estados, según las condiciones de temperatura y

presión y de la naturaleza de la sustancia. El estado sólido posee volumen y forma

definidos; el estado líquido tiene volumen definido, mas no forma definida, y el estado

gaseoso carece de volumen y forma definidos, tomando la forma y volumen del

recipiente que lo contiene. El movimiento molecular o atómico alcanza sus límites

máximos en los gases y es relativamente lento en los sólidos.

Cada átomo está formado por un núcleo con carga positiva y un conjunto de

electrones orbitales con carga negativa. Un átomo sencillo, como el de hidrógeno, sólo

posee uno electrón circulando en torno al núcleo, pero los átomos más complejos

pueden tener hasta 106 electrones en las diversas capas electrónicas concéntricas que

envuelven al núcleo. Cada capa puede contener uno o más orbitales, en los que se

encuentran los electrones. Todos los átomos de un elemento poseen el mismo número

de electrones orbitantes, cifra que siempre es igual a la de protones positivamente

cargados presentes en el núcleo. Ese número balanceado de cargas es el número

atómico del elemento. Sin embargo, los pesos atómicos de un elemento dado pueden

diferir en virtud de la presencia de distintos números de neutrones sin carga en sus

núcleos1. Estas variantes del elemento se denominan isótopos.

Aunque todos los átomos de un elemento tienen el mismo número atómico,

pueden presentar diferencias en el peso atómico. Tal diferencia se debe a una variación

en el número de neutrones presentes en el núcleo. Esas variaciones se denominan, como

ya se dijo, isótopos. Los pesos atómicos normales que se presentan en las tablas de los

elementos se obtuvieron promediando los isótopos específicos conforme a su frecuencia

relativa en la naturaleza. Muchos de tales isótopos son inestables debido a los cambios

que los neutrones adicionales producen en la estructura nuclear. Esto conduce a la

emisión de partículas y rayos radiactivos. Esos isótopos radiactivos son importantes en

la investigación, ya que permiten “marcar” átomos individuales.

Dado que las propiedades químicas del átomo se basan en la configuración de sus

electrones orbitantes, los diversos isótopos de un elemento se comportan del mismo

modo en términos de sus características químicas.

En las teorías antiguas se suponía que los electrones giraban alrededor del núcleo

siguiendo rutas definidas, tal como los planetas del sistema solar. En la actualidad se

1Según esto, el número atómico equivale al número de protones en el núcleo o al de electrones en las

órbitas. El peso atómico, en cambio, es igual al número de protones más el número de neutrones presentes en el núcleo. El neutrón es una partícula nuclear con masa aproximadamente igual a la del protón, pero sin carga eléctrica. Las diversas partículas presentes dentro del núcleo se conocen como nucleones, al biólogo sólo le interesan los neutrones y los protones. Los físicos opinan que muchos de los nucleones, que hace tiempo se consideraban partículas indivisibles, en realidad constan de unidades más pequeñas denominadas quarks.

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supone que las posiciones electrónicas pueden variar, pero que es más probable

localizarlos en cierta posición, llamada orbital, en torno al núcleo. En algunas teorías

los orbitales se representan como si fuera “nubes” (sombras) cuya máxima densidad

corresponde a la probabilidad más alta de encontrar ahí un electrón. De este modo, la

posición de un electrón en el enorme espacio que rodea al núcleo del átomo puede

reducirse a una ecuación matemática de probabilidad.

La estabilidad de los electrones que se desplazan en sus orbitales específicos se

debe al equilibrio de la fuerza de atracción entre el núcleo positivamente cargado y el

electrón negativo y la fuerza centrífuga (tendencia a alejarse del centro) de los

electrones orbitantes.

La capa electrónica es un nivel de energía alrededor del núcleo y puede contener

uno o más orbitales. La primera capa, denominada K, contiene un solo orbital esférico

(los orbitales esféricos se designa con la letra s) que da cabida como máximo a dos

electrones. La segunda capa, un poco más alejada del núcleo, contiene cuatro orbitales

(uno s y tres p). Puesto que cada uno de esos orbitales puede alojar dos electrones, esta

segunda capa, de mayor energía, contiene hasta ocho electrones como máximo. El

nombre de la segunda capa es L; una tercera capa, llamada M, puede contener de cuatro

a nueve orbitales. En total existen siete capas (de la K a la Q) que pueden estar presentes

alrededor del núcleo de átomos cada vez más complejos. La primera tiene un orbital

esférico. La segunda posee uno esférico (el s) y tres con forma de dos gotas de agua

unidas por sus vértices (los p), cuyos ejes son perpendiculares entre sí.

La elegancia de la estructura atómica se basa en la incorporación de electrones,

uno a uno, a las capas concéntricas que rodean al núcleo. El átomo más simple, el de

hidrógeno, contiene un electrón que gira alrededor del núcleo. El helio tiene dos

electrones en su capa K. El litio, cuyo número atómico es 3, tiene completa la capa K

interna y un solo electrón en la capa L. Los átomos subsiguientes van aumentando de

complejidad por incorporación sucesiva de electrones hasta que las capas quedan

completas. Por lo general (más no invariablemente), las capas más próximas al núcleo

quedan completas antes de que empiecen a haber electrones en las capas externas, ya

que la estabilidad atómica depende de que cada disposición de los electrones en el

espacio se mantenga en el menor nivel de energía.

EJEMPLO 1. El oxígeno es un elemento con número atómico de 8 y peso atómico de 16. Su núcleo

contiene ocho protones y ocho neutrones. Hay ocho electrones circulando en torno al núcleo. Dos de estos

últimos se localizan en el único orbital esférico de la primera capa (K) o nivel de energía. La segunda

capa electrónica (L), en la cual pueden alojarse hasta ocho electrones, contiene los seis que faltan. Estos

electrones se encuentran repartidos en orbitales que contienen dos cada uno. En el caso del oxígeno, uno

de los cuatro orbitales de la segundo capa no contiene electrones.

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Los electrones que ocupan orbitales cercanos al núcleo tienen menos energía

asociada con su rápido giro orbital que los electrones situados en orbitales más lejanos.

Así, cuando un átomo absorbe energía, uno de sus electrones se desplaza de un orbital

situado en un nivel de baja energía, cercano al núcleo, a otro correspondiente a un nivel

de mayor energía y más lejano. Como no existen electrones en el espacio situado entre

uno y otro de los bien definidos orbitales, los intercambios de energía que afectan al

átomo sólo pueden ocurrir, según la teoría moderna, como “paquetes” enteros

denominados cuantos, equivalentes al promedio de la diferencia de energía entre dos

orbitales cualesquiera. Cuando un electrón excitado desciende otra vez al orbital en el

que estaba, la diferencia de energía se manifiesta porque el átomo emite cuantos en

forma de luz. Los electrones poseen otras propiedades; por ejemplo, el spin.

Los átomos interactúan para formar comunidades químicas. Los átomos

estrechamente unidos que forman las moléculas comunales, se mantienen juntos gracias

a los enlaces químicos. Dichos enlaces son resultado de la tendencia de los átomos a

completar sus capas electrónicas externas. Los gases nobles –elementos inertes como el

neón y el helio– son los únicos que tienen capas electrónicas externas completas. Los

demás elementos sufren cambios que los conducen hacia conformaciones más estables

en las que las capas externas se rellenan con electrones.

Al parecer, todas las reacciones químicas que ocurren en la naturaleza se deben a

que los átomos necesitan completar sus capas electrónicas externas. Los átomos que ya

completaron con electrones sui capa externa no tienen reactividad química; éstos

constituyen una serie de elementos relativamente inertes denominados, como dijimos,

gases nobles. Son ejemplos el helio, con número atómico 2 y una capa K completa, y el

neón, con número atómico 10 y una capa L completa.

Casi todos los demás átomos interactúan (reaccionan) unos con otros para

producir configuraciones que les permitan completar sus capas externas. Tales

combinaciones de átomos se denominan, como ya vimos, moléculas. Algunas de ellas

son muy complejas y están formadas por cientos e incluso miles de átomos, mientras

que otras apenas poseen dos o tres de éstos. Al igual que los átomos individuales son las

unidades de un elemento, las combinaciones (moléculas) de diferentes tipos de átomos

integran un compuesto.

Una manera de lograr esa conformación más estable es que un átomo con muy

pocos electrones en su capa externa los donde a un átomo cuya capa externa está casi

completa. Cuando eso sucede, el átomo donador de electrones queda con más protones

que electrones y, por tanto, adquiere una carga neta positiva; tal átomo se denomina

catión (ion positivo). El que reciben los electrones adquiere una carga neta negativa y se

llama anión (ion negativo). Estos dos iones con cargas opuestas son atraídos

electrostáticamente uno hacia el otro y se dice que los une un enlace iónico o polar.

EJEMPLO 2. El sodio (Na), un metal corrosivo, tiene número atómico 11, de

modo que su tercera capa electrónica (M) sólo contiene un electrón. (La capa K

alberga dos electrones y la capa L puede contener ocho, de modo que sólo queda un

electrón para la capa M). El cloro (Cl), un gas venenoso cuyo número atómicos es 17,

posee siete electrones en su capa externa (2, 8 y 7). En la interacción de estos dos

átomos, el sodio dona un electrón al cloro. Ahora, el sodio tiene completa su segunda

capa, que se convirtió en la más externa, mientras que el cloro tiene ocho electrones en

su capa externa. Puesto que el Na cedió un electrón, tiene una carga eléctrica de +1; el

Cl, que recibió ese electrón, ahora posee una carga de –1 y se ha unido

electrostáticamente al sodio para formar cloruro de sodio (NaCl), la sal común.

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Otro ejemplo sería el caso del calcio (Ca), con número atómico 20, y el cloro (17

electrones). El calcio posee dos electrones en su capa externa (2, 8, 8 y 2). Al perder

esos dos electrones logra una configuración estable de ocho electrones en la capa

anterior que pasa a ser externa. Por tanto, su forma ionizada tiene carga +2 y se

denomina Ca2+

. Puesto que el cloro necesita un electrón para completar su capa externa,

dos átomos de este elemento pueden aceptar los dos electrones del calcio y formar el

compuesto iónico CaCl2 o cloruro de calcio.

La segunda manera de unión de los átomos para completar sus capas electrónicas

externas es “compartir” un par de electrones. Cada uno de los dos átomos del enlace

aporta un electrón para formar el par compartido. Este par de electrones constituye un

enlace covalente que mantiene unidos los átomos. En la fórmula de un compuesto, este

tipo de enlace se representa por medio de una línea o guion.

EJEMPLO 3. El hidrógeno (H) contiene un solo electrón en su capa externa (K),

de modo que necesita otro para completarla. El oxígeno posee seis electrones en su

capa externa, la cual se completa con ocho. Un átomo de hidrógeno puede ingresar a la

esfera de influencia de la capa externa de un átomo de oxígeno para compartir su

electrón con éste. Al mismo tiempo, el átomo de oxígeno comparte uno de sus

electrones con el hidrógeno para completar los dos que necesita y llenar su capa

externa. Si un segundo átomo de hidrógeno repite este proceso, el oxígeno tendrá ocho

electrones y cada hidrógeno contará con dos electrones. Con este mecanismo, dos

átomos de hidrógeno se unieron de modo covalente con uno de oxígeno para producir

una molécula de agua, H2O.

En muchas moléculas el enlace covalente no sólo ocurre una vez (se comparte un

solo par de electrones), sino que pueden formarse dobles o triples enlaces en los que se

comparten dos y hasta tres pares de electrones. Estos enlaces dobles y triples tienden a

dar rigidez a la posición de los átomos participantes. Esto es diferente de lo que sucede

con el enlace sencillo, el cual permite que los átomos giren libremente en torno al eje

formado por el propio enlace.

EJEMPLO 4. El dióxido de carbono (CO2) es un compuesto en el que cada uno de

los dos átomos de oxígeno forma un enlace doble con un solo átomo de carbono (C),

el cual, en su estado libre, posee cuatro electrones en su capa electrónica externa. En

esta reacción se combinan dos electrones del átomo de carbono con dos del átomo de

oxígeno para formar un enlace doble, mientras que los dos electrones restantes de la

capa externa del C se combinan con dos de los de la capa externa de un segundo

átomo de oxígeno para formar otro enlace doble. Como se aprecia en la figura adjunta,

en esta molécula el átomo de C posee un juego completo de ocho electrones en su

capa más externa y cada uno de los átomos de O también tiene ocho electrones en la

suya.

Otro ejemplo es el del nitrógeno, que tiene número atómico 7 y forma enlace

covalente consigo mismo, produciendo N2. Con un total de siete electrones, el N tiene

cinco de ellos en su segunda capa (la externa) y, por tanto, necesita otros tres para

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alcanzar una capa estable de ocho electrones. Mediante la formación de un triple enlace,

en el cual cada nitrógeno comparte de modo covalente tres de sus electrones con el otro

nitrógeno, ambos átomos logran la estabilidad de sus capas externas.

En muchos enlaces covalentes, el par de electrones está más próximo a uno de los

átomos que al otro. Esto imparte cierto grado de polaridad a la molécula. Como los

núcleos del oxígeno ejercen una atracción particularmente fuerte sobre los electrones, el

agua se comporta como una molécula cargada o dipolo, con un oxígeno negativo en un

extremo y dos hidrógenos positivos en el otro. Se considera que las actividades de tales

moléculas son de tipo polar y se dice que el enlace es covalente polar. Muchas de las

propiedades del agua, incluso su capacidad para ionizar otras sustancias, se basan en

esta polaridad de la molécula.

Cada tipo de molécula tiene propiedades de enlace situadas en algún punto de la

gama que va desde los enlaces completamente polares, formados por transferencia de

electrones de un átomo a otro, hasta la situación apolar que se observa en casi todos los

compuestos orgánicos, en los cuales los átomos participantes comparten de modo

equitativo un par de electrones.

De vez en cuando, un átomo puede compartir un par de electrones con otro átomo

o ion que no comparte sus electrones. En la formación del ion amonio (NH4+), una

molécula de amoníaco (NH3) atrae un ion de hidrógeno (H+) hacia un par de electrones

del átomo de N, los cuales no participan en la formación de enlaces covalentes con los

hidrógenos que ya están presentes en la molécula. Este tipo de enlace, en el que la

“goma” es un par de electrones provenientes de uno de los átomos interactuantes, se

llama enlace covalente coordinado. La importancia química de este tipo de enlace no

difiere de la de los enlaces covalentes ordinarios.

Las fuerzas gravitaciones (de atracción) que hay entre las moléculas se denominan

fuerzas de van der Waals. Dichas atracciones no provocan cambios químicos, pero son

importantes en la generación de las propiedades físicas de los gases y los líquidos.

En biología tiene mayor importancia el puente de hidrógeno, en el cual un protón

(H+) sirve de eslabón entre dos moléculas o entre dos partes de una misma molécula de

gran tamaño. Aunque los puentes de hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces

covalentes y no producen nuevas combinaciones químicas, tienen una importante

función en la generación de la estructura tridimensional de macromoléculas como las

proteínas y los ácidos nucleicos. Los puentes de hidrógeno provocan la asociación laxa

de las dos cadenas polinucleotídicas de la estructura de doble hélice del ADN.

Asimismo, la formación de puentes de hidrógeno entre moléculas de agua adyacentes

explica muchas de las propiedades del agua que son fundamentales para el

mantenimiento de la vida.

Las propiedades químicas de los átomos se deben en gran medida al número de

electrones presentes en sus capas electrónicas externas. Todos los átomos con un

electrón en sus capas externas se comportan de modo parecido, mientras que los dotados

de un par de electrones en sus capas externas comparten otro conjunto de propiedades

químicas. Cada hilera empieza con un átomo que contiene un electrón en su capa

externa y termina con uno que posee una capa externa completa. Ese cuadro se muestra

en la figura adjunta y se conoce como Tabla Periódica de los Elementos.

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La Tabla Periódica, diseñada por Dimitri Mendeleev en 1869, representa un

ordenamiento de los elementos conforme a sus peses cada vez mayores. En la actualidad

existen alrededor de 106 elementos, pero en el siglo XIX apenas se conocían 89 de

ellos. Se descubrió que las propiedades químicas de los elementos anotados en la lista

exhiben una periodicidad o regularidad repetitiva. Si los elementos se disponen

conforme a su número atómico creciente –y no a sus pesos, como hizo primero

Mendeleev– surge un patrón, en el cual las hileras de átomos progresan de un electrón

en la capa externa a una capa externa completa. La primera hilera empieza con el

hidrógeno; el helio es el segundo y último elemento, ya que éste se encuentra completo

con dos electrones en su capa K. Sin embargo, el litio, el elemento que posee el número

atómico 3, vuelve a tener un solo electrón en su capa externa. Al litio siguen otros seis

elementos con números de electrones crecientes en sus capas externas. El último de

ellos es el neón, cuyo número atómico es 10 y tiene una capa externa completa con ocho

electrones. Luego, la tercera hilera comienza con el sodio, cuyo número atómico es 11,

y termina con el gas noble argón, con número atómico 18.

Cada hilera horizontal de números atómicos crecientes se denomina periodo. Las

columnas, cuyos elementos son similares por el número de electrones que contienen en

sus capas externas, constituyen un grupo. Los gases nobles, dado que son los últimos

elementos de una serie de periodos, forman un grupo; todos los elementos con un

electrón en la capa externa forman otro grupo. En vista de que las propiedades químicas

de los elementos se relacionan directamente con la configuración de sus electrones

externos, en general todos los elementos que forman un grupo tienen las mismas

propiedades químicas. Este es el fundamento de la periodicidad observada en las

propiedades de todos los elementos químicos.

Las columnas de elementos tienen el mismo número de electrones en sus capas

externas, de modo que se observa periodicidad (recurrencia) de las propiedades

químicas al avanzar en la Tabla desde los elementos más sencillos hasta los más

complejos. Helio, neón, argón, etc., son gases nobles y su propiedad particular de

ausencia de reactividad se repite cada vez que se llega al grupo cuyas integrantes tienen

completa su capa electrónica externa. Existe una relación similar en el caso de los

metales litio, sodio, potasio y otros, los cuales poseen en su capa externa un electrón

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que tienden a ceder durante la interacción con otros átomos. La disposición de los

átomos dentro de una tabla de este tipo confiere orden a los ciento y tantos elementos

conocidos y presenta, de modo sencillo, la relación que hay entre la estructura atómica y

la función química al avanzar de los átomos más simples a los más complejos.

Las reacciones químicas y el concepto de equilibrio

Todas las reacciones químicas consisten en un reordenamiento de enlaces. Las

reacciones químicas se representan por medio de ecuaciones en las que las moléculas

reactivas (reactivos) se escriben a la izquierda y los productos, a la derecha. Una flecha

señala el sentido de la reacción. Las sustancias que participan en la reacción se

representan por medio de fórmulas químicas, una forma abreviada de representar la

constitución de las moléculas de cada una. Cada elemento de la molécula se escribe

como un símbolo característico (por ejemplo, H para hidrógeno y O para oxígeno) y el

número de átomos se expresa por medio de un subíndice a la derecha de cada símbolo

(por ejemplo, H2O). El número de moléculas participantes se indica como un coeficiente

numérico a la izquierda de cada molécula (por ejemplo, 2H2O).

Puesto que la ley de conservación de la materia nos dice que la materia ni se crea

ni se destruye, todas las ecuaciones químicas deben quedar balanceadas; es decir, no se

pueden destruir ni el número ni los tipos de átomos que aparecen en un lado de la

ecuación y, por consiguiente, los mismos números y tipo deben aparecen en el otro.

Para representar la formación de agua por simple combinación de hidrógeno (H2) y

oxígeno (O2)2 podría elegirse la ecuación:

H2 + O2→ H2O

Sin embargo, esta ecuación no está balanceada, pues hay distintos números de

átomos en uno y otro lado de la ecuación. El balance se logra manipulando los

coeficientes, los cuales indican cuántas moléculas de cada tipo participan en la

ecuación:

2H2 + O2→ 2H2O

Ahora la ecuación sí está balanceada (del lado izquierdo hay cuatro átomos de H y

dos de O, y del derecho, al haber dos moléculas de agua con dos átomos de H y uno de

O determina que haya igual número de átomos de esos elementos).

Algunas reacciones son de descomposición sencilla y se escriben como AB → A

+ B. Otras son de combinación sencilla: A + B → AB. Las reacciones más complejas

pueden incluir la interacción de dos o más moléculas para formar productos muy

diferentes a las moléculas reactivas: A + B → C + D. En todas estas reacciones, los

números y los tipos de átomos que aparecen a la izquierda deben quedar debidamente

balanceados a la derecha.

Son pocas las reacciones en las que se agotan por completo los reactivos; lo más

común es que se llegue a un estado de equilibrio en el que la interacción de los reactivos

para formar los productos queda compensada por la reacción inversa, en la cual los

productos interactúan para formar los reactivos.

2Elementos como el hidrógeno y el oxígeno tienden a existir en la naturaleza en forma de moléculas

integradas por dos o más átomos, no como átomos individuales.

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Una ecuación puede concebirse como el equilibrio entre dos reacciones (una

reacción progresiva en la que los reactivos se convierten en los productos y otra

reacción regresiva en la que los productos interactúan para [re]formar los reactivos).

Casi todas las reacciones son reversibles, de modo que sería más adecuado escribir una

ecuación química con doble flechas señalando ambas direcciones:

A + B ↔ C + D

En el momento de mezclar los reactivos predomina la reacción progresiva (o

directa). Luego, conforme se forman los productos, éstos interactúan cada vez más para

reformar los reactivos y la reacción regresiva (o inversa) aumenta.

Cabe destacar que en el punto de equilibrio ambas reacciones siguen realizándose,

pero no hay cambio neto; es decir, la reacción directa es contrarrestada exactamente por

la inversa. Esa situación de equilibrio sólo ocurre en determinadas condiciones de

temperatura, presión, etc. Cuando fluctúan estas variables ambientales, el punto de

equilibrio sufre un corrimiento. Asimismo, la formación de una sustancia que abandona

el escenario de la reacción también desplaza el punto de equilibrio. Si el producto que se

forma es un gas o un precipitado, la reacción avanza en sentido progresivo o directo, ya

que los productos no tienen gran oportunidad de interactuar para producir la reacción

inversa. Aunque algunos químicos opinan que todas las reacciones son teóricamente

reversibles, muchas de ellas tienen reacciones progresivas o regresivas tan difíciles que

en la práctica se consideran irreversibles.

El fundamento de las “interacciones sociales” de todas las sustancias químicas es

la tendencia de los átomos a formar enlaces que les permitan completar sus capas

electrónicas externas. Al igual que las amistades y los matrimonios sufren cambios y

reordenamientos, dichos enlaces pueden romperse y formar nuevos enlaces. Pero la

mayoría de las sustancias químicas no sufren cambios a menos que las moléculas

participantes estén muy próximas entre sí. Los bloques sólidos de sustancias no

interactúan en forma apreciable, excepto en sus superficies. Los gases y las sustancias

que se disuelven en un líquido para formar soluciones tienen mayores probabilidades de

interactuar entre sí. Según la hipótesis molecular cinética de los gases, las moléculas de

un gas están en constante y veloz movimiento, así que chocan continuamente unas con

otras. Es precisamente en esas colisiones en lo que se basa el cambio químico. De modo

análogo, las partículas disueltas (soluto) en el líquido (disolvente) de una solución están

dispersas y en veloz movimiento aleatorio, lo que les da posibilidad de tener cambios

químicos.

Cualquier elevación de la temperatura acelera el movimiento y el número de

choques de las partículas, lo que incrementa el número de interacciones. Y lo mismo

puede decirse de grado de dispersión de las moléculas en el medio (las moléculas

disueltas por completo interactúan con más frecuencia que las parcialmente disueltas).

Asimismo, cualquier aumento en la concentración de las moléculas reactivas tiende a

acelerar la velocidad de la reacción porque incrementa la probabilidad de que haya

colisiones.

La ley de acción de las masas afirma que, en el equilibrio, el producto de las

concentraciones molares de las moléculas del lado derecho de la ecuación, dividido

entre el producto de las concentraciones molares de los reactivos, siempre será una

constante. Si la reacción tiende a alcanzar el equilibrio con una mayor cantidad del

producto, su constante de equilibrio es grande. Si los reactivos tienden a predominar

(es decir, si la reacción avanza poco hacia la derecha), la constante de equilibrio es

pequeña. Si se agregan al sistema algunas moléculas de reactivo o de producto, la

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reacción se alteraría para alcanzar de nuevo un estado en el cual las concentraciones

volvieran a quedar en una proporción equivalente a la constante de equilibrio. En la

ecuación A + B → C + D, la ley de acción de las masas se representaría como:

La concentración es una medida de la cantidad de una sustancia determinada en

un volumen dado. Como la tendencia de casi todas las reacciones a ocurrir se basa en

parte en el grado de hacinamiento de las moléculas reactivas, la concentración es un

factor importante en la determinación de los fenómenos químicos. Una manera común

de expresar la concentración de una solución es en moles de soluto por litro de solución

(molaridad). Un mol, que es el peso molecular de una molécula expresado en gramos3,

puede concebirse mentalmente como un número específico de átomos o moléculas. Un

mol de cualquier compuesto contiene 6,02 × 1023

moléculas, cantidad que recibe el

nombre de número de Avogrado, y que se también es el número de moléculas presentes

en 22,4 litros de cualquier gas a temperatura y presión estándar (25ºC y 1 atmósfera).

Entonces, 1 mol de H2O contiene el mismo número de moléculas que un 1 mol de CO2;

lo mismo podría decirse si se tratara de 2 moles o de 1/3 mol de esas sustancias.

Siguiendo un razonamiento semejante, una solución 1 molar (1 M) contiene el doble de

moléculas de soluto que una solución 0,5 M. Esto significa que las concentraciones

equimolares de sustancias distintas tienen el mismo número de moléculas. Como las

moléculas son las unidades asociadas con las transformaciones químicas, la

concentración molar garantiza la cuantificación uniforme de las unidades interactuantes

y es más significativa que los pesos absolutos al evaluar las interacciones químicas.

Algunas moléculas están integradas por átomos o grupos iónicos con la capacidad

de unirse a más de un átomo sencillo como el hidrógeno. Por ejemplo, el oxígeno puede

formar dos enlaces covalentes con otros tantos átomos de hidrógeno. De modo parecido,

el ion sulfato (SO42-

) puede unirse iónicamente a dos iones de sodio. Esta capacidad de

combinación de los átomos o los iones se llama valencia. Desde luego, un átomo con

valencia 3 tiene la misma eficacia de combinación química que tres átomos con valencia

1.

En algunos casos se prefiere el uso de la normalidad (N) en vez de la molaridad

para expresar la concentración. Como la normalidad equivale a la molaridad dividida

entre la valencia o potencia química de una molécula, representa de modo más exacto la

reactividad química de las sustancias en solución, puesto que así se logra compensar

con más eficacia las diferencias en el poder de combinación de las sustancias. Se

necesita la mitad de las sustancias con potencia de combinación 2, comparadas con las

sustancias de valencia 1, para lograr un efecto determinado.

EJEMPLO 5. La base NaOH reacciona con el ácido H2SO4 para formar agua y la

sal Na2SO4. He aquí la ecuación balanceada de esta reacción

3Así, un mol de agua equivale a 18 g de ese líquido, mientras que uno de amoníaco (NH3) contiene 17 g

del gas.

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2NaOH + H2SO4→ Na2SO4 + H2O

Si se tuviera que usar un lito de NaOH 1 M bastaría con un litro de H2SO4 en

concentración de apenas 0,5 M, pues se dispondría de suficiente ácido para que

ocurriera la reacción, ya que en la ecuación puede verse que sólo se necesita la mitad

de moles de H2SO4. Empero, si la concentración se midiera usando la normalidad, para

un litro de NaOH 1 N sería necesario un litro de H2SO4 1 N. Este se debe a que la

valencia del ion SO42-

es –2 y, como ya se explicó, la normalidad equivale a la

molaridad dividida entre la valencia. Por tanto, una solución 1 N de H2SO4 es igual

que una solución 0,5 M, es decir, la misma concentración usada cuando se empleó

como medida la molaridad.

Propiedades coligativas de las soluciones

La presencia de solutos (partículas disueltas) en un disolvente tiende a abatir la

presión de vapor, es decir, la tendencia de las moléculas del líquido a escapar.

Asimismo, las partículas de soluto abaten el punto de congelación y elevan el punto de

ebullición. Como se explica enseguida, la presión osmótica también aumenta. Estas

cualidades se denominan en conjunto propiedades coligativas de la solución. Sólo las

afecta el número de partículas, mas no los tipos o la reatividad química éstas. Si una

molécula en particular se disocia formando varios iones, influye sobre las propiedades

coligativas en la misma medida que su disociación; por ejemplo, si un compuesto se

disocia formando dos iones, una solución 1 M de la sustancia se comporta como si

estuviera más cercana a 2 M en términos de sus efectos sobre la ósmosis, el abatimiento

del punto de congelación, etc.

Difusión es la tendencia de las moléculas a dispersarse en el medio o el recipiente

en el que se encuentran. La difusión implica el movimiento de las partículas en ausencia

de una membrana semipermeable. La ósmosis es un caso especial de difusión, pues

consiste en el movimiento de partículas del disolvente a través de una membrana

semipermeable. Estos fenómenos se parecen en que el movimiento de la sustancia se

debe a las colisiones y los rebotes que ocurren entre moléculas del mismo tipo y en que

ocurre hacia áreas en las que dichas colisiones son menos probables, es decir, hacia

regiones con menos moléculas del mismo tipo (de mayor a menor concentración).

Si se dividiera un recipiente en dos compartimentos por medio de una membrana

impermeable al soluto, mas no al disolvente (membrana semipermeable), y se pusieran

concentraciones diferentes de una solución en uno y otro lado de dicha membrana, las

moléculas del soluto no podrían atravesarla, pero las del disolvente sí pasarían hacia el

compartimiento en el que están menos aglomeradas (concentradas). Puesto que el

compartimiento más diluido contiene más moléculas del disolvente que el concentrado,

el agua o cualquier otro disolvente similar tienden a moverse de las menores a las

mayores concentraciones del soluto. Este fenómeno se conoce como ósmosis. La

presión ejercida por la tendencia de las moléculas del disolvente a pasar a través de la

membrana se denomina presión osmótica. Conforme aumenta el volumen de solución

en uno de los compartimientos respecto al otro, dicha solución se eleva dentro del

recipiente hasta que las fuerzas gravitatorias asociadas con el incremento de altura en el

compartimiento más concentrado igualan la presión osmótica, debida a la diferencia de

concentraciones. Si se consideran los cambios continuos de concentración, el

incremento de altura de una columna de líquido dentro de su recipiente sirve para

calcular la presión osmótica.

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Mantenimiento de un pH estable en los sistemas vivos

La acidez y la alcalinidad se miden con una escala basada en la ligera ionización

del agua. La acidez depende de la concentración de H+, mientras que la alcalinidad es

función de la concentración de OH–; por tanto, la ionización del agua (H2O → H

+ +

OH–) produce, al menos en teoría, un sistema neutro. En el agua pura la disociación es

tan escasa que, en el punto de equilibrio, 1 mol (18 g) de agua produce 10-7

moles de H+

y 10-7

moles de OH–. Dado que la ionización es tan pequeña, puede decirse que la masa

no ionizada del agua tiene una concentración 1 M. Entonces

En términos prácticos, el significado de esta relación es que la concentración

molar de H+ multiplicada por la concentración molar de OH

– siempre será 10

–14 M, la

constante de equilibrio. Así pues, conforme aumenta la concentración de H+, la de OH

–

debe disminuir. Con el fin de evitar esas engorrosas fracciones o el uso de exponentes

negativos, se creó un sistema que nos permite expresar la acidez en forma de enteros

positivos. La expresión pH significa “potencial de hidrógeno” y se define como el

logaritmo decimal negativo –es decir, 1/log– de la concentración del ion hidrógeno.

Como el pH es una potencia o función exponencial, cada unidad de pH representa un

cambio equivalente a multiplicar por 10 la concentración de H+. Cuanto menos sea el

pH, mayor será la concentración del ion de hidrógeno (por ejemplo, un pH de 3

representa 10–3

moles de iones H+, pero un pH de 2 indica la presencia de 10

–2 moles del

mismo ion). Las soluciones neutras tienen un pH de 7, mientras que la máxima acidez

en soluciones acuosas está representada por un pH de 0. Un pH arriba de 7 indica que la

solución es alcalina; la máxima alcalinidad está representada por un pH de 14.

¿Por qué el límite inferior de los valores de pH es 0 y el superior es 14? Esta

escala de 0 a 14 se relaciona con los sistemas acuosos. Un pH de 0 significa que hay una

concentración de 100 moles de H

+ por litro o 1 M de H

+, valor que es el máximo

posible, incluso con los ácidos más fuertes –los que desprenden mayor cantidad que

ninguno de iones hidrógeno– disueltos en agua. Aunque en teoría es posible lograr

mayores concentraciones de ácidos, éstos no se disocian más allá del punto en el que la

concentración de H+ es 1 M. Lo mismo cabría decir de las bases fuertes en el extremo

superior de la escala de pH.

EJEMPLO 6. Si existen 6,02 × 10

15 moléculas de OH

– en un litro de solución

acuosa, ¿cuál es el pH de la solución?

Dado que el pH se basa en las concentraciones molares, primero es necesario

determinar cuántos moles de iones OH– existen por litro:

N (número de Avogradro)___________________________ 1 mol/litro (1 M)

6,02 × 1015

moléculas______________________________ X mol/litro (X M)

X = 6,02 × 1015

moléculas × 1 M /6,02 × 1023

moléculas = 10-8

M

Por lo tanto, la solución tiene una concentración de 10-8

M de iones oxidrilo.

Sin embargo, el pH se basa en la concentración de iones hidrógeno. Esta

12

concentración puede calcular mediante la ecuación de la constante de equilibrio de

disociación del agua:

[H+][OH

–] = 10

–14 M

2

Por consiguiente:

[H+] = 10

–14 M

2/[OH

–] = 10

–14 M

2 /10

–8 M = 10

–6 M

Luego:

pH = log 1/[H+] = log 10

6 = 6

En general, el pH que prevalece en el interior de casi todos los organismos y sus

partes es cercano al neutro. Si la sangre del ser humano (pH de 7,35) tuviera un cambio

de pH de apenas 0,1, las consecuencias serían graves. (Aunque el pH de los jugos

digestivos del estómago se encuentra en los extremos ácidos de la escala, la cavidad de

este órgano no está propiamente en el interior del cuerpo; más bien se trata de un

ambiente “exterior” a él: en esencia, durante el desarrollo embrionario el cuerpo se

pliega en torno a un espacio exterior y de ese modo se forma un tubo interno). El exceso

de iones H+ y OH

– producidos durante las reacciones metabólicas es neutralizado o

absorbido por sistemas químicos llamados amortiguadores, tampones o buffers. Estos

sistemas amortiguadores se forman generalmente con un ácido débil y su sal. El exceso

de iones H+ es absorbido por el anión de la sal y así se forma un poco más del ácido

débil, el cual se disocia relativamente poco. El exceso de OH– se combina con el ácido

débil y hace que éste libere en la solución su H+. De ese modo se impiden un descenso

brusco en la concentración del ion hidrógeno y el consiguiente aumento del pH. Entre

los sistemas amortiguadores que mantienen un pH relativamente constante cabe citar el

sistema ácido carbónico-ion bicarbonato de la sangre y el sistema ácido acético-ion

acetato de algunas células. Los sistemas amortiguadores bastan para compensar las

variaciones leves de pH, pero pueden ser avasallados por los incrementos considerables

de ácidos o bases.

EJEMPLO 7. Cuando las células expulsan en el líquido extracelular el dióxido de

carbono (CO2) formado como desecho metabólico, buena parte de éste se combina con

agua para formar ácido carbónico:

CO2 + H2O ↔ H2CO3

Dado lo estrecho de la gama de valores de pH en los que las células funcionan

de manera adecuada, ¿por qué esta incorporación de ácido no daña al organismo?

El líquido extracelular de los animales superiores está amortiguado, como

vimos, entre otras cosas, por un sistema de ácido carbónico-ion bicarbonato. Las sales

del ion bicarbonato (HCO3–), por ejemplo los bicarbonatos de sodio, potasio,

magnesio y calcio, amortiguan los líquidos contra el ingreso de iones H+ a

consecuencia de la disociación del ácido carbónico y, de esa manera, impiden un

descenso apreciable del pH.

Termodinámica química

La termodinámica estudia las transformaciones de la energía en todas sus formas.

Aunque la palabra significa literalmente “movimiento” o “cambio de calor”, las reglas

aplicables a las transformaciones del calor (térmicas) pueden usarse para describir los

13

cambios de energía en general gracias a que todas las formas de energía son degradables

a calor.

Energía es la capacidad de realizar trabajo. Trabajo se define tradicionalmente

como una fuerza que actúa a través de una distancia. Fuerza se refiere a un empuje o

tirón que altera el movimiento de un cuerpo. En biología, la energía sirve para

contrarrestar las tendencias físicas naturales; por ejemplo, para mover moléculas de

azúcar en contra de su gradiente de concentración.

La energía tiene diversas formas. Calor es la energía asociada con el rápido

movimiento interno de las moléculas de líquidos y gases. Energía mecánica es la que

está presente en el movimiento de los cuerpos; energía química es la encerrada en los

enlaces que mantienen unidos los átomos de las moléculas, y energía radiante es la que

emiten el Sol y otras fuentes de energía que se propaga en forma de ondas. Todos los

tipos de energía pueden existir en forma actual, por ejemplo, la energía cinética de una

roca que va cayendo, o en forma potencial, como la energía potencial de una roca

situada en la cima de una montaña o la de ciertas moléculas orgánicas que poseen

enlaces químicos de alta energía, la cual queda libre al romperse dichos enlaces.

En el mundo natural, las tres leyes de la termodinámica rigen todas las

transformaciones de energía. La primera de ellas, denominada ley de la conservación de

la energía, afirma que la energía ni se crea ni se destruye. Hoy día, los físicos

consideran que la materia es un caso especial de energía, de modo que las reacciones

asociadas con la fisión o la fusión atómicas pueden explicarse en términos de la primera

ley. En las bombas atómicas y de hidrógeno, una pequeña cantidad de masa se convierte

en grandes cantidades de energía conforme a la ecuación de Albert Einstein, E = mc2, en

la cual la masa consumida se multiplica por la velocidad de la luz elevada al cuadrado

para obtener las asombrosas emisiones de energía asociadas con las bombas nucleares.

De cuando en cuando, la segunda ley de la termodinámica se enuncia en términos

de transferencia de calor: el calor pasa de los cuerpos calientes a los fríos. Sin

embargo, este enunciado no basta para comprender la verdadera importancia de la

segunda ley. He aquí una mejor explicación: en toda transformación, la energía

tiende a perder su capacidad para realizar trabajo útil. Dado que el trabajo útil se

relaciona con un incremento del orden, la segunda ley también puede expresarse como

la tendencia natural de los sistemas a entrar en estados de mayor desorden o

aleatoriedad. Para referirse al desorden se usa la palabra entropía, aunque este término

también puede definirse como una medida de la indisponibilidad de energía para

efectuar trabajo útil (una consecuencia del desorden). Otra alternativa es considerar la

segunda ley en términos de energía potencial: en cualquier reacción espontánea, es

decir, una en la que no se necesita energía externa, la energía potencia tiende a

disminuir. Estos enunciados se pueden resumir en la conclusión, un tanto pesimista, de

que el universo se está degradando y de que toda la energía acabará por distribuirse de

modo uniforme en un ambiente en el cual no será posible un solo intercambio más de

energía, porque la entropía habrá alcanzado su máximo nivel.

La tercera ley afirma que sólo un cristal perfecto, equivalente a un sistema de

máximo orden, a –273,16ºC (cero absoluto de temperatura) carece de entropía. Como

esta condición ideal jamás ocurre, todos los sistemas naturales se caracterizan por cierto

grado de desorden.

Toda reacción cuyo resultado sea la emisión de energía libre, forma de energía

asociada con la realización de trabajo útil, se clasifica como exergónica. Las reacciones

de este tipo tienden a ocurrir espontáneamente. Por lo común, en los seres vivos las

reacciones exergónicas se relacionan con la degradación de moléculas complejas, cuyos

enlaces representan un almacén de formas de energía ordenadas, para producir

14

moléculas más sencillas cuyos enlaces pertenecen a órdenes de energía mucho menores.

Una analogía que ejemplifica la índole de tales reacciones es una piedra que piedra que

rueda cuesta abajo desde la cumbre de un cerro. La energía necesaria para colocar la

piedra en la cima existe como energía potencial (almacenada) en virtud de la posición

elevada de dicha piedra. Ésta puede rodar cuesta abajo sin necesidad de energía externa

y, al hacerlo, libera su energía almacenada, la cual se convierte en energía mecánica

conforme la piedra avanza hacia abajo. La energía del movimiento se llama energía

cinética, palabra derivada de una raíz griega que significa “movimiento”. Aunque la

piedra tiende a rodar cuesta abajo, quizá necesite un empujón para iniciar su

movimiento. Este empujón representa la energía de activación necesaria para que

comiencen las reacciones, incluso las espontáneas. No toda la energía almacenada se

libera en forma de energía mecánica, pues parte de la energía se desprende en forma de

calor durante el movimiento de la piedra, que sufre fricción contra la superficie del

cerro.

Las reacciones en las que ocurre un cambio desde un estado de baja energía hasta

uno de alta energía se llaman endergónicas. En este caso debe entrar energía libre al

sistema desde afuera, algo así como si tuviéramos que hacer rodar una piedra cuesta

arriba, maniobra en la cual se gastaría energía. En los sistemas biológicos, las

reacciones endergónicas sólo son posibles cuando están acopladas a reacciones

exergónicas que aportan la energía necesaria. Varias reacciones exergónicas que

ocurren dentro de los sistemas vivos producen la energía libre que se almacena en los

enlaces de alta energía de moléculas como el adenosintrifosfato (ATP o trifosfato de

adenosina). Este ATP se degrada para brindar la energía necesaria a las diversas

reacciones endergónicas en las que se basan las actividades de síntesis de los

organismos.

Transformaciones termodinámicas

Una reacción exergónica es aquella en la que durante su transcurso se libera

energía. La energía potencial del estado inicial es mayor que la del estado final, de

modo que la reacción tiende a ocurrir en forma espontánea, como una roca que al estar

situada en la cima de una colina tiende a rodar cuesta abajo. Si bien es cierto que las

reacciones exergómnicas tienden a ocurrir por sí mismas, por lo general necesitan un

proceso de activación que las inicie, igual que una roca debe ser empujada para que

comience su descenso. Las enzimas son las sustancias catalizadoras que participan en

estas reacciones a nivel biológico.

En análisis matemático puede servir para comprender plenamente el concepto de

reacción exergónica. La energía total de un sistema se representa con H (de heat, calor

en inglés). En toda reacción hay cambio en la energía total respecto al sistema inicial.

Puesto que el símbolo ∆ se usa para simbolizar cambio o, mejor, incremento entre un

estado inicial y otro final, el símbolo ∆H representa este incremento de energía total

(también conocido como incremento de entalpía). El cambio en energía total está

integrado por dos componentes. Uno es el cambio en energía libre del sistema,

representado por ∆G. La energía libre es el componente que puede efectuar trabajo útil

o que se almacena para realizar ese trabajo más adelante.

El segundo componente de la energía total es el incremento en entropía ∆S. Si hay

un incremento en entropía también aumenta la cantidad total de energía disponible, ya

que el sistema está cambiando “cuesta abajo”. Dado que el cambio de energía se

relaciona con la temperatura, el factor entrópico se designa como T·∆S. Ahora tenemos

una ecuación para el cambio de calor (o energía) total en cualquier transformación:

15

∆H = ∆G + T∆S

Si ∆H es negativo (< 0), se desprende calor hacia el entorno y la reacción es

exotérmica. Pero no todas las reacciones exotérmicas son exergónicas (capaces de

realizar trabajo). Para que una reacción pueda considerarse exergónica debe producir

energía libre (∆G debe ser negativo). A partir de la ecuación anterior resulta claro que

∆H puede ser negativo (exotérmico), incluso cuando ∆G es positivo (endergónico), si el

cambio de entropía (∆S) es negativo y suficientemente grande. Quizá una mejor manera

de expresar la ecuación anterior sea en la forma:

∆G = ∆H – T∆S

Aquí puede verse claramente que ∆G puede ser negativo (hay liberación de

energía libre), incluso cuando ∆H sea negativo (se absorbe calor), siempre y cuando el

incremento de entropía sea lo bastante grande. Si se frota éter en la piel, éste se evapora

y la evaporación va acompañada por absorción de calor del entrono (∆H es positivo).

Esta reacción exergónica es un fenómeno desencadenante o espontáneo a pesar de que

hubo absorción de calor (energía). El incremento en entropía asociado con la formación

de un gas es tan grande que el valor de G es negativo.

Las reacciones endergónicas son, en esencia, reacciones ascendentes y se

caracterizan por tener valores ∆G positivos. En las reacciones endergónicas se absorbe

energía libre durante el proceso; en las reacciones químicas esta energía libre se

almacena en enlaces de alta energía de los productos. Puesto que esa energía no puede

ser creada, debe provenir de una reacción exergónica acompañante en la cual se libere la

energía libre necesaria para efectuar el proceso endergónico. Los diversos procesos

endergónicos o sintéticos que ocurren dentro de los organismos siempre están asociados

con algún proceso exergónico en el cual se degradan moléculas ricas en energía. En un

automóvil, el movimiento mecánico se logra mediante la transformación degradatoria

de combustible rico en energía en subproductos sin energía, como el agua y el dióxido

de carbono.

Aunque la mayoría de los procesos endergónicos también son endotérmicos ya

que el sistema absorbe calor, esto no ocurre siempre. Una vez más, debe tomarse en

consideración el cambio en entropía. En biología, lo que más nos interesa es saber si

una reacción es exergónica y ocurrirá espontáneamente o si es endergónica, de modo

que necesitará energía. Por lo común, la transferencia de energía tiene importancia

secundaria.

La energía y la vida

La complejísima organización de los sistemas vivos requiere, para su desarrollo y

mantenimiento, un ingreso constante de energía ordenada. La fuente última de esa

energía es el Sol: una gigantesca bomba de hidrógeno. Las plantas verdes, que son los

organismos que capturan la energía del Sol, convierten la energía radiante solar en

energía química que se almacena en los enlaces de sustancias orgánicas como la

glucosa. Esa energía recorre el mundo vivo conforme las plantas verdes son ingeridas

por los herbívoros, que a su vez son devorados por depredadores carnívoros, en una

secuencia de relaciones alimenticias denominada cadena o red trófica. Cada organismo

de la cadena transforma la energía de su alimento y genera un almacén de energía

química que sufre continuos cambios en los niveles celular y subcelular. Puesto que las

16

transformaciones incrementan el desorden (entropía) de la energía, en cada conversión

el sistema del organismo pierde un poco de la capacidad de dicha energía para realizar

trabajo útil, por lo que debe reponer esa pérdida consumiendo más energía ordenada.

Del mismo modo, cada eslabón de la cadena transmite al siguiente menos energía de la

que recibió del eslabón precedente.

El metabolismo abarca los procesos mediante los cuales los organismos extraen

energía de los enlaces químicos de sus alimentos o sintetizan compuestos importantes.

La índole general del metabolismo empezó a aclararse cuando Antoine Laurent de

Lavoisier descubrió, en el siglo XVIII, una semejanza básica entre la combustión de

materiales inanimados y la respiración de los animales. No obstante, la química del

metabolismo sólo puede comprenderse a la luz de la termodinámica.

Como vimos, la primera ley de la termodinámica afirma que la energía total de los

productos de una reacción equivale a la energía total de las sustancias originales

(reactivos). Sin embargo, la segunda ley asevera que la energía potencial (útil) de los

productos será inferior a la energía potencial de los reactivos; es decir, la energía tiende

a degradarse. En la naturaleza, esto significa generalmente que la aleatoriedad

(entropía) de cualquier sistema tiende a aumentar. Por tanto, puede considerarse que las

reacciones espontáneas son fenómenos decadentes en los que la entropía (desorden)

aumenta y se libera energía. Dichas reacciones se clasifican como exergónicas. Por el

contrario, las reacciones endergónicas son procesos constructivos en los que disminuye

la aleatoriedad del sistema. Las reacciones endergónicas sólo pueden ocurrir cuando hay

entrada de energía libre proveniente de una fuente externa, de modo que aumenta el

desorden de dicha fuente. Entonces, las diversas reacciones endergónicas que ocurren

en los seres vivos, cuyo resultado son sistemas muy ordenados, deben “pagar” ese orden

promoviendo reacciones exergónicas como el catabolismo (degradación) de las

moléculas de glucosa. La relación entre la energía libre y la entropía se expresa de esta

manera:

∆G = ∆H – T∆S

Donde ∆ significa “incremento (de)”, G es la energía libre, H es calor, T es la

temperatura absoluta y S es la entropía (aleatoriedad, desorden).

En ocasiones se confunden los términos “exergónicos” y “exotérmicos”.

Exergónico se refiere a la liberación de energía (∆G), en tanto que exotérmico se refiere

al desprendimiento de calor (∆H < 0). Las reacciones exotérmicas suelen ser

exergónicas, mas no siempre lo son. Unas cuantas reaccione endotérmicas (que

absorben calor), por ejemplo, la evaporación del agua, son exergónicas a pesar de tener

un valor ∆H positivo. Esto se debe a que el cambio de estructura entre la forma líquida

y el gas (más amorfo) produce un incremento de entropía suficientemente gran para

nulificar la absorción de calor y, por consiguiente, el valor de ∆G se vuelve negativo.

EJEMPLO 8. ¿Por qué el cambio de energía libre de la combustión de glucosa es

mayor que el cambio del contenido calórico del sistema?

La energía libre total disponible para efectuar trabajo útil se calcula con la

ecuación:

∆G = ∆H – T∆S

El cambio del contenido calórico ∆H, medido por calorimetría, es de –673 Kcal

por mol de glucosa. En condiciones estándar, el término T∆S es igual a 13 Kcal.

Entonces:

∆G = ∆H – T∆S

17

∆G = –673 Kcal – 13 Kcal = –686 Kcal

El cambio de energía libre depende por igual del cambio de calor y del cambio

de entropía. Nótese que el cambio en entropía es sustraído del cambio en calor. Por

tanto, en esta reacción el cambio en entropía aumenta la liberación de calor.

En sentido estricto, las leyes de la termodinámica sólo son aplicables a sistemas

cerrados; es decir, a sistemas herméticamente sellados que no están en contacto con el

entorno. Los seres vivos –por ejemplo los seres humanos– son sistemas abiertos que

intercambian materia y energía con su entorno y, por tanto, pierden constantemente sus

reservas de ambos. De hecho, incluso estando aislados del medio seríamos presa de la

segunda ley de la termodinámica, la cual afirma que en todas las transformaciones

energéticas hay tendencia a un mayor desorden en la energía producida. Dado su menor

potencial, las formas de energía desordenadas, por ejemplo, el calor que despiden los

seres vivos, ya no pueden efectuar trabajo útil en circunstancias ordinarias.

La tendencia hacia la aleatoriedad sólo ocurre en un plano global. Dentro de los

seres vivos, cualquier incremento en el orden de una parte está acoplado a una

reducción en el orden de otra parte. Es decir, la aleatoriedad del sistema entero aumenta,

pero una porción aislada de ese sistema acoplado exhibe mayor orden. En términos

termodinámicos, las reacciones endergónicas (en las que se generan nuevos patrones de

ordenamiento) están acopladas con reacciones exergónicas (que reducen el orden) para

permitir tipos específicos de síntesis.

El caso especial del agua

El agua es la molécula inorgánica más importante para todas las formas de vida.

Favorece la complejidad debido a su tendencia a disolver una amplia variedad de

moléculas inorgánicas. Gracias a sus cualidades polares, favorece la disociación de

muchas moléculas formadoras de iones, los cuales participan en la regulación de

propiedades biológicas como la contracción muscular, la permeabilidad y la transmisión

de impulsos nerviosos.

El agua es indispensable para la prevención de cambios bruscos de temperatura

que podrían destruir la estructura de muchas macromoléculas dentro de la célula. El

agua tiene uno de los calores específicos más altos entre las sustancias naturales; es

decir, puede absorber grandes cantidades de calor sufriendo cambios relativamente

pequeños en su temperatura. Por otra parte, cuenta con un elevado calor latente de

fusión, lo cual significa que al pasar del estado líquido al sólido (hielo) emite cantidades

relativamente grandes de calor. Por el contrario, el hielo absorbe grandes cantidades de

calor al fundirse. Esta cualidad se traduce en resistencia a los cambios de temperatura en

torno al punto de congelación. El elevado calor latente de evaporación del agua (calor

absorbido durante la evaporación) nos sirve para que la superficie del cuerpo se deshaga

de grandes cantidades de calor durante la transformación del agua líquida (sudor) en

vapor.

EJEMPLO9. Cada gramo de agua absorbe 540 calorías al evaporarse. Calcule la

cantidad de calor que se pierde a través de 5 cm² de superficie corporal por cada 10 g

de agua que se evaporan en ella.

Puesto que 1 g de agua absorbe 540 cal al evaporarse, 10 g de agua absorben

5.400 cal en el área de 5 cm², lo que equivale a 1.080 cal/cm². Este mecanismo de

eliminación de calor deja de funcionar cuando el aire se satura de agua, lo cual

18

imposibilita la evaporación; esto explica la incomodidad que se siente en los días

calurosos y húmedos.

Las características antes mencionadas, junto con la elevada tensión superficial y la

rara propiedad del agua de expandirse cuando se congela, se deben en buena medida a la

tendencia de sus moléculas a mantenerse unidas gracias a la constante formación de

puentes de hidrógeno entre ellas.

Por último, el agua es transparente; gracia a ello no interfiere procesos como la

fotosíntesis (a poca profundidad) y la visión, dos fenómenos para los que es necesario el

paso libre de la luz.

¿Qué característica de la molécula de agua le da a este líquido tantas cualidades

para la vida? Las propiedades del agua que favorecen las funciones vitales se deben en

buena medida a la disposición de los enlaces del hidrógeno y el oxígeno dentro de la

molécula y a la consecuente distribución de los electrones. Aunque los hidrógenos y el

oxígeno del agua forman enlaces covalentes, los pares de electrones compartidos están

más cerca de la esfera de influencia del oxígeno y, por tanto, se forma un dipolo. Los

hidrógenos de cada molécula de H2O son los extremos positivos del dipolo, mientras

que el oxígeno forma un polo doblemente negativo. Los dos hidrógenos de una

molécula de H2O son atraídos por los oxígenos de dos moléculas de agua, mientras que

la doble carga negativa del oxígeno atrae los hidrógenos de otras dos moléculas de agua.

Estos puentes de hidrógeno que se forman con otras cuatro moléculas de agua generan

las propiedades especiales de esta sustancia, las cuales tienden a estabilizar los sistemas

acuosos. Los puentes de hidrógeno están en constante rompimiento y formación,

fenómeno que permite al agua fluir al mismo tiempo que le da la fuerte cohesión que la

mantiene en estado líquido dentro de una amplia gama de temperaturas y presiones.

¿De qué maneras específicas promueve la naturaleza dipolar del agua el

mantenimiento de la vida? La materia viva es muy compleja. Para que un medio pueda

sostener tal complejidad, debe tener la capacidad de aceptar una gran variedad de

sustancias. Como el agua es el disolvente universal, pues disuelve una gama de solutos

más amplia que la de cualquier otro líquido conocido, es el medio ideal para sostener

esa complejidad. Asimismo, es una de las sustancias más estables que existen. Esto

garantiza la perdurabilidad de las sustancias que tienen base acuosa. La tendencia del

agua a mantenerse en estado líquido también garantiza que la deshidratación o la

congelación no ocurran fácilmente. Esta peculiaridad es amplificada por la influencia de

los solutos disueltos, que elevan el punto de ebullición (de por sí alto) y abaten el punto

de congelación del agua. Por otra parte, el agua se adhiere a los costados de los

recipientes que la contienen. De hecho, en tubos muy delgados (capilares) el agua

asciende a una altura considerable gracias a que sus adhesivas moléculas arrastran

consigo a otras moléculas debido a la presencia de puentes de hidrógeno. Esta propiedad

actúa de modo importante cuando el agua penetra a través de los diminutos espacios del

suelo hasta llegar a los pelos absorbentes de las plantas. La enorme cohesión que hay

entre las moléculas de agua adyacentes también es causa de la considerable tensión

superficial de este líquido, la cual permite que algunos insectos caminen sobre las

compactas moléculas de la superficie. La tensión superficial se reduce por el efecto de

diversas sustancias llamadas surfactantes. Esta reducción de la tensión superficial

facilita ciertos movimientos necesarios dentro de los organismos. Quizá lo más peculiar

del comportamiento del agua sea su tendencia a expandirse con el congelamiento. Como

todas las sustancias, este líquido se contrae al descender su temperatura. Por esta razón,

su densidad (peso por unidad de volumen) aumenta al abatirse la temperatura. Sin

19

embargo, a 4ºC el agua comienza a expandirse aunque la temperatura siga

descendiendo. Luego, durante el congelamiento ocurre una expansión extra, de modo

que el hielo es menos denso que el agua líquida a la misma temperatura. Esta expansión

anómala en las temperaturas bajas tiene varias consecuencias prácticas. Cuando se

forma hielo, éste flota en la superficie de lagos o arroyos, de modo que esos cuerpos de

agua se congelan de arriba hacia abajo y se forma así una capa aislante de hielo en la

superficie, lo cual permite que los organismos acuáticos sobrevivan y se mantengan

activos aunque en la superficie las condiciones sean congelantes. Además, las aguas de

la superficie y el fondo de lagos y lagunas se invierten (convección vertical) dos veces

al año, fenómeno que lleva nutrientes a la superficie y oxígeno a las capas inferiores.

Esto se debe directamente al incremento de densidad que sufre el agua al descender su

temperatura, seguido por la expansión que ocurre por debajo de los 4ºC, de modo que el

agua extremadamente fría se desplaza hacia la superficie al aproximarse a 0ºC y

empezar a congelarse. Por último, el agua ofrece a los organismos estabilidad interna y

externa ante las fluctuaciones de temperatura.

El agua tiene una importante función en el mantenimiento de la temperatura del

interior de los organismos y del medio externo en el que éstos se encuentran. Puesto que

los extremos de temperatura amenazan los componentes estructurales de las células y,

además, pueden alterar la velocidad de las reacciones químicas, la participación del

agua como amortiguador térmico en el interior y en el exterior de los organismos vivos

es indispensable para la vida. El agua posee uno de los calores específicos más

elevados, propiedad que se refiere a la cantidad de calor absorbido en comparación con

el cambio de temperatura que acompaña a la absorción térmica. Cada gramo de agua

absorbe una caloría para elevar su temperatura un grado, mientras que una sustancia

como el aluminio aumento en un grado su temperatura con apenas una fracción de

caloría. En este aspecto, el agua es algo así como un “resumidero térmico”: absorbe

grandes cantidades de calor y exhibe un modesto incremento de temperatura. Gracias a

este amortiguamiento, las zonas terrestres cercanas a grandes depósitos de agua suelen

tener temperaturas más moderadas que las del interior de los continentes.

Por otra parte, el agua tiene un alto calor latente de fusión, fenómeno consistente

en la expulsión de calor cuando el agua líquida pasa al estado sólido. Es decir, el

congelamiento del agua produce tal calor que se impide un mayor descenso de la

temperatura. Una mezcla de hielo y agua forma un sistema termoestable: el descenso de

la temperatura provoca congelamiento y liberación de calor; la elevación de la

temperatura provoca fusión del hielo y la absorción de unas 80 cal. En el medio

ambiente, estas transformaciones evitan cambios bruscos de temperatura y permiten a

los organismos adaptarse más fácilmente a las fluctuaciones térmicas cuando cambian

las estaciones.