Comisario CientfiCo

Bernardo Herradn CoordinaCin tCniCa

Laura Ferrando organizaCin y produCCin Vicepresidencia Adjunta de Organizacin y Cultura Cientfica del CSIC Pilar Tigeras, Mercedes Alonso, Laura

Ferrando, Laura Llera, Rafael Martnez, Ester Moreno, Violeta Vicente asesora CientfiCa

Jos Elguero, Pilar Goya, Rafael Moliner, Pedro Serena asesora didCtiCa

Covadonga Gutirrez, Susana Martnez, Benigno Palacios, Jos Vicente

ilustraCiones

Ral Gmez diseo grfiCo

underbau agradeCimientos

Jos Luis Garca, Instituto de Catlisis y Petroleoqumica (CSIC), Rosa Menndez, Instituto Nacional del Carbn (CSIC)

ENTREMOLCULASAo Internacional de la Qumica 2011. CSIC

ms en www.quimica2011.es

La onu ha declarado 2011 como Ao Internacional de la Qumica, con el lema Qumica: nuestra vida, nuestro futuro.

Todo lo que nos rodea puede expresarse y explicarse a travs de la Qumica. La investigacin cientfica actual contribuye a la mejora de nuestra calidad de vida, trabajando en los grandes retos alimentarios, energticos, medioambientales, sanitarios, sociales

LA QUMICA: NUESTRA VIDA, NUESTRO FUTURO

El ao 2011 coincide con el centenario de la concesin del Premio Nobel de Qumica a Marie Curie, y constituye una oportunidad para reconocer la contribucin de las mujeres a la ciencia. Adems, se conmemora el centenario de la fundacin de la International Association of Chemical Societies, precursora de la Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada. Se celebra tambin el 350 aniversario de la publicacin del libro The Sceptical Chymist de Robert Boyle, en 1661, que marca el origen de la Qumica como ciencia moderna.

1

Salud

H H

Si miramos a nuestro alrededor, qu vemos? La respuesta es: Qumica.

La Qumica est en todas partes: la ropa que llevamos, lo que comemos, el aire que respiramos, nuestros cuerpos Todo est hecho de materia, y toda la materia est formada por molculas; por lo tanto, todo es Qumica.

ESTEN TODASPARTES

2

La Qumica es la ciencia de las molculas, sus componentes, estructuras, propiedades y transfor-maciones qumicas (reacciones). Las propiedades de la materia estn determinadas por las molculas, las cuales se forman por la unin de dos o ms tomos.

EL LENGUAJE PECULIAR DE LA QUMICA

Los tomos se representan por smbolos y las molculas por frmulas que indican su composicin. En algunas representaciones se dibujan lneas para mostrar los enlaces qumicos. Sin embargo, las molculas tienen forma tridimensional y ocupan un lugar en el espacio. Por esta razn se utilizan otras imgenes ms realistas que muestran su disposicin espacial.

MOLCULA

Partcula con individualidad propia formada por una agrupacin ordenada y de nida de tomos, que se unen a travs

de enlaces qumicos.

TOMO

Unidad ms pequea de un elemento qumico que

mantiene su identidad.

ELEMENTO

Sustancia constituida por una misma clase de tomos.

En la tabla peridica hay poco ms de un centenar de elementos que se pueden combinar dando lugar a los muchos millones de molculas que se conocen en la actualidad y a las que se pueden preparar en el futuro.

QU ES LA QUMICA?

La molcula de agua est formada por dos tomos de hidrgeno (H) y uno de oxgeno (O).

El tomo se compone de protones y neutrones situados en el ncleo, alrededor del cual se mueven los electrones.

Las propiedades qumicas estn relacionadas con la con guracin electrnica, mientras que las propiedades fsicas dependen principalmente del ncleo.

La molcula de la sacarosa (C12H22O11), el azcar comn, puede representarse de varias maneras.

3

EN LOSORGENES

Los orgenes de la Qumica se remontan a los de la humanidad. El primer qumico, sin saberlo, fue el ser humano primitivo al controlar y usar el fuego, que se produce por la reaccin qumica de la combustin. El fuego mejor considerablemente la calidad de vida, en cuestiones como la coccin de alimentos, la fabricacin de herramientas, como fuente de calor Adems, posibilit el desarrollo posterior de la cermica y la metalurgia del cobre, del bronce y del hierro.

Desde las primeras aproxima-ciones conceptuales a la natura-leza de la materia, la humanidad ha avanzado mucho con descubrimientos que han revolucionado nuestra vida cotidiana.

Hasta el siglo xvii, la qumica estuvo dominada por la Alquimia, que signi ca arte de la transformacin. En este periodo se desarrollaron muchos procesos qumicos, se aislaron nuevas sustancias qumicas y se perfeccionaron los instrumentos de trabajo.

La Qumicase convirti en una

ciencia en el siglo xvii gracias a Robert Boyle, el primero en aplicar

el mtodo cient co en este campo.

En los laboratorios alquimistas se buscaba la piedra losofal, un mtodo hipottico para transformar cualquier metal en oro. Los alquimistas chinos buscaban un elixir que pudiera alargar la vida e incluso conferir inmortalidad.

4

DE BOYLE A LAVOISIERLA QUMICA SE ESTABLECECOMO CIENCIA

La investigacin de Robert Boyle (1627-1691) y de sus discpulos proporcion rigor a la investigacin qumica, al demostrar la diferencia entre elemento y compuesto (formado ste por dos o ms elementos). Estableci la relacin entre el volumen y la presin de un gas y que el aire es una mezcla de gases en la que, al menos uno de sus componentes, es responsable de las reacciones de oxidacin y de la respiracin en animales. No pudieron avanzar ms en estas hiptesis al no disponer de tcnicas experimentales adecuadas.

Sin embargo, la Qumica del si-glo xviii sigui dominada por teo-ras sin base cient ca, siendo necesarios casi cien aos para que se convirtiese en una ciencia moderna. Antoine Laurent Lavoi-sier (1743-1794) jug un papel fundamental y se le considera el padre de la Qumica mo-derna. Con experimentos rigurosos, demos-tr el papel del oxgeno en las reacciones de combustin, comprob la conservacin de la masa en una reaccin qumica y estableci el concepto de elemento qumico, as como con-tribuy a jar un sistema de nomenclatura.

John Dalton(1766-1844)

Propuso en 1808 la primera teora atmica con fundamento cient co, en la que el tomo es la partcula

elemental indivisible.

La mejora instrumental permiti a Lavoisier formular su clebre ley de la conservacin de la masa.

5

Los progresos tericos dieron lugar a la comprensin de numerosas reacciones qumicas. Se obtuvieron numerosas sustancias tiles previamente desconocidas, como medicamentos, tintes, tejidos, detergentes, etc.

El siguiente gran avance fue, en 1869, la publicacin de la Tabla Peridica de los Elementos Qumicos, propuesta por Dimitri Mendeleiev (1834-1907). Esta tabla ordena los elementos en funcin de sus nmeros atmicos y valencias, y permite deducir sus propiedades qumicas. Es una de las mayores contribuciones conceptuales de la historia de la Ciencia.

En el siglo xix se produjeron numerosos avances en el campo de la Qumica, especialmente gracias al nuevo enfoque de la teora atmica. La industria en este campo alcanz una gran relevancia. Durante este periodo adquiri especial importancia la produccin de la sosa, el cloro, el cido sulfrico, los colorantes, etc.

Una vez aceptado el concepto de tomo, quedaba por resolver cmo se combinan. El primer intento fue realizado por Amedeo Avogadro (1776-1856), que postul el concepto de molcula y su relacin con las propiedades de la materia.

CONSOLIDACINY MADUREZDE UNA CIENCIALA QUMICA DEL SIGLO XIX

MendeleievMendeleiev

La tabla ayuda

a predecir las propiedades de

todas las sustancias qumicas.

6

En 1869, Mendeleiev dedujo la existencia de nuevos elementos qumicos desconocidos hasta entonces, por lo que dej huecos vacantes en su tabla peridica. Por ejemplo, el galio y el germanio.

PROTAGONISTAS DEL SIGLO XX

Linus Pauling (1901-1994)

Aplic las teoras y mtodos de la Mecnica Cuntica a la Qumica, y estableci

la base conceptual del enlace qumico.

Wallace Hume Carothers(1896-1937)

Descubri el neopreno y el nylon, que se utilizan

ampliamente en la industria textil.

Karl Ziegler (1898-1973)Giulio Natta (1903-1979)

Obtuvieron polmeros lineales, como el polietileno,

utilizando catalizadores organometlicos.

Marie Curie (1867-1934)

Descubri dos elementos qumicos radioactivos, el

radio y el polonio, que fueron cruciales para el desarrollo de la Qumica. Realiz aportaciones

sobresalientes en radioactividad.

Robert B. Woodward (1917-1979)

Sintetiz y determin la estructura de molculas

orgnicas muy complejas como el colesterol.

Leo Hendrick Baekeland (1863-1944)

Invent la bakelita, un polmero sinttico con propiedades excepcionales que supuso

una autntica revolucin en el campo de los

materiales.

7

Hasta los aos 30, el radio se utiliz en numerosas medicinas, entre ellas el Radithor (agua destilada con radio), considerado una solucin para todos

los males. Se usaba en pinturas luminiscentes, chicles, cremas, etc. En aquellos tiempos, todo lo que contena radio signi caba avance.

En el siglo xx, la Qumica se fundamenta en los conceptos de tomo, enlace qumico y molcula, basados en la Mecnica Cuntica. El progreso cientfico alcanzado es evidente en todo lo que nos rodea.

RADITHOR

Radioactive WaterC E R T I F I E D

Contains

*Radioactive WaterC E R T I F I E D

ContainsRadioactive Water

ContainsRadioactive Water

ContainsRadioactive WaterRadioactive WaterRadioactive WaterC E R T I F I E D

Radioactive WaterC E R T I F I E D

Radioactive WaterC E R T I F I E D

ContainsRadioactive WaterC E R T I F I E D

Contains

La energa, el transporte, la produccin y distribucin de alimentos, los productos de consumo, el desarrollo tecnolgico, etc., afectan al medio ambiente.

El uso masivo de productos qumicos hace que los residuos generados tambin sean qumicos. En este contexto, es habitual encontrar el adjetivo qumico ligado a efectos negativos para el medio ambiente.

Actualmente la Qumica colabora en la proteccin del medio ambiente

LA QUMICA Y EL MEDIO AMBIENTE

determinando la cantidad e impacto de sustancias qumicas; preparando compuestos con actividad biolgica para paliar efectos nocivos; implantando procesos de separacin de sustancias txicas, etc.

Entre otras lneas, en los laboratorios espaoles se investiga sobre tecnologas que permitan minimizar el impacto del CO2, sobre el uso y desarrollo de nuevos materiales para energas renovables, y sobre nuevas fuentes de energa.

La investigacin y la industria qumicas contribuyen a proteger la biodiversidad, potabilizar el agua, producir combustibles

8

alternativos, sintetizar plaguicidas y fertilizantes ms efectivos y menos contaminantes

Todas las cosas son venenosas y nada es inocuo; nicamente la dosis determina lo que no es un veneno. Esta frase, pronunciada por Paracelso hace casi 600 aos, re eja la importancia que tiene en Qumica el concepto de concentracin. sta se re ere a la cantidad de molculas que hay en un determinado medio y se expresa, generalmente, en unidades de cantidad de materia en un volumen.

Por ejemplo, cuando se habla de contamina-cin ambiental, se debe tener en cuenta la concentracin (no es igual la dilucin de una misma cantidad de residuo qumico en un ria-chuelo que en un ro caudaloso). Otro aspecto

MIDIENDOLA CONCENTRACINY LA TOXICIDAD

importante para evaluar el efecto de una determinada sus tancia es su toxicidad a esca-la molecular.

En la naturaleza, pequeas porciones de materia estn constituidas por molculas en cantidades del orden de los cuatrillones (nmeros de 23-25 cifras). Para superar la di cultad de manejarse con estos valores, tenemos el concepto de mol. Un mol de sustancia est formado por un nmero de Avogadro de molculas y coincide con el peso molecular expresado en gramos. Este nmero es aproximadamente 6,022 1023.

En una gota de agua hay varios miles de trillones de molculas, cifra que da idea de su pequesimo tamao.

La informacin sobre contaminacin

qumica carece de sentido si no se especi ca la concentracin.

9

HUMO DE CHIMENEA

CARBONATADOR

T> 650 C

CALCINADOR

T> 900 C

GASES SIN CO2 CO2 PURO PARA ALMACENAMIENTO

CAL (CaO)

CALiZA (CaCO3)

CAPTACIN DE CO2 MEDIANTE CICLOSDE CARBONATACIN-CALCINACIN

CAMBIOCLIMTICO

El cambio global hace referencia al impacto de la actividad humana sobre la biosfera. El cambio climtico es uno de los muchos vec-tores de cambio, junto con la transformacin del territorio, la deforestacin, la deserti ca-cin, etc.

Hace ya cerca de un siglo, Arrhenius (Pre-mio Nobel de Qumica en 1903) realiz clcu-los sobre la cantidad de CO2 en la atmsfera y la relacion con la temperatura terrestre. Pre-dijo que si la cantidad de CO2 se duplicase, la

temperatura terrestre au-mentara en 2 C. Basndose en datos de produccin industrial de su poca, estim que esto sucede-ra despus de varios siglos. Sus previsiones se quedaron cortas y han bastado menos de cien aos para llegar a esas cifras.

La ciencia actual investiga cmo minimizar estos procesos. Un ejemplo de ello son los diferentes mtodos que se estudian para la captacin y almacenamiento del CO2.

El efecto invernadero es uno de los

procesos que ha de nido el clima de la Tierra. Sin l, la temperatura

terrestre sera de 18C. Los principales gases responsables son vapor de agua (H2O, el ms

abundante), dixido de carbono (CO2), metano (CH4), xidos de nitrgeno (NOx), ozono (O3) y

cloro uorocarbonos (CFC).

10

Existen diferentes procesos de captacin de CO2. Este ejemplo se basa en el equilibrio entre la cal (CaO) y la caliza (CaCO3). El CO2 procedente de una corriente

de gases (humo de chimenea) reacciona con la cal en el carbonatador, y genera caliza que se transporta al calcinador, donde se libera el CO2 puro para su almacenamiento. En

el calcinador se produce la reaccin inversa: se genera cal, que se reintroduce en el carbonatador para reiniciar el proceso.

Ms de 1.100 millones de personas en el mundo no tienen an acceso a agua potable. Cada ao, cinco millones de personas mueren a causa de enfermedades trasmitidas por agua en mal estado. Para que al abrir el grifo brote agua po-table son necesarias, entre otras infraestructuras, plantas potabilizadoras en las que se llevan a cabo rigurosos trata-mientos fsicos y qumicos. ste es uno de los muchos usos y aspectos sociales de la Qumica.

En una estacin de tratamiento de agua potable, el agua que se ha tomado del punto de captacin (ro, lago, pozo, etc.) se somete a la siguiente secuencia de operaciones: pretratamiento, coagulacin- oculacin, decantacin, ltracin y desinfeccin.

POTABILIZACINDE AGUA

11

Reduccin de la contaminacin, usando por ejemplo dixido de

cloro (ClO2).

Ajuste del pH y adicin de agentes

coagulantes (sales de hierro o aluminio) y flocu-

lantes (polielectrolitos) que facilitan la etapa

siguiente.

Eliminacin de materia slida, gracias

a membranas con poros de tamao adecuado, en cuyo diseo la Qumica

juega un papel importante.

Eliminacin de microorganismos

patgenos, al aplicar dixido de cloro (ClO2) y otros

compuestos como el ozono (O3), que actan como

bactericidas y oxidantes.

Sedimentacin de los lodos en el fondo de

grandes tanques.

DESINFECCIN

Eliminacin de materia slida, gracias

a membranas con poros de tamao adecuado, en cuyo diseo la Qumica

juega un papel importante.

QUMICA ALIMENTACIN&

AGUA POTABLE

COSECHAS MS ABUNDANTES

(ABONOS, FERTILIZANTES)

PRODUCTOS FITOSANITARIOS:

CONTROL DE PLAGAS Y MEJORA DE LAS PLANTAS

(DESFOLIANTES,REGULADORES DEL

CRECIMIENTO)PRODUCTOS

PARA VETERINARIA (VACUNAS,

MEDICAMENTOS)

MEJORA DE LOS ALIMENTOS

(CONSERVANTES,ESTABILIZANTES,EDULCORANTES)

CONOCIMIENTO DE LAQUMICA DEL SUELO

QA

El hambre en el mundo no es tanto un problema de pro-duccin de alimentos como de distribucin, entre otros factores. La Qumica ha contribuido de manera notable a que dispongamos de ms y mejores cosechas, ganado ms sano y alimentos ms seguros.

Los terrenos agrcolas son cada vez ms productivos. Un he-cho culminante para alcanzar esta situacin fue la produc-cin industrial de amoniaco (la base de los fertilizantes), desarrollado por Fritz Haber (Premio Nobel de Qumica en 1919). Esta sntesis provoc una autntica revolucin agrco-la. El nmero de humanos soportado por hectrea pas de 1,9 a 4,3 en el ltimo siglo.

Pese a sus bene cios, el abuso de fertilizantes y plaguici-das ha provocado la contaminacin de ros y acuferos. La investigacin actual persigue productos ms espec cos, que usados en las concentraciones adecuadas, acten so-bre la plaga sin perjudicar al resto del ecosistema.

LAPRODUCCINDE ALIMENTOS

12

QUMICA Y SALUD

Estructura de la hemoglobina humana, protena que contiene hierro y transporta oxgeno en la sangre.

La esperanza de vida ha crecido de forma es-pectacular en el ltimo siglo. Slo en Espaa, se ha pasado de una esperanza de vida al na-cer de 35 aos en 1900 a los 81 en el ao 2008. La higiene, los frmacos, las vacunas, las me-joras en alimentacin y el agua potable, son algunos de los factores que han in uido en este proceso.

La Qumica y la Biomedicina han mante-nido una intensa relacin desde tiempo

inmemorial. Las molculas de inters biol-gico (protenas y cidos nucleicos, principal-mente) han sido objeto de estudio de la comu-nidad cient ca, que ha contribuido a conocer su estructura y su mecanismo de accin.

Los avances de las nuevas tecnologas estn permitiendo realizar predicciones computa-cionales de actividades biolgicas y propie-dades farmacolgicas (cribado virtual), que ahorran mucho tiempo y dinero.

13

FASE CLNICA

Diseo y sntesis de molculas

activas

Diseo y sntesis de molculas

activas

Identificacinde un objetivo

biolgico

Identificacinde un objetivo

biolgico

1

Revisin y aprobacin del

medicamento por el organismo regulador

Ensayos in vitro y con animales.

Seleccin del mejor candidato

Ensayos in vitro y con animales.

Seleccin del mejor candidato

Lanzamiento ycomercializacin

Revisin y aprobacin del

medicamento por el organismo regulador

Lanzamiento ycomercializacin

11

FASE PRECLNICA

Solicitud a los organismos estatales

para sacar el producto al

mercado

Fase IIIEstudios masivos

en pacientes1.000-3.000

Solicitud a los organismos estatales

para un nuevo medicamento

Solicitud a los organismos estatales

para un nuevo medicamento

Estudio farmacolgico y

produccin

Estudio farmacolgico y

produccin

HH33C

CH3N

HH

O

N

S

2

Fase IEstudios en

voluntarios sanos2-100

Fase IEstudios en

voluntarios sanos2-100

6

8

Fase IIEstudios en pacientes100-500

710

3 4

5

9

PASTILLAS EMAAgencia Europea del

Medicamento

LOS MEDICAMENTOSY SU DESARROLLO

La industria farmacutica ha desarrollado multitud de medicamentos en los ltimos cien aos. En los pases desarrollados se pue-den curar, prevenir y paliar los sntomas de muchas enfermedades. Contina siendo un reto desarrollar medicamentos para tratar enfermedades con incidencia casi exclusiva en pases en vas de desarrollo y para enfer-medades raras (aquellas con una prevalen-cia baja, inferior a 5 casos por cada 10.000 personas en la comunidad, segn la de ni-cin europea).

La produccin de principios activos farma-cuticos, principal componente de un medi-camento, es una de las reas ms activas de la Qumica. El desarrollo de un medicamento es un proceso largo y complejo que puede durar ms de diez aos. Hasta la comercializacin, todo el proceso se divide en dos fases: la precl-nica y la clnica; y cada una de ellas consta de varias etapas. La Qumica interviene principal-mente en las primeras etapas, que empieza con el diseo de las molculas que constituirn el principio activo del futuro medicamento.

14

Placas craneales metlicas

Prtesis de barbilla y mandbula

Laringe, trquea

Corazn, marcapasos

Pulmn

Vlvula cardiaca

Discos intervertebrales

Uretra

Prtesis de articulacin de cadera

Vasos sanguneos

Prtesis de rodilla

Piel

Prtesis de tobillo

Articulacin de dedos del pie

Tendones

Varillas y clavos de tibia

Ligamentos, suturas

Esfnter

Varillas y clavos del fmur

Placas de los dedos y articulacin de la mano

Mueca

Riones, hgado, pncreas

Esfago

Mamoplastia

Clavos para huesos y articulaciones para el hombro

Odo

Nariz

Ojos, lentes, crneas

Dentaduras

BIO-MATERIALES LA QUMICA Y LA REPARACINDEL CUERPO HUMANO

No est muy lejana la poca en la que los seres humanos vivamos 120 aos. Sin embargo, las pie-zas del cuerpo se deterioran por el paso del tiempo, accidentes o enfermedades. La ciencia traba-ja para producir biomateriales que sustituyan estas piezas y sean compatibles con el organismo, principalmente con el sistema inmune.

Los biomateriales son materiales que reemplazan tejidos y rganos vivos. En su mayora, son siolgi-camente inertes y estn diseados para ser implantados dentro de un ser vivo.

Algunos biomateriales son cono-cidos desde hace muchos aos, como las piezas dentales. En la actualidad, materiales cermicos, metlicos y polimricos son usa-dos en implantes de articulaciones, piel arti cial, rganos arti ciales, implantes vasculares, y en la libe-racin controlada de frmacos.

La investigacin en el rea de los biomateriales est progresando rpidamente, aunque an quedan por mejorar aspectos como la es-tabilidad, compatibilidad y bio-degradabilidad, as como su alto coste. Igualmente, se trabaja en el desarrollo de biomateriales fun-cionalmente activos, que se inte-gran con los tejidos.

15

Se pueden sustituir prcticamente todas las piezas del cuerpo humano. El cerebro es una excepcin.

COMBUSTIBLES DIESELY COMBUSTIBLES PARACALEFACCIONES

COMBUSTIBLES DIESELY COMBUSTIBLES PARACALEFACCIONES

GASES

PRODUCTOS QUMICOS,DISOLVENTES

COMBUSTIBLES PARAVEHCULOS

QUEROSENO

LUBRICANTES, PARAFINA,ASFALTO

20 C

20-70 C

70-160 C

160-250 C

250-350 C

20 C

20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C20-70 C

70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C70-160 C

160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C160-250 C

250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C250-350 C

CALDERA

ENTRADA DE CRUDO

400 C

CnHm + [(m/4)+n]O2 combustin nCO2 + (m/2) H2O

LOS COMBUSTIBLESDE ORIGEN FSIL

La energa es el motor de la sociedad. Sin ella el transporte, la produccin de alimentos, la industria, la electricidad y cualquier actividad, en general, apenas podran desarrollarse. Todas estas actividades necesitan cantidades ingentes, y crecientes en su mayora, de energa debido al incremento del potencial econmico de los pases desarrollados y tambin de aquellos en vas de desarrollo.

En la actualidad, una parte mayoritaria de la energa primaria proviene de los combustibles de origen fsil, que incluyen carbn, petrleo y gas natural. El carbn se ha utilizado tradicionalmente como fuente primaria de energa a travs de una reaccin qumica: la combustin. El petrleo y el gas natural (hidrocarburos) resultan ms atractivos que el carbn, pero las reservas probadas son ms escasas.

16

Frmula genrica de la reaccin qumica de combustin de los combustibles fsiles (en el caso del carbn, m=0). En

todos los casos, la combustin produce CO2, uno de los causantes principales del efecto invernadero.

COMBUSTIBLES DIESELY COMBUSTIBLES PARACALEFACCIONES

GASES

PRODUCTOS QUMICOS,DISOLVENTES

COMBUSTIBLES PARAVEHCULOS

QUEROSENO

LUBRICANTES, PARAFINA,ASFALTO

20 C

20-70 C

70-160 C

160-250 C

250-350 C

CALDERA

ENTRADA DE CRUDO

400 C

CnHm + [(m/4)+n]O2 combustin nCO2 + (m/2) H2O

COMBUSTIBLES DIESELY COMBUSTIBLES PARACALEFACCIONES

GASES

PRODUCTOS QUMICOS,DISOLVENTES

COMBUSTIBLES PARAVEHCULOS

QUEROSENO

LUBRICANTES, PARAFINA,ASFALTO

20 C

20-70 C

70-160 C

160-250 C

250-350 C

CALDERA

ENTRADA DE CRUDO

400 C

CnHm + [(m/4)+n]O2 combustin nCO2 + (m/2) H2O

COMBUSTIN

El petrleo es una mezcla de un gran nmero de hidrocarburos y otros compuestos de diferentes pesos moleculares y puntos de ebullicin. A partir de petrleo crudo y por medio de procesos de craqueo o cracking (utilizacin de calor, presin, catalizadores, etc.) se separan estos compuestos y se obtienen nuevos compuestos tiles. Adems de producir combustibles, el petrleo es una fuente importante de materias primas de numerosos bienes de consumo como plsticos y medicamentos.

+

H2 H2O

HIDRGENO

CLULA DE HIDRGENO

OXGENO

H H

H H

H+

H+

H+

H+

H+

H+

O O

O O

EXCESO DEHIDRGENO(REUTILIZABLE)

AGUACA

TALI

ZADO

R

CATA

LIZA

DOR

H2 O2

e

e

e

e

e

e

e

e

H+

H+

BUSCANDO NUEVASFUENTES DE ENERGA

Entre las fuentes de energa renovables basa-das en procesos qumicos se encuentran la energa contenida en la biomasa y la basada en el hidrgeno.

La biomasa es la materia orgnica producida por las plantas en el proceso de la fotosntesis, por for-macin de carbohidratos a partir de agua y CO2. La biomasa acumula gran cantidad de energa en los enlaces C-H y C-C, por lo que puede producir energa trmica mediante combustin. La com-bustin de la biomasa, por lo tanto, tambin gene-ra CO2. Adems, la biomasa es a su vez materia prima en procedimientos qumicos de fabricacin de otros productos, como los alimentos.

Por su parte, la combustin del hidrgeno es una fuente limpia de energa que no produce emisio-nes contaminantes, pues solo genera agua.

El uso del hidrgeno requiere de fuentes ade-cuadas y de mtodos seguros de almacenamien-to y transporte. La manera ms conveniente de producir hidrgeno es por electrlisis del agua a partir de energa elctrica, que a su vez se gene-rar usando paneles solares o aerogeneradores.

La Qumica actual investiga todos estos aspectos, incluyendo los materiales para fabricar pilas de combustible, con el n de contribuir a la futura economa basada en el hidrgeno.

17

Las pilas de combustible de hidrgeno se basan en la transformacin de la energa qumica, almacenada en la molcula de H2, en energa elctrica y agua. Las molculas de hidrgeno ceden en el nodo sus electrones (generndose la corriente elctrica a

travs de un circuito exterior) y pasan al ctodo como protones (H+). All el oxgeno (O2) capta electrones y reacciona con los protones, lo que produce agua (H2O). La reaccin genera energa (reaccin exotrmica), que se usa como corriente elctrica.

1A 1nm 10 nm 100 nm 1 m

TOMO

NANOTUBOSTETRAEDRO DE SLICE (CUARZO) RESOLUCIN LITOGRFICA

ADN PROTENAS VIRUS BACTERIAS CLULAS

TRANSISTOR

10 mO

Si

O O

O

anchura

LA QUMICAY LA CIENCIA DE MATERIALES

Segn su naturaleza qumica, los tres grandes grupos de materiales utilizados por la humanidad son los xidos inorgnicos (cermica, vidrio, etc.), los metales y los compuestos orgnicos (basados en la qumica del carbono), tanto naturales como sintticos.

Desde la Antigedad hasta prcticamente la Revolucin Industrial la humanidad utiliz casi los mismos materiales, con las nicas excepciones destacadas del acero ydel cemento.

Los grandes avances de las ciencias bsicas en el siglo xix y primeras dcadas del xx dieron lugar a la moderna Ciencia de Materiales, rea

multidisciplinar que rene los conocimientos de la Fsica, la Qumica, la Metalurgia, la Ciencia de los Polmeros, la Ingeniera, la Geologa y la Biologa. En la actualidad es posible que dispongamos de materiales altamente so sticados, y estamos en el camino de obtener multitud de nuevos materiales para todas las aplicaciones imaginables.

Una de las consecuencias del espectacular desarrollo alcanzado por la Ciencia de Materiales ha sido la aparicin de la nanotecnologa, que abre una nueva senda en la generacin de nuevos materiales, de propiedades elctricas, magnticas, pticas y mecnicas espectaculares.

18

La nanotecnologa permite entender a nivel atmico y molecular todos los fenmenos que ocurren en la nanoescala(1 m = 10-6 m; 1 nm = 10-9 m; y 1 = 10-10 m).

LOS POLMEROS EN NUESTRA VIDA

El xx se puede de nir como el siglo de los polmeros. En los pases occidentales su uso comenz a extenderse a mediados del xix y, desde entonces, se ha ido incrementando la dependencia de este tipo de sustancias qu-micas. Su excesivo consumo ha provocado un problema medioambiental, que se est inten-tando solventar con la generacin de polme-ros degradables.

Los polmeros son compuestos qumicos de alto peso molecular, que se forman por la unin repetitiva de molculas ms peque-as. La unidad estructural mnima que se re-pite se denomina monmero.

Antes de tener polmeros sintticos, el ser humano dependa de los polmeros naturales (protenas, polisacridos y poliisoprenoides) tales como la seda, la celulosa y el caucho. Sin embargo, estos polmeros tenan una disponi-bilidad limitada y escasa versatilidad. La po-sibilidad de preparar polmeros sintticos ha superado estos inconvenientes.

2CH2OH

(CH-O-COCH3)n

(CH-OCOCH3)n

CH2OHCH2

CH2

CH2

HOHO OH

HO

HO

O O O

O O O

O O

O

(CH-O-COCH(CH-O-COCH(CH-O-COCH

INDUSTRIA DEL CINE

FOTOGRAFA

ACETATO DE CELULOSA

NYLON Y NEOPRENO

Sur

f

0

C

CC

N

N HN

H

n H HCI

CC C C

H

HHn n

H

R

0 0

1

R2R1

POLIETILENO, POLIPROPILENO

Cuerdas, cables, prtesis, lentes de contacto, bolsas, piezas mecnicas ...

NUMEROSAS APLICACIONES

CH3

H2C

CH2CH CH2x

1

3

4

Las aplicaciones de los polmeros son muy variadas y abarcan desde la pelcula cinematogr ca, un vaso o una bolsa, hasta lo ms so sticado, como es el caso de los materiales superconductores o los trajes de los astronautas. En la industria textilson fundamentales.

19

CH2OH

(CH-O-COCH3)n

(CH-OCOCH3)n

CH2OHCH2

CH2

CH2

HOHO OH

HO

HO

O O O

O O O

O O

O

INDUSTRIA DEL CINE

FOTOGRAFA

ACETATO DE CELULOSA

NYLON Y NEOPRENO

Sur

f

0

C

CC

N

N HN

H

n H HCI

CC C C

H

HHn n

H

R

0 0

1

R2R1

POLIETILENO, POLIPROPILENO

Cuerdas, cables, prtesis, lentes de contacto, bolsas, piezas mecnicas ...

NUMEROSAS APLICACIONES

CH3

H2C

CH2CH CH2x

CH2OH

(CH-O-COCH3)n

(CH-OCOCH3)n

CH2OHCH2

CH2

CH2

HOHO OH

HO

HO

O O O

O O O

O O

O

INDUSTRIA DEL CINE

FOTOGRAFA

ACETATO DE CELULOSA

NYLON Y NEOPRENO

Sur

f

0

C

CC

N

N HN

H

n H HCI

CC C C

H

HHn n

H

R

0 0

1

R2R1

POLIETILENO, POLIPROPILENO

Cuerdas, cables, prtesis, lentes de contacto, bolsas, piezas mecnicas ...

NUMEROSAS APLICACIONES

CH3

H2C

CH2CH CH2x

LOS POLMEROS

CH2OH

(CH-O-COCH3)n

(CH-OCOCH3)n

CH2OHCH2

CH2

CH2

HOHO OH

HO

HO

O O O

O O O

O O

O

INDUSTRIA DEL CINE

FOTOGRAFA

NYLON Y NEOPRENO

BAKELITA

Sur

f

0

C

CC

N

N HN

H

n H HCI

CC C C

H

HHn n

H

R

0 0

1

R2R1

POLIETILENO, POLIPROPILENO

Cuerdas, cables, prtesis, lentes de contacto, bolsas, piezas mecnicas ...

NUMEROSAS APLICACIONES

CH3

H2C

CH2CH CH2x

TELFONOS

ENCHUFES

OH

OH OHHO HO

HO

ACETATO DE CELULOSA

Bolsas de aire de seguridad (airbags).

Productos qumicos (NaN3, C2H3N3, etc) que pueden

generar rpidamente gran cantidad de gas y la

expansin instantnea de la bolsa.

Catalizadores que limpian los gases de

escape, mediante reacciones qumicas sobre superficies de

rodio (Rh) o platino (Pt) en soportes de cermica

porosa.

Neumticos de caucho natural o sinttico, que se pueden reutilizar mediante

recauchutado o reciclar para otros usos (asfaltos, etc.).

El vehculo se mueve gracias a la

energa generada en la combustin de la gasolina o el

gasoil. En un futuro, los vehculos se movern por electricidad generada a partir de pilas de combustible de hidrgeno,

sistemas hbridos y/o bateras ms

eficientes.

Lmparas halgenas o de xenn, que

permiten una luz ms intensa.

Glicoles de elevada viscosidad y resistencia

trmica en lquido de frenos.

Polisteres y otros plsticos reforzados con fibra de vidrio y carbono

en piezas de la carrocera y en el interior del

habitculo.

Policarbonatos en faros, lunas, techos

solares, etc.

Acero, aluminio, titanio y aleaciones

ligeras en carrocera, chasis y motor.

LA QUMICA ENLA VIDA COTIDIANA:EL AUTOMVIL

Prcticamente desde que nos levantamos hasta que nos acostamos nos relacionamos con la Qumica. Tomemos por ejemplo un coche, donde hay mucha Qumica

20

EL FUTURO YLA QUMICA

Cpsulas de clulas arti ciales llenas de insu-lina que se libera cuando detectan un aumen-to de la glucosa en sangre; nanopartculas que inhiben el crecimiento de clulas cancerosas sin daar el resto de rganos ni tejidos; orde-nadores con el tamao de una gota de agua formados por molculas capaces de procesar en paralelo millones de combinaciones; mate-riales ligeros, resistentes y adaptables para un transporte ms seguro y e ciente; inyeccin del CO2 a ms de 800 metros de profundi-dad para evitar que aumente la temperatura terrestre. Hace no muchos aos estas ideas sonaban a ciencia ccin; sin embargo, son lneas de trabajo en las que se est investigan-do actualmente y que marcarn nuestro futu-ro, y el de la Qumica.

La Biomedicina, los retos energticos y medioambientales, la alimentacin y los futu-ros materiales son, probablemente, las prin-cipales reas en las que se centrar la inves-tigacin qumica en el siglo xxi, tanto bsica como aplicada. La investigacin estar mar-cada por la internacionalizacin y la colabo-racin entre disciplinas y reas del conoci-miento, y centros de investigacin.

La Qumica, sin duda, tendr un papel deci-sivo en la ciencia del futuro para mejorar la calidad de vida de todas las personas y en todos los lugares de la Tierra.

21

Una de las aplicaciones de la electrnica molecular son los ordenadores moleculares. En ellos, molculas individuales pueden realizar clculos mil veces ms rpido que el procesador basado en silicio de un PC. En la imagen, un transistor ptico hecho a partir de una nica molcula.