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febrero 2013

¿De qué color es un espejo?

by Jordi Pereyra

Todos nos hemos preguntado alguna vez de qué color es un espejo. Tiene pinta de ser plateado, ¿no? Pero algo nos dice que ahí no acaba la historia. ¿Podríamos ver el color real con la luz apagada? No, las cosas no funcionan así.

Ante nada, vamos a aclarar una cosa: un espejo perfecto no tendría color, ya que reflejaría toda la luz incide sobre él, por lo que su color sería simplemente el del objeto reflejado.

Pero no vivimos en el mundo de las cosas perfectas, como nos intentan hacer creer los problemas de física del instituto. Ni siquiera el mejor espejo que podamos fabricar reflejará el 100% que incide sobre él y siempre habrá una pequeña cantidad que será absorbida por el material reflectante. Es una fracción tan pequeña que a efectos prácticos ni se nota, aunque puede manifestarse en algunas condiciones.

Empecemos por lo más básico: ¿Qué es color?

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¿Qué es el agua pesada?

by Jordi Pereyra
¿Qué líquido es exactamente igual que el agua, pero pesa un 11% más y probablemente te matará si bebes suficiente? (pista: no es ningún veneno transparente rebuscado)

Empecemos por lo básico.

La fórmula química del agua es H2O  lo que significa que una molécula está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, formando más o menos una estructura de este estilo.

Hasta ahí bien.

Pero, a nivel atómico, no todo es tan sencillo. Cada átomo está compuesto de tres tipos de partículas: protones, neutrones y electrones. El número de ellos y la proporción de cada uno respecto a los demás, es lo que determina cómo será un elemento químico.

Los protones tienen carga positiva y los electrones negativa, mientras que los neutrones no tienen carga, o es neutra (propuesta para llamarles suizones denegada), tanto da.

Para que un átomo esté en equilibrio, tiene que tener el mismo número de cargas positivas que negativas, es decir, la misma cantidad de protones que de electrones. Lo único que diferencia un elemento de otro, de hecho, es el número de protones que contiene su núcleo.

A primera vista puede parecer que los neutrones carecen de utilidad. Tal vez no deberían existir. Tal vez deberíamos juntarlos todos y prenderles fuego, pero tampoco daría tiempo porque un neutrón aislado apenas dura 15 minutos antes de descomponerse en otras partículas más pequeñas. Pero, bueno, esto no viene el caso.

El agua, con todos sus componentes primarios y siguiendo el esquema de antes, quedaría así (me niego a hacer más círculos con el Paint, así que usaré gatos).

Además de ser necesarios para mantener los núcleos atómicos estables, los neutrones son la causa por la que se forman isótopos de todos los elementos.

Como ya hemos dicho, un elemento químico se caracteriza por el número de protones contiene en el núcleo, eso es inmutable. Pero sí podemos añadir o quitar neutrones de un átomo y seguirá siendo el mismo elemento, aunque sus propiedades cambiarán ligeramente. Es entonces cuando hablamos de isótopos.

Todos hemos oído hablar, por ejemplo, del carbono-14. El carbono tiene 6 protones, y esto es, ha sido y será así para cualquier átomo de carbono en cualquier parte del universo. El «14» que le sigue no es más que el número de partículas que contiene su núcleo (6 protones y 8 neutrones). De la misma manera, existen el carbono 12 y el 13, con seis y siete neutrones. En este caso, decimos que el carbono tiene 3 isótopos estables (porque en realidad existen desde el carbono-8 hasta el carbono-22, pero ninguno de ellos dura demasiado antes de desintegrarse).

Volviendo al agua, los átomos del hidrógeno de los que está constituida son los más simples y abundantes en el universo y se componen de un protón y un electrón. A esta configuración se le llama también protio.

Pero, pese a que esta configuración sea la más común (el 99,98% de la masa total de hidrógeno corresponde a protio), el hidrógeno tiene dos isótopos más: el deuterio y el tritio.

El deuterio tiene en su núcleo un protón y un neutrón, mientras que el tritio tiene un protón y dos neutrones. El tritio nos va a dar bastante igual, ya que es radiactivo y se usa sólo en la industria del armamento nuclear.

Volviendo al deuterio.

Pese a tener una partícula compañera en su núcleo, sus propiedades no varían mucho respecto al hidrógeno normal. La diferencia más notable es que pesa el doble que el hidrógeno corriente, ya que el centro ya no está ocupado por una sola partícula, sino por dos.

El deuterio no tiene ningún problema en enlazarse con oxígeno para formar moléculas de D2O  igual que el hidrógeno común forma H2O  El D2O tiene el mismo aspecto que el agua corriente, pero una masa un 11% mayor que ésta. De ahí que nos refiramos a ello como agua pesada.

Un efecto curioso que produce este hecho, es que el hielo de agua pesada se hunde en agua normal en estado líquido, como aparece en este vídeo a partir del minuto 6:02.

El color anaranjado (o rosáceo, o lo que cada uno vea) del hielo se debe a que han mezclado una pequeña cantidad de tinte con el agua pesada para poder distinguir bien el experimento.

Luego, ocurre algo curioso: a medida que se funde, el hielo de agua pesada empieza a flotar. El señor del pelo afro canoso dice que esto es porque el hielo pesado se funde a una temperatura ligeramente menor que el agua corriente, así que ésta se vuelve a congelar sobre la superficie del hielo, bajando su densidad total. Pero hay algo que no menciona (y varios comentarios de Youtube parecen concordar conmigo): también contribuye a este fenómeno el hecho de que, al fundirse el hielo, el agua pesada se mezcla con el agua corriente y aumenta la densidad de la mezcla.

Pero bueno, sigamos con el tema que nos concierne a todos.

No se sabe mucho sobre los efectos nocivos sobre la salud del agua pesada.

Teniendo en cuenta que, de manera natural, uno de cada 7.000 átomos de hidrógeno es deuterio, y que el cuerpo humano cuenta con un 75% de agua, lo más probable es que ya tengas de 6 a 8 gramos de agua pesada corriendo por tus venas.

En esas cantidades no debe ser peligroso, porque entonces estaríamos todos muertos.

Lo que sí sabemos es que los enlaces que se forman entre el deuterio y el oxígeno en el D2O son un poco más fuertes que los del H2O.

También sabemos que muchos procesos químicos que nos mantienen vivos requieren de la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno. Al necesitar más energía para romper las moléculas de D2O, estos procesos podrían ralentizarse o detenerse por completo, matándonos de alguna manera.

Oye, pero no me ha quedado una cosa clara del todo… Si el deuterio pesa el doble que el hidrógeno, ¿Cómo es que el agua pesada sólo pesa un 11% más que el agua normal? ¿No debería pesar también el doble?

El hidrógeno es sólo uno de los componentes del agua. Una molécula de H2O consiste en dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, mucho más pesado. Como protones y neutrones tienen masas muy parecidas, y los electrones pesan tan poco que se pueden despreciar, tomemos la masa de una partícula como 1.

El oxígeno tiene en su núcleo 8 protones y 8 neutrones, lo que le da una masa de 16 que, sumada a la masa de los dos átomos de hidrógeno, nos da una masa total de 18 para la molécula de agua.

En el caso del deuterio, el número total de partículas en la molécula ascendería a 20 al haber dos neutrones nuevos en el sistema. Podemos compararlo (más o menos) aquí.

Por tanto el agua pesada (con 20 partículas) será un 11.11% más masiva que el agua corriente (con 18 partículas). Locos del 11:11, manifestaos.

Y ahora, un breve mensaje publicitario.

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Especial Mercurio

by Jordi Pereyra

Iba a escribir un especial sobre química, pero con el primer tema que iba a tratar me estaba alargando tanto que he decidido convertirlo en un capítulo sobre uno de mis elementos favoritos de la tabla periódica: el mercurio.

Este elemento ha alimentado la curiosidad del ser humano desde su descubrimiento. Y, hablando de alimentación, la curiosidad humana no es lo único que se ha nutrido de las interesantes propiedades de este elemento: el emperador chino Qin Shi Huang murió en el año 210 a.C. porque tomaba regularmente un brebaje de mercurio que había mandado desarrollar a sus alquimistas, pensando que esta sustancia le otorgaría la inmortalidad.

«Si es bonito, es sano«, Qin Shi Huang emperador chino.

El hecho de que sea el único metal que se encuentra en estado líquido a temperatura ambiente (aunque el galio también puede estarlo, si vives en un lugar muy caluroso) es el motivo por el que su símbolo químico es Hg, en alusión a su nombre latín hidrargium, que viene de hidros, «agua» y argentum, «plata».

Otra cosa que sorprende de este elemento es su densidad, que ronda los 13.6 kilogramos por cada litro de material, el equivalente a sufrir una luxación de muñeca al intentar levantar un botellín de Font Vella lleno de este elemento.

De hecho, como las cosas menos densas flotan sobre las que lo son más, casi todos los elementos que nos rodean en nuestro día a día pueden flotar sobe el mercurio. Por ejemplo, aquí tenéis a un tipo lanzando una bala de cañón de hierro (densidad, 7.87 kg/litro) en una piscina de mercurio para la BBC.

Estaría bien que en el vídeo hubieran enseñado otros materiales más densos que el mercurio que sí se hunden en este metal líquido, como por ejemplo el uranio (18.95 kg/l), el oro (19.3 kg/l), el osmio (22.16 kg/l). No me creo que en la BBC no puedan permitirse comprar un lingotillo de oro para hacer una demostración rápida pero, de todos modos, en su defensa debo decir que la prueba tampoco sería recomendable, ya que el oro tendería a amalgamarse con el mercurio, liberando una gran cantidad de calor y…

¡Eh, para el carro con las palabras extrañas!

¡Calma, voz cursiva, ahora lo explico!

Una amalgama es una mezcla entre el mercurio y otro metal. Básicamente, cuando juntas cualquier metal (que no sea hierro, tungsteno, platino o tántalo) con el con mercurio, el primero se disuelve en él y ambos pasan a formar un sólo compuesto.

Amalgama de mercurio y oro. Fuente: aquí.

De hecho, el mercurio se usó durante mucho tiempo en la minería porque se amalgama con las pequeñas partículas de oro contenidas entre la arena y las rocas. Esto facilita mucho la extracción de oro porque puedes meter todo tu material en un recipiente con mercurio, darle un meneo para que entre en contacto con la mayor cantidad de oro posible y la disuelva, recuperar la amalgama líquida y disolver el mercurio que contiene con un ácido o evaporarlo para que sólo quede el oro atrás. Pero, claro, el uso del mercurio en la minería se tuvo que prohibir cuando se descubrió que es un metal extremadamente tóxico y que los residuos desataban el caos en los ecosistemas cercanos (y en los cuerpos de los propios mineros).

Y, sabiendo esto, tal vez os alarme conocer el siguiente dato: las amalgamas de plata-mercurio, por ejemplo, se usan en implantes dentales. Pero ojo, que no tenéis por qué preocuparos porque estos implantes no son tóxicos, ya que la mezcla forma un material sólido muy resistente a los ácidos que nos llevamos a la boca y al estrés mecánico de la masticación. Por tanto, el mercurio no tiene manera de salir del empaste y entrar en nuestro cuerpo cuando se encuentra en este estado.

En cualquier caso, no hace falta lanzar un metal dentro de una piscina de mercurio para que la reacción que produce una amalgama tenga lugar, ya que puede atacar a otros metales incluso en pequeñas cantidades, como demuestra el siguiente vídeo:

En condiciones normales, el oxígeno de la atmósfera reacciona con los átomos de la superficie del aluminio formando una fina capa protectora de óxido de aluminio impermeable que impide que más oxígeno penetre en el interior de la pieza y la debilite desde dentro.

Pero el mercurio es más valiente que el oxígeno y sí que es capaz de colarse a través de esa capa de óxido de aluminio, impidiendo que se forme una barrera continua que proteja el resto del material contra el oxígeno y permitiendo que el oxígeno penetre en la estructura. Esto forma nuevas capas de óxido que a la vez son atravesadas por el mercurio y el oxígeno, formando más capas… Y al final acaba todo lleno de grietas y la estructura hecha un desastre.

De hecho, el mercurio es tan efectivo rompiendo la barrera natural del aluminio que el tipo de este artículo de POPSCI.com  dice que, durante la II Guerra Mundial, los aliados aprovechaban este fenómeno e infiltraban unidades militares en territorio alemán para untar sus aviones con mercurio y dejaban a los nazis con el culo torcido al ver que sus aeronaves caían del cielo sin explicación alguna.

Moraleja: lo único que impide que un avión se estrelle contra el suelo es una capa microscópica de óxido de aluminio.

Y, después de todo esto, aquí tenéis mis publicidades que podéis ignorar perfectamente.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, «Las 4 fuerzas que rigen el universo«. En él hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro «viejo» («El universo en una taza de café«) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

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