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La fisica y quimica

1.1: Estudiar química

                 

 

Habilidades para desarrollar

 

         

  • Reconocer la amplitud, profundidad y alcance de la química.
  •  

 

 

Química es el estudio de la materia y los cambios que sufren las sustancias materiales. De todas las disciplinas científicas, es quizás la más relacionada con otros campos de estudio. Los geólogos que desean localizar nuevos depósitos de minerales o petróleo utilizan técnicas químicas para analizar e identificar muestras de rocas. Los oceanógrafos utilizan la química para rastrear las corrientes oceánicas, determinar el flujo de nutrientes hacia el mar y medir la tasa de intercambio de nutrientes entre las capas oceánicas. Los ingenieros consideran las relaciones entre las estructuras y las propiedades de las sustancias cuando especifican materiales para diversos usos. Los físicos aprovechan las propiedades de las sustancias para detectar nuevas partículas subatómicas. Los astrónomos usan firmas químicas para determinar la edad y la distancia de las estrellas y responder preguntas sobre cómo se forman las estrellas y la antigüedad del universo. Todo el tema de la ciencia ambiental depende de la química para explicar el origen y los impactos de fenómenos como la contaminación del aire, el agotamiento de la capa de ozono y el calentamiento global.

 

Las disciplinas que se centran en los organismos vivos y sus interacciones con el mundo físico dependen en gran medida de bioquímica , la aplicación de la química al estudio de procesos biológicos. Una célula viva contiene una gran colección de moléculas complejas que llevan a cabo miles de reacciones químicas, incluidas las necesarias para que la célula se reproduzca. Los fenómenos biológicos como la visión, el gusto, el olfato y el movimiento resultan de numerosas reacciones químicas. Los campos como la medicina, la farmacología, la nutrición y la toxicología se centran específicamente en cómo las sustancias químicas que ingresan a nuestros cuerpos interactúan con los componentes químicos del cuerpo para mantener nuestra salud y bienestar. Por ejemplo, en el área especializada de la medicina deportiva, se necesita un conocimiento de química para comprender por qué los músculos duelen después del ejercicio, y cómo el ejercicio prolongado produce la sensación de euforia conocida como “subidón del corredor”.

 

Ejemplos de las aplicaciones prácticas de la química están en todas partes ( Figura ( PageIndex {1} ) ). Los ingenieros deben comprender las propiedades químicas de las sustancias al diseñar implantes biológicamente compatibles para el reemplazo de juntas o al diseñar carreteras, puentes, edificios y reactores nucleares que no colapsen debido a materiales estructurales debilitados como el acero y el cemento. La arqueología y la paleontología se basan en técnicas químicas para fechar huesos y artefactos e identificar sus orígenes. Aunque la ley normalmente no se considera un campo relacionado con la química, los científicos forenses utilizan métodos químicos para analizar sangre, fibras y otras pruebas mientras investigan delitos. En particular, la comparación de ADN, que compara muestras biológicas de material genético para ver si podrían provenir de la misma persona, se ha utilizado para resolver muchos casos criminales de alto perfil, así como a personas inocentes que han sido acusadas o condenadas erróneamente. El análisis forense es un área de rápido crecimiento de la química aplicada. Además, la proliferación de innovaciones químicas y bioquímicas en la industria está produciendo un rápido crecimiento en el área del derecho de patentes. En última instancia, la dispersión de información en todos los campos en los que la química desempeña un papel requiere expertos que puedan explicar complejos problemas químicos al público a través de la televisión, el periodismo impreso, Internet y libros populares.

 

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Figura ( PageIndex {1} ): Química en la vida cotidiana. Aunque la mayoría de las personas no lo reconocen, la química y los compuestos químicos son ingredientes cruciales en casi todo lo que comemos, usamos y usamos.

 

En este punto, no debería sorprenderte saber que la química fue esencial para explicar un evento crucial en la historia de la Tierra: la desaparición de los dinosaurios. Aunque los dinosaurios gobernaron la Tierra durante más de 150 millones de años, la evidencia fósil sugiere que se extinguieron abruptamente hace aproximadamente 66 millones de años. Las explicaciones propuestas para su extinción han variado desde una epidemia causada por algún microbio o virus mortal hasta fenómenos más graduales, como los cambios climáticos masivos. En 1978, Luis Álvarez (un físico ganador del Premio Nobel), el geólogo Walter Álvarez (hijo de Luis) y sus colegas descubrieron una delgada capa de roca sedimentaria formada hace 66 millones de años que contenía concentraciones inusualmente altas de iridio, un metal bastante raro ( parte (a) en Figura ( PageIndex {2} ) ). Esta capa se depositó aproximadamente en el momento en que los dinosaurios desaparecieron del registro fósil. Aunque el iridio es muy raro en la mayoría de las rocas, representa solo el 0.0000001% de la corteza terrestre, es mucho más abundante en cometas y asteroides. Debido a que las muestras correspondientes de rocas en sitios en Italia y Dinamarca contenían altas concentraciones de iridio, los Alvarez sugirieron que el impacto de un gran asteroide con la Tierra condujo a la extinción de los dinosaurios. Cuando los químicos analizaron muestras adicionales de sedimentos de 66 millones de años de sitios en todo el mundo, se encontró que todos contenían altos niveles de iridio. Además, los pequeños granos de cuarzo en la mayoría de las capas que contienen iridio exhiben grietas microscópicas características de las ondas de choque de alta intensidad (parte (b) en Figura ( PageIndex {2} ) ). Aparentemente, estos granos se originaron en rocas terrestres en el sitio del impacto, que se pulverizaron al impactar y explotaron en la atmósfera superior antes de establecerse en todo el mundo.

 

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Figura ( PageIndex {2} ): evidencia del impacto de los asteroides que puede haber causado la extinción de los dinosaurios. (a) Luis y Walter Alvarez están parados frente a una formación rocosa en Italia que muestra la delgada capa blanca de arcilla rica en iridio depositada en el momento en que los dinosaurios se extinguieron. La concentración de iridio es 30 veces más alta en esta capa que en las rocas inmediatamente superiores e inferiores. No hay diferencias significativas entre la capa de arcilla y las rocas circundantes en las concentraciones de cualquiera de los otros 28 elementos examinados. (b) Microfotografías de un grano de cuarzo sin sacudir (izquierda) y un grano de cuarzo de la capa rica en iridio que presenta grietas microscópicas resultantes del choque (derecha).

 

Los científicos calculan que una colisión de la Tierra con un asteroide pedregoso de aproximadamente 10 kilómetros (6 millas) de diámetro, que viaja a 25 kilómetros por segundo (aproximadamente 56,000 millas por hora), liberaría casi instantáneamente energía equivalente a la explosión de aproximadamente 100 millones de megatones de TNT (trinitrotolueno). Esta es más energía que la almacenada en todo el arsenal nuclear del mundo. La energía liberada por tal impacto prendería fuego a vastas áreas de bosque, y el humo de los incendios y el polvo creado por el impacto bloquearía la luz solar durante meses o años, y eventualmente mataría a prácticamente todas las plantas verdes y la mayoría de los organismos que dependen de ellos. Esto podría explicar por qué alrededor del 70% de todas las especies, no solo los dinosaurios, desaparecieron al mismo tiempo. Los científicos también calculan que este impacto formaría un cráter de al menos 125 kilómetros (78 millas) de diámetro. Recientemente, las imágenes de satélite de una misión del transbordador espacial confirmaron que un enorme asteroide o cometa se estrelló contra la superficie de la Tierra a través del extremo norte de Yucatán en el Golfo de México hace 65 millones de años, dejando un cráter parcialmente sumergido de 180 kilómetros (112 millas) de diámetro ([ 19459015] Figura ( PageIndex {3} ) ). Así, las simples mediciones químicas de la abundancia de un elemento en las rocas condujeron a una explicación nueva y dramática de la extinción de los dinosaurios. Aunque todavía es controvertido, esta explicación está respaldada por evidencia adicional, en gran parte química.

 

 

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Figura ( PageIndex {3} ): Impacto de asteroides. La ubicación del cráter de impacto de asteroides cerca de lo que ahora es la punta de la península de Yucatán en México.

 

Este es solo un ejemplo de cómo se ha aplicado la química a un importante problema científico. Otras aplicaciones químicas y explicaciones que discutiremos en este texto incluyen cómo los astrónomos determinan la distancia de las galaxias y cómo los peces pueden sobrevivir en aguas bajo cero bajo las capas de hielo polar. También consideraremos las formas en que la química afecta nuestra vida diaria: la adición de yodo a la sal de mesa; el desarrollo de medicamentos más efectivos para tratar enfermedades como el cáncer, el SIDA (síndrome de inmunodeficiencia adquirida) y la artritis; la remodelación de la industria para usar refrigerantes, propulsores y otros productos químicos que no contengan cloro para preservar la capa de ozono de la Tierra; el uso de materiales modernos en ingeniería; esfuerzos actuales para controlar los problemas de la lluvia ácida y el calentamiento global; y la conciencia de que nuestros cuerpos requieren pequeñas cantidades de algunas sustancias químicas que son tóxicas cuando se ingieren en dosis más grandes. Cuando termine este texto, podrá discutir este tipo de temas con conocimiento, ya sea como un científico principiante que tiene la intención de pasar su carrera estudiando tales problemas o como un observador informado que puede participar en debates públicos que seguramente surgen a medida que la sociedad lidia con problemas científicos.

 

Resumen

 

Una comprensión de la química es esencial para comprender gran parte del mundo natural y es fundamental para muchas otras disciplinas. La química es el estudio de la materia y los cambios que sufren las sustancias materiales. Es esencial para comprender gran parte del mundo natural y es fundamental para muchas otras disciplinas científicas, incluidas la astronomía, la geología, la paleontología, la biología y la medicina.