bioquímica

1. De joven, recuerdo haber visto asombrado como hervía el agua en una
cacerola. Al buscar la explicación de por qué se formaban las burbujas, creí
por un tiempo que el movimiento del agua calentada llevaba aire hacia el
fondo de la cacerola que después se elevaba en forma de burbujas a la
superficie. No sabía que lo que estaba pasando era aún más mágico de lo
que imaginaba: las burbujas no eran de aire, en realidad eran agua en
forma de gas.
Los diferentes estados de la materia han confundido a la gente durante
mucho tiempo. Los antiguos griegos fueron los primeros en identificar tres
clases (lo que hoy llamamos estados) de materia, basados en sus
observaciones del agua. Pero estos mismos griegos, en particular el filósofo
Thales (624 - 545 BC), sugirió, incorrectametne, que puesto que el agua
podía existir como unelemento sólido, líquido, o hasta gaseoso bajo
condiciones naturales, debía ser el único y principal elemento en
el universo de donde surgía el resto de sustancias. Hoy sabemos que el
agua no es la sustancia fundamental del universo, en realidad, no es ni
siquiera un elemento.
Para entender los diferentes estados en los que la materia existe, es
necesario entender algo llamado Teoría Molecular Kinética de la Materia.
La Teoría Molecular Kinética tiene muchas partes, pero aquí introduciremos
sólo algunas. Uno de los conceptos básicos de la teoría argumenta que los
átomos y moléculas poseen unaenergía de movimiento, que percibimos
como temperatura. En otras palabras, los átomos y moléculas están en
movimiento constante y medimos la energía de estos movimientos como la
temperatura de una sustancia. Mientras más energía hay en una sustancia,
mayor movimiento molecular y mayor la temperatrua percibida.
Consecuentemente, un punto importante es que la cantidad de energía que
tienen los átomos y las moléculas (y por consiguiente la cantidad de
movimiento) influye en su interacción. Al contrario que simples bolas de

2. billar, muchos átomos y moléculas se atraen entre sí como resultado de
varias fuerzas intermoleculares, como lazos de hidrógenos, fuerzas van der
Waals y otras. Los átomos y moléculas que tienen relativamente pequeñas
cantidades de energía (y movimiento) interactuarán fuertemente entre sí,
mientras que aquellos con relativamente altas cantidades de energía
interactuarán poco, si acaso.
¿Cómo se producen estos diferentes estados de la materia? Los átomos
que tienen poca energía interactúan mucho y tienden a “ encerrarse” y no
interactuar con otros átomos. Por consiguiente, colectivamente, estos
átomos forman una sustancia dura, lo que llamamos un sólido. Los átomos
que poseen mucha energía se mueven libremente, volando en un espacio y
forman lo que llamamos gas. Resulta que hay varias formas conocidas de
materia, algunas de ellas están detalladas a continuación.
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Los sólidos se forman cuando las fuerzas de atracción
entremoléculas individuales son mayores que la energía que causa que se
separen. Las moléculas individuales se encierran en su posición y se
quedan en su lugar sin poder moverse. Aunque los átomos y moléculas de
los sólidos se mantienen en movimiento, el movimiento se limita a una
energía vibracional y las moléculas individuales se matienen fijas en su
lugar y vibran unas al lado de otras. A medida que la temperatura de un
sólido aumenta, la cantidad de vibración aumenta, pero el sólido mantiene
su forma y volumen ya que las moléculas están encerradas en su lugar y no
interactúan entre sí. Para ver un ejemplo de esto, pulsar en la siguiente
animación que muestra la estructura molecular de los cristales de hielo.
Solid matter - ice
Una simulación del movimiento molecular dentro de un cristal de hielo.

3. Corel Corporation
Los líquidos se forman cuando la energía (usualmente en forma de calor)
de un sistema aumenta y la estructura rígida del estado sólido se rompe.
Aunque en los líquidos las moléculas pueden moverse y chocar entre sí, se
mantienen relativamente cerca, como los sólidos. Usualmente, en los
líquidos las fuerzas intermoleculares (tales como los lazos de hidrógeno que
se muestran en la siguiente animación) unen las moléculas que
seguidamente se rompen. A medida que la temperatura de un líquido
aumenta, la cantidad de movimiento de las moléculas individuales también
aumenta. Como resultado, los líquidos pueden “ circular” para tomar la
forma de su contenedor pero no pueden ser fácilmente comprimidas porque
las moléculas ya están muy unidas. Por consiguiente, los líquidos tienen
una forma indefinida, pero un volumen definido. En el ejemplo de animación
siguiente, vemos que el agua líquida está formada de moléculas que
pueden circular libremente, pero que sin embargo, se mantienen cerca una
de otra.
Liquid matter - water
Una simulación del movimiento molecular dentro del agua líquida.
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Los gases se forman cuando la energía de un sistema excede todas
las fuerzas de atracción entre moléculas. Así, las moléculas de gas
interactúan poco, ocasionalmente chocándose. En el estado gaseoso, las
moléculas se mueven rápidamente y son libres de circular en cualquier
dirección, extendiéndose en largas distancias. A medida que la temperatura
aumenta, la cantidad de movimiento de las moléculas individuales aumenta.

4. Los gases se expanden para llenar sus contenedores y tienen
una densidad baja. Debido a que las moléculas individuales están
ampliamente separadas y pueden circular libremente en el estado gaseoso,
los gases pueden ser fácilmente comprimidos y pueden tener una forma
indefinida.
Gaseous matter - steam
Una simulación del comportamiento de las moléculas de agua, convirtiéndose en estado
gaseoso.
Los sólidos, líquidos y gases son los estados más comunes de la materia
que existen en nuestro planeta. Si quiere comparar los tres estados, pulse
en la siguiente comparación animada . Note las diferencias del movimiento
molecular de lasmoléculas de agua en estos tres estados.
Solid-Liquid-Gas Comparison
NASA/JPL/Caltech
Los plasmas son gases calientes e ionizados. Los plasmas se forman bajo
condiciones de extremadamente alta energía, tan alta, en realidad, que
las moléculas se separan violentamente y sólo existen átomos sueltos. Más
sorprendente aún, los plasmas tienen tanta energía que los electrones
exteriores son violentamente separados de los átomos individuales,
formando así un gas de iones altamente cargados y energéticos. Debido a
que los átomos en los plasma existen como iones cargados, los plasmas se
comportan de manera diferente que los gases y forman el cuarto estado de
la materia. Los plasmas pueden ser percibidos simplemente al mirar para
arriba; las condiciones de alta energía que existen en las estrellas, tales
como el sol, empujan a los átomos individuales al estado de plasma.

5. Como hemos visto, el aumento de energía lleva a mayor movimiento
molecular. A la inversa, la energía que disminuye lleva a menor movimiento
molecular. Como resultado, una predicción de la Teoría Kinética Molecular
es que si se disminuye la energía (medida como temperatura) de una
sustancia, llegaremos a un punto en que todo el movimiento molecular se
detiene. La temperatura en la cual el movimiento molecular se detiene se
llama cero absoluto y se calcula que es de -273.15 grados Celsius. Aunque
los científicos han enfríado sustancias hasta llegar cerca del cero absoluto,
nunca han podido llegar a esta temperatura. La dificultad en observar una
sustancia a una temperatura de cero absoluto es que para poder “ ver” la
sustancia se necesita luz y la luz transfiere energía a la sustancia, lo cual
eleva la temperatura. A pesar de estos desafíos, los científicos han
observado, recientemente, un quinto estado de la materia que sólo existe a
temperaturas muy cercanas al cero absoluto.
Los Condensados Bose-Einstein representan un quinto estado de la
materia visto por primera vez en 1955. El estado lleva el nombre
de Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, quien predijo su existencia hacia
1920. Los condensados B-E son superfluídos gaseosos enfríados a
temperaturas muy cercanas al cero absoluto. En este extraño estado, todos
los átomos de los condensados alcanzan el mismo estado mecánico-
quantum y pueden fluir sin tener ninguna fricción entre sí. Aún más extraño
es que los condensados B-E pueden “ atrapar” luz, para después soltarla
cuando el estado se rompe.
También han sido descritos o vistos varios otros estados de la materia
menos comunes. Algunos de estos estados incluyen cristales líquidos,
condensados fermiónicos, superfluídos, supersólidos y el correctamente
denominado "extraña materia". Para leer más sobre estas fases, visite la
página Phase (Fase) de la Wikipedia, cuyo enlace se encuentra en la
sección Para Seguir Explorando.

6. Transiciones de Fase
La transformación de un estado de la materia a otro se denomina transición
de fase. Las transiciones de fase más comunes tienen hasta nombre. Por
ejemplo, los términos derretir y congelar describen transiciones de fase
entre un estado sólido y líquido y los términos evaporación y condensación
describen transiciones entre el estado líquido y gaseoso. Las transiciones
de fase ocurren en momentos muy precisos, cuando la energía (medida en
temperatura) de una sustancia de un estado, excede la energía permitida en
ese estado. Por ejemplo, el agua líquida puede existir a diferentes niveles
de temperatura. El agua fría para beber puede estar alrededor de 4ºC. El
agua caliente para la ducha tiene más energía y, por lo tanto, puede estar
alrededor de 40ºC. Sin embargo, a 100ºC en condiciones normales, el agua
empezará una transición de fase y pasará a un estado gaseoso. Por
consiguiente, no importa cuán alta es la llama de la cocina, el agua
hirviendo en una cacerola se mantendrá a 100ºC hasta que toda el agua
haya experimentado la transición al estado gaseoso. El exceso de energía
introducido por la alta llama acelerará la transición de líquido al gas; pero no
cambiará la temperatura. La curva de calor siguiente ilustra los cambios
correspondientes en energía (mostrada en calorías) y la temperatura del
agua, a medida que experimenta la transición de fase del estado líquido al
estado gaseoso.

7. Como puede verse en el gráfico superior, el movimiento de izquierda a
derecha muestra que la temperatura del agua líquida aumenta a medida
que se introduce laenergía (calor). A 100ºC el agua empieza a experimentar
una transición de fase y la temperatura se mantiene constante, aún cuando
se añade energía (la parte plana del gráfico). La energía que se introduce
durante este periodo es la responsable de la separación de
la fuerzas intermoleculares para que las moléculas de agua individuales
puedan “ escapar” hacia el estado gaseoso. Finalmente, una vez que la
transición ha terminado, si se añade más energía al sistema, aumentará
el calor del agua gaseosa o vapor.
Este mismo proceso puede ser visto inversamente, si simplemente miramos
al gráfico superior yendo de la derecha hacia la izquierda. A medida que el
vapor se enfría, el movimiento de las moléculas del agua gaseosa y, por
consiguiente, de la temperatura, disminuirá. Cuando el gas alcanza 100ºC
se perderá más energía del sistema a medida que las fuerzas de atracción
entre las moléculas se reformen. Sin embargo, la temperatura se mantiene
constante durante la transición (la parte plana del gráfico). Finalmente,
cuando la condensación se acaba, la temperatura del líquido empezará a
disminuir a medida que la energía se retira.

8. Las transiciones de fase son una parte importante del mundo que nos
rodea. Por ejemplo, la energía que se pierde cuando la perspiración se
evapora de la superficie de nuestra piel, le permite a nuestro cuerpo regular
correctamente su temperatura durante los día cálidos. Las transiciones de
fase tienen un importante rol en la geología, influenciando la
formación mineral y, posiblemente, hasta los terremotos. Y quién puede
ignorar la transición de fase que ocurre a aproximadamente -3ºC, cuando la
crema, tal vez con algunas fresas o pedazos de chocolate, empieza a
formar un sólido helado.
Ahora entendemos lo que ocurre en una cacerola con agua hirviendo.
La energía(calor) introducida en el fondo de la cacerola causa una transición
de fase localizada del estado de agua líquida al estado gaseoso. Ya que los
gases son menos densos que los líquidos, esta transición de fase localizada
forma bolsas (o burbujas) de gas que se elevan a la superficie de la
cacerola y que se revientan. Pero la naturaleza es generalmente más
mágica que nuestra imaginación. A pesar de todo lo que sabemos sobre los
estados de la materia y sobre las transiciones de fase, todavía no podemos
predecir dónde las burbujas individuales se formarán en la cacerola de agua
hirviendo.