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Química - Campos y áreas de estudio | Consejos para ti.

La química es el estudio de la materia y de los cambios que experimentan. Es muy frecuente que a la química se le considere la ciencia central, ya que para los estudiantes de biología, física, geología, ecología y otras disciplinas, es esencial tener conocimientos básicos de química. En efecto,  la química es fundamental para nuestro estilo de vida; sin ella, tendríamos una vida más efímera en el sentido de vivir en condiciones primitivas: sin automóviles, electricidad, computadoras, y muchos otros satisfactores cotidianos.

Aunque la química es una ciencia ancestral, sus fundamentos modernos se institu- yeron en el siglo XIX, cuando los avances tecnológicos e intelectuales permitieron a los científicos separar sustancias en componentes aun más pequeños y, por consiguiente, explicar muchas de sus características físicas y químicas. El rápido desarrollo de una tecnología cada vez más sofisticada a lo largo del siglo XX, ha proporcionado incluso más medios para estudiar cosas que no pueden verse a simple vista. Mediante el uso de computadoras y microscopios electrónicos, los químicos pueden analizar, por ejemplo, la estructura de los átomos y las moléculas, unidades fundamentales en las que se basa el estudio de la química, así como diseñar nuevas sustancias con propiedades específicas, como fármacos y productos que hagan más agradable el ambiente del consumidor.

Fig 1. Letra china, para describir "Química"

A medida que avanza el siglo XXI, es conveniente preguntarse qué parte de ciencia fundamental tendrá la química en este siglo. Es casi seguro que conservará una función fundamental en todas las áreas de la ciencia y la tecnología. Antes de empezar con el estudio de la materia y su transformación, se considerarán algunas de las fronteras que los químicos están explorando actualmente (figura 2). Cualesquiera que sean las razones para tomar un curso introductorio de química, al adquirir un buen conocimiento en este tema se podrá apreciar mejor su impacto en la sociedad y en los individuos.

Fig 2. El a) Parte final de un equipo secuenciador de DNA. Cada carril muestra la secuencia (que indica con diferentes colores) que se obtiene de muestras separadas de DNA. b) Celdas fotovoltaicas. c) Una oblea de silicio en proceso de fabricación. d) la hoja de la izquierda proviene de una planta de acabo que no se sometió a modificación genética y se expuso a la acción de los gusanos del tabaco. La hoja de la derecha se modifico genéticamente y apenas la atacaron los gusanos. Se podría aplicar la misma técnica para proteger las hojas de otros tipos de plantas.

La Química en la Salud y medicina

Tres logros principales han permitido prevenir y tratar las enfermedades: las medidas de salud pública que establecen los sistemas de sanidad para proteger de enfermedades infecciosas a gran cantidad de gente; la cirugía con anestesia, que permite a los médicos curar casos potencialmente fatales, como una apendicitis, y la introducción de vacunas y antibióticos que hacen posible prevenir la diseminación de enfermedades microbianas. La terapia génica promete ser la cuarta revolución en la medicina. (Un gen es la unidad fundamental de la herencia.) Varios miles de situaciones conocidas, que incluyen la fibrosis quística y la hemofilia, son ocasionadas por un daño heredado a un solo gen. Muchos otros padecimientos, como cáncer, enfermedades cardiovasculares, SIDA y artritis, provocan que el daño se propague a uno o más genes implicados en las defensas del organismo. En la terapia génica, un gen sano seleccionado se introduce a la célula de un paciente para curar o aliviar estos trastornos. Para llevar a cabo este procedimiento, un médico debe tener un conocimiento sólido de las propiedades químicas de los componentes moleculares que están implicados. El conocimiento del genoma humano, que contiene todo el material genético de nuestro cuerpo y una función esencial en terapia génica, se apoya fuertemente en las técnicas químicas.  En la industria farmacéutica, los químicos investigan fármacos potentes con pocos o nulos efectos colaterales para tratar el cáncer, SIDA y muchas otras enfermedades, así como fármacos para aumentar el número de trasplantes exitosos de órganos. En una escala más amplia, los adelantos en el conocimiento de los mecanismos del envejecimiento llevarán a una vida más prolongada y saludable para la población mundial. 

La Química en energía y el ambiente

La energía es un producto secundario de muchos procesos químicos, y a medida que la demanda de energía va en aumento tanto en los países con tecnología avanzada, por ejemplo Estados Unidos de América, como en aquellos que están en desarrollo, como China, los químicos trabajan afanosamente para encontrar nuevas fuentes de energía. Actualmente las principales fuentes de energía más comunes son los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). A la velocidad actual de consumo, se estima que las reservas de estos combustibles alcanzarán para otros 50 o 100 años, de ahí la urgencia para encontrar fuentes alternativas de energía. La energía solar promete ser una fuente viable de energía para el futuro. Cada año la superficie de la Tierra recibe de la luz solar alrededor de 10 veces la energía contenida en todas las reservas conjuntas conocidas de carbón, aceite, gas natural y uranio. Sin embargo, mucha de esta energía es “desperdiciada” porque se vuelve a reflejar al espacio. Los enormes esfuerzos realizados en investigación durante los últimos 30 años, mostraron que la energía solar puede aprovecharse eficientemente de dos maneras. Una es la transformación directa de la luz solar en electricidad mediante el uso de dispositivos denominados celdas fotovoltaicas. La otra consiste en utilizar la luz solar para obtener hidrógeno a partir del agua. El hidrógeno generado alimenta posteriormente a una celda combustible para generar electricidad. Aunque han aumentado los conocimientos en los procesos científicos para convertir la energía solar a electricidad, la tecnología aún no se ha perfeccionado hasta el punto de que pueda producir electricidad a gran escala a un costo económicamente aceptable. Sin embargo, se proyecta que para el año 2050 la energía solar contribuirá con poco más del 50 % para satisfacer las necesidades energéticas del mundo. Otra fuente potencial de energía es la fisión nuclear, pero debido a la preocupación por los desechos radiactivos de los procesos de fisión para el ambiente, el futuro de la industria nuclear en Estados Unidos de América es incierto. Los químicos pueden ayudar a desarrollar mejores métodos para la eliminación de los desechos nucleares. La fusión nuclear, proceso que ocurre en el Sol y otras estrellas, genera enormes cantidades de energía sin producir demasiados desechos radiactivos peligrosos. Dentro de unos 50 años, la fusión nuclear probablemente será una fuente sustancial de energía.

La producción y utilización de energía están estrechamente relacionadas con la calidad del ambiente. La desventaja principal de los combustibles fósiles es que, al quemarse, desprenden dióxido de carbono, un gas de invernadero (es decir, que promueve el calentamiento de la atmósfera terrestre), además de dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, lo que ocasiona lluvia ácida y esmog. (El aprovechamiento de la energía solar no tiene tales efectos dañinos para el ambiente.) Los automóviles que consuman un combustible eficaz y que estén provistos de convertidores catalíticos más eficientes, ayudarán a reducir en forma drástica las perniciosas emisiones de los automóviles y a mejorar la calidad del aire en áreas con demasiado tráfico. Adicionalmente deberá predominar el uso de automóviles eléctricos equipados con baterías de larga duración, con lo cual también disminuirá la contaminación del aire.

Química en los Materiales y tecnología

En el siglo XX la investigación y el desarrollo de la química han dado nuevos materiales para mejorar notoriamente la calidad de vida, y contribuido con infinidad de métodos, al avance de la tecnología. Algunos ejemplos son los polímeros (incluidos el caucho y el nailon), la cerámica (como los utensilios de cocina), los cristales líquidos (como los de las pantallas electrónicas), los adhesivos (utilizados en el papel para notas), y los mate riales de recubrimiento (por ejemplo, pinturas vinílicas).

¿Qué otros avances tecnológicos se esperan para el futuro inmediato? Una posibili dad son los materiales superconductores a temperatura ambiente. La electricidad se transporta por cables de cobre que no son conductores perfectos y, por consiguiente, se pierde, en forma de calor, alrededor del 20 % de la energía eléctrica entre la planta de energía y el hogar, lo cual es un enorme desperdicio. Los superconductores son materiales que no tienen resistencia eléctrica y, por tanto, pueden conducir la electricidad sin pérdida de energía. Aunque se conoce desde hace 80 años el fenómeno de superconductividad a muy bajas temperaturas (más de 400 grados Fahrenheit por debajo del punto de congela ción del agua) no fue sino hasta mediados de la década de 1980 cuando se logró un avance importante al demostrar que es posible fabricar materiales que se comportan como superconductores a (o casi) la temperatura ambiente. En esta búsqueda, ha sido importante la contribución de los químicos en el diseño y la síntesis de nuevos materia les que prometen ser útiles. En los próximos 30 años se verán superconductores de alta temperatura aplicados a gran escala en imágenes de resonancia magnética (IRM), en trenes elevados y en fusión nuclear.

Si se tuviera que mencionar un avance tecnológico que haya moldeado la vida más que ningún otro, ése sería la computadora. La “máquina” que dirige la constante revolución de las computadoras, es el microprocesador, diminuto chip de silicio que ha inspira do incontables inventos, como las computadoras portátiles y los equipos de fax. La eficiencia de un microprocesador se juzga por la velocidad con la que hace operaciones matemáticas, como la adición. El ritmo del progreso es tal que, desde su introducción, los microprocesadores han duplicado su velocidad cada 18 meses. La calidad de cual quier microprocesador depende de la pureza del chip de silicio y de la habilidad para añadir la cantidad necesaria de otras sustancias, por lo cual los químicos desempeñan una función importante en la investigación y en el desarrollo de los chips de silicio. Para el futuro, los científicos han empezado a explorar la posibilidad de la " computación molecular”; es decir, reemplazar el silicio con moléculas. Las ventajas de esto son que a ciertas moléculas se les puede inducir para que respondan a la luz y no a los electrones, de tal manera que en vez de computadoras electrónicas se tendrían computadoras ópticas. Con la ingeniería genética apropiada, los científicos pueden sintetizar dichas moléculas utilizando microorganismos en lugar de grandes fábricas. Las computadoras ópticas también podrían tener una capacidad de memoria mucho mayor que las electrónicas.

Alimentos y agricultura

¿ Cómo se podría lograr alimentar a la población mundial que aumenta con rapidez? En los países pobres, la agricultura ocupa alrededor de 80 % de la fuerza laboral y la mitad del presupuesto de una familia promedio se gasta en comestibles. Ésta es una tremenda derrama de los recursos de una nación. Los factores que afectan la producción agrícola son la riqueza del suelo, los insectos y las enfermedades que dañan a los cultivos y la maleza que compite por los nutrientes. Además de la irrigación, los granjeros dependen de los fertilizantes y de los pesticidas para aumentar el rendimiento de los cultivos. Des de 1950, se ha utilizado la aplicación indiscriminada de potentes productos químicos para el tratamiento de los cultivos que son atacados por plagas. Con frecuencia, estas medidas han tenido graves efectos en el ambiente; aun el uso excesivo de fertilizantes es dañino para la tierra, el agua y el aire.

Para satisfacer las demandas de alimentación del siglo XXI, deben idearse nuevas estrategias para la agricultura. Ya se ha demostrado que, por medio de la biotecnología, es posible obtener cultivos más abundantes y de mejor calidad. Estas técnicas pueden aplicarse a diferentes productos agrícolas, no sólo para mejorar la producción, sino también para aumentar las cosechas anuales. Por ejemplo, se sabe que un tipo de bacteria produce una molécula proteica que es tóxica para las orugas. Al incorporar en los cultivos el gen que codifica esta toxina, las plantas pueden protegerse por sí mismas sin necesidad de utilizar pesticidas. Los científicos también han encontrado un modo de prevenir la reproducción de la plaga de insectos. Los insectos se comunican entre sí al producir y reaccionar ante moléculas especiales llamadas feromonas. Con la identificación y síntesis de las feromonas implicadas en el apareamiento de los insectos, es posible interferir con el ciclo reproductivo normal de las plagas comunes; por ejemplo, se puede inducir el apareamiento temprano de los insectos o engañar a las hembras para que se apareen con machos estériles. Además, los químicos tienen la posibilidad de idear los medios para aumentar la producción de fertilizantes que sean menos nocivos para el ambiente, así como producir sustancias que eliminen selectivamente a las hierbas nocivas.

El estudio de la química

En comparación con otros temas, es común creer que la química es más difícil, al menos en el nivel introductorio. Hay algo de justificación para esta creencia: por un lado, la química tiene un vocabulario muy especializado. Sin embargo, aunque tu fueras el primero en estudiar la química, en realidad está más familiarizado con el tema de lo que piensa. En todas las conversaciones se escuchan términos que tienen relación con la química, aunque no se utilicen en el sentido científico correcto. Algunos ejemplos son  "electrónica”, “salto cuántico”, “equilibrio”, “catalizador”, “reacción en cadena” y “masa crítica”. Además, cuando alguien cocina alimentos, ¡está haciendo química! Por la experiencia adquirida en la cocina, se sabe que el aceite y el agua no se mezclan y que el agua se evapora cuando se hierve en la estufa. Los principios de la química y de la física se aplican cuando se utiliza bicarbonato de sodio para fermentar el pan, se elige una olla de presión para reducir el tiempo de cocción de la sopa, se añade ablandador de carne a un asado, se exprime jugo de limón a las rebanadas de peras para evitar que se pongan cafés o limón al pescado para quitarle su olor, o cuando se añade vinagre al agua en los huevos escalfados. Todos los días observamos estos cambios sin pensar en su naturaleza química. El propósito de este texto es hacer que el lector piense como un químico, que busque en el mundo macroscópico, las cosas que podemos ver, tocar y medir directamente, y que visualice las partículas y acontecimientos del mundo microscópico que no se pueden experimentar sin la tecnología moderna y sin la imaginación. 

Al principio, a algunos estudiantes les parecerá confuso que su instructor de química y los libros de texto parecen ir y venir entre el mundo macroscópico y el microscópico. Sólo debe tenerse en cuenta que los datos de la mayoría de las investigaciones químicas, provienen de observaciones de fenómenos a gran escala; pero las explicaciones por lo general se encuentran en lo que no se ve, y en parte, en el mundo microscópico imaginado de los átomos y de las moléculas. En otras palabras, los químicos con frecuencia ven una cosa (en el mundo macroscópico) y piensan otra (en el mundo microscópico). Por ejemplo, al observar la carrocería oxidada del automóvil de la figura 1.2, un químico podría pensar en las propiedades fundamentales de los átomos individuales de hierro y cómo interactúan estas unidades con otros átomos y moléculas para producir el cambio observado.