Ondas sonoras

El sonido es producido por fuentes vibrantes colocadas en un medio que por lo general suele ser el aire, pero puede ser cualquier gas, líquido o sólido. Un objeto que vibra en el aire produce ondas de sonido a través del desplazamiento de las capas de sus partículas.

El sonido es una forma de energía que se transmite de un punto a otro como una onda.

¿Qué es una onda?

Una onda es una perturbación vibratoria en un medio que transporta energía de un punto a otro sin que haya un contacto directo entre los dos puntos.

Se puede decir que una onda es producida por las vibraciones de las partículas del medio a través del cual pasa.

Tipos de ondas

Hay dos tipos de ondas: longitudinales y transversales.

En las ondas longitudinales, las partículas del medio vibran hacia adelante y hacia atrás en la misma dirección en que se mueve la onda. El medio puede ser sólido, líquido o gaseoso.

Por su parte, en las ondas transversales las partículas del medio vibran hacia arriba y hacia abajo en ángulo recto hacia la dirección en que se mueve la onda. Estas ondas se producen sólo en sólidos y líquidos, pero no en los gases.

El sonido es una onda longitudinal que consiste en compresiones y rarefacciones que viajan a través de un medio.

Características de las ondas sonoras

Los sonidos de diferentes objetos se pueden distinguir en base a sus diferentes características:

Volumen o sonoridad

La sonoridad es la característica del sonido por la cual se pueden distinguir los sonidos fuertes y débiles. El volumen hace referencia a la magnitud del sonido que escuchamos, es la intensidad con que percibimos la onda sonora. Por ejemplo, cuando una persona habla con otra lo hace con menos intensidad que si lo hiciera en una reunión pública.

La sonoridad depende de una serie de factores:

Amplitud del cuerpo vibrante: la intensidad del sonido varía directamente con la amplitud del cuerpo vibrante. Por ejemplo, cuando al tocar un tambor con fuerza la amplitud de su membrana aumenta y se escucha un sonido fuerte.
Área del cuerpo vibrante: la intensidad del sonido también depende del área del cuerpo vibrante. Por ejemplo, el sonido producido por un tambor grande es más fuerte que el de uno pequeño debido a su gran área vibratoria. La sonoridad aumenta con el área del cuerpo vibrante y viceversa.
Distancia desde el cuerpo vibrante: la sonoridad también depende de la distancia del cuerpo vibrante al oyente. Es causada por la disminución de la amplitud debido al aumento de la distancia.

Tono

El tono es la característica del sonido por la cual podemos distinguir entre un sonido agudo o grave, y depende de la frecuencia. Un tono más alto significa una frecuencia más alta y viceversa.

Frecuencia

La frecuencia es el número de vibraciones de sonido que pasan en un segundo. Por ejemplo, la frecuencia de la voz de las mujeres y los niños es mayor que la de los hombres.

Calidad

Es la característica del sonido por la cual se puede distinguir entre dos sonidos de la misma intensidad y el tono. Por ejemplo, si una persona está fuera de una sala puede distinguir entre las notas de un piano y una flauta que se tocan dentro de la sala, esto se debe a la diferencia en la calidad de estas notas.

Intensidad

Es la energía del sonido que pasa por segundo a través de una unidad de área perpendicular a la dirección de propagación del sonido. Las ondas sonoras transfieren energía desde la fuente sonora al oyente. La intensidad del sonido depende de la amplitud de la onda.

¿Sabías qué...?

La sonoridad depende no sólo de la intensidad del sonido sino también de las condiciones físicas del oído ya que el oído humano es más sensible a algunas frecuencias que a otras.

Reflejo del sonido

Cuando una persona aplaude o grita cerca de una superficie reflectante, como un edificio alto o una montaña, vuelve a escuchar el mismo sonido un poco más tarde. Ese sonido que escucha se llama eco y es el resultado de la reflexión del sonido desde la superficie.

Energía del sonido

Es la energía producida cuando las ondas se mueven hacia afuera desde un objeto vibrante o fuente sonora. Cuando las moléculas de aire alrededor de las ondas comienzan a vibrar, las ondas de sonido son transportadas.

Diferencia entre eco y reverberación

Cuando el sonido incide en la superficie de un medio y rebota, se llama eco o reflejo del sonido. La reverberación es el reflejo múltiple de las ondas sonoras.

La sensación de sonido persiste en nuestro cerebro durante aproximadamente 0,1 s. Para escuchar un eco claro, el intervalo de tiempo entre nuestro sonido y el sonido reflejado debe ser de mayor a 0,1 s si este es menor a 0,1 s se produce reverberación.

Propagación del sonido

En el aire, el sonido se transmite por las variaciones de presión de su fuente al entorno. El nivel de sonido disminuye a medida que se aleja cada vez más de su fuente.

Si bien la absorción por el aire es uno de los factores que atribuyen al debilitamiento de un sonido durante la transmisión, la distancia juega un papel más importante en la reducción del ruido durante la transmisión. La reducción de un sonido se llama atenuación.

El efecto de la atenuación de la distancia depende del tipo de fuentes de sonido. La mayoría de los sonidos o ruidos que se encuentran en la vida cotidiana provienen de fuentes que se pueden caracterizar como fuentes puntuales o lineales.

Si una fuente sonora produce una propagación esférica del sonido en todas las direcciones, es una fuente puntual. Si la fuente sonora produce una propagación cilíndrica del sonido, se puede considerar como una fuente lineal.

Las fuentes sonoras puedes ser naturales o artificiales de acuerdo a su origen.

¿Qué son los cambios químicos?

Hablar de cambios químicos parece algo muy científico, a todos nos da la sensación que es difícil. Sin embargo, te lo vamos a explicar fácilmente, lo vas aprender para siempre y luego de leer esta nota ya sabrás detectarlos en la vida cotidiana.

Todo lo que nos rodea y ocupa un lugar en el espacio recibe el nombre de materia por definición física. Esa materia posee energía, es perceptible por nuestros sentidos y, por lo tanto, la podemos caracterizar.

La naturaleza está compuesta por materia, abarcando tanto a los seres vivos, como a los factores inorgánicos o abióticos. Si tomamos a la materia y la analizamos, podemos ver que está compuesta por sustancias (agua, tierra, etc.), estas sustancias a la vez están compuestas por elementos, y estos elementos en sus interacciones conforman los distintos tipos de moléculas que componen a todas las sustancias.

La sustancia imprescindible para la vida es el agua; sus moléculas están formadas por la interacción de los elementos Hidrógeno (H) y Oxígeno (O). Específicamente dos átomos de hidrógeno interactúan con un átomo de oxígeno para conformar una molécula de agua, H₂O.

Tenemos que saber que toda sustancia, según esté sometida a distintos parámetros físicos, puede presentarse en distintos estados, estos se denominan estados de agregación, se caracterizan como sólidos, líquidos y gaseosos. Así el agua, se presenta en estado sólido (cristales de hielo), líquido (el agua de lluvia, ríos, lagos…) y gaseoso (vapor de agua, nubes). La dinámica del agua queda representada en el conjunto de cambios físicos, que describe el ciclo del agua. (Ver infografía en las páginas 36 y 37).

Debemos aclarar que todas las sustancias además de adecuarse a las condiciones físicas a las que están sometidas, también están en constante contacto con otras sustancias, y de hecho pueden reaccionar entre ellas, conformando “nuevas sustancias”.
Así, se producen los cambios químicos, dando origen a nuevas sustancias o compuestos químicos. Los cambios químicos también se conocen como reacciones químicas, estas reacciones son más habituales en nuestra vida
diaria de lo que nosotros imaginamos.

Cuando se quema la madera, esta se transforma en ceniza y en humo, mientras el fuego que la quema nos calienta. Como vemos, la madera (sustancia inicial) se transforma en ceniza (sustancia final). Aquí tuvo lugar un cambio químico.

La digestión, la descomposición de los alimentos, la respiración, la fotosíntesis, entre otros, son procesos que suceden en los seres vivos a través de reacciones químicas.

Si dejamos un objeto de hierro a la intemperie, modifica su color, es decir, se oxida, transformándose en óxido de hierro.

Cuando cocinamos se generan cambios químicos, estamos mezclando diversas sustancias para conseguir otras.

Los cambios químicos son procesos en los que cambia la naturaleza de la sustancia formando otras nuevas. La sustancia es modificada irreversiblemente: un papel al ser quemado no puede volver a su estado original. Las cenizas que se obtienen fueron parte del papel original y han sido modificadas químicamente.

CARACTERÍSTICAS DE LOS CAMBIOS QUÍMICOS

Para determinar si en una sustancia se han generado cambios químicos, no solo deberíamos analizar su composición química con un microscopio, sino que también podríamos realizar ciertas observaciones que nos permitirían llegar a la conclusión de que se ha generado una reacción química. A continuación explicamos los indicios típicos que suelen generarse tras una reacción química:

• Cambio de coloración: esta modificación en las sustancias permite advertir la aparición de una o de varias sustancias nuevas distintas a las iniciales.

• Aparición de sedimento o precipitado: el sedimento es la materia que después de haber estado en suspensión en un líquido, termina en el fondo por su mayor densidad. Un tipo común de sedimentación ocurre cuando el material sólido, transportado por una corriente de agua, se deposita en el fondo de un río, canal, embalse, etc. Entonces cuando observamos sedimento sobre una sustancia, podemos concluir que una o algunas de las sustancias nuevas formadas son insolubles, es decir, no se diluyen.

• Desprendimiento de gas: esto sucede en algunos casos cuando dos o más sustancias entran en contacto. Debido a que se genera una reacción química aparece una nueva sustancia que se presenta en estado gaseoso a temperatura ambiente.

• Absorción o liberación de calor: los cambios espontáneos de temperatura de la mezcla revelan que se está produciendo una reacción.

• Cambios en otras propiedades: se puede decir que también existe cambio químico cuando se observan modificaciones en la acidez, el olor, las propiedades magnéticas o eléctricas, etc.

LOS CAMBIOS QUÍMICOS EN ECUACIONES

La representación esquemática de las reacciones se denominan ecuaciones; así toda reacción química queda establecida a través de sus sustancias reactivos (R), estos interaccionan entre sí por medio de los átomos que los componen (en toda reacción hay una transferencia de energía), dando lugar a las sustancias productos (P).
Ejemplo:

REACTIVO + REACTIVO ⇒ PRODUCTO
Hierro + Oxígeno ⇒ Óxido de hierro

Las reacciones químicas son estudiadas por los científicos para determinar ciertas combinaciones que permiten la creación de productos. Existen muchas industrias, en las que se realizan reacciones químicas: las materias primas se transforman en otras sustancias diferentes y útiles para el hombre, como por ejemplo, detergentes, plásticos, etc.

LA INDUSTRIA PETROQUÍMICA

Una de las industrias que mayor impulso dio y da a la sociedad es la industria de la petroquímica, que se ocupa de obtener derivados químicos del petróleo y de los gases asociados.

El petróleo es un líquido viscoso cuyo color va de amarillo ámbar al negro. Se lo encuentra siempre en yacimientos de rocas sedimentarias acompañados de una mezcla de gases naturales como metano y etano. El origen del petróleo se remonta a unos cuantos millones de años atrás, donde restos de organismos, específicamente de plantas, fueron descompuestos y depositados en el fondo del mar. Allí en función de transformaciones químicas (reacciones químicas), llevadas a cabo por microorganismos durante millones de años, se formó el llamado “oro negro” (petróleo). La gasolina, el gasoil, el querosén, el propano, el metano y el butano son algunos de los combustibles fósiles que permiten el desarrollo de productos de la petroquímica.

Esta industria también posibilita la producción de fertilizantes, pesticidas y herbicidas, la obtención de asfalto y fibras sintéticas, y la fabricación de distintos plásticos. Los guantes, los borradores y las pinturas, entre muchos otros artículos de uso cotidiano, forman parte de la producción petroquímica. La combinación entre los petroquímicos básicos y distintos insumos químicos permite obtener petroquímicos intermedios como las resinas en base al metanol (utilizadas para la fabricación de gomas, plásticos, detergentes y lubricantes), los poliuretanos (empleados en la fabricación de chones y plásticos) y los acetaldehidos (que derivan en perfumes, saborizantes y otros).

La industria petroquímica exige importantes medidas de seguridad para evitar daños ambientales ya que sus procesos son potencialmente contaminantes y de alto impacto medioambiental.

Hoy en día para su extracción se invierten millones de pesos; se le llama “oro negro” por el valor que tiene en el mercado, es muy preciado y es esencial para el desarrollo de diversas actividades. Lamentablemente el petróleo, al igual que el agua, es un recurso no renovable, es decir, se formó con la propia dinámica de la tierra y podría terminarse.

Los procesos para la obtención de los productos petroquímicos se llevan a cabo en refinerías e implican cambios físicos y químicos de los hidrocarburos. El proceso básico, que divide al petróleo y al gas natural en diversos compuestos más ligeros, se conoce como cracking (se desdoblan las moléculas).

Conceptos de la dinámica del punto material: energía

La energía se define como la capacidad para realizar trabajo. La gasolina, por ejemplo, puede quemarse en un motor para realizar el trabajo de impulsar un pistón: la gasolina almacena energía química. En el lenguaje corriente se habla de energía eólica, nuclear, geotérmica, mareomotriz, etc., y aunque atendiendo a su origen estas distinciones son adecuadas, desde un punto de vista estrictamente físico esas energías no siempre constituyen formas particulares. Así, la energía eólica es energía cinética y la energía mareomotriz es energía potencial.

Tipos de energía mecánica

En mecánica, sólo existen dos formas de energía: la cinética y la potencial. La primera es una energía actual asociada con el movimiento, y la segunda es una energía en potencia asociada con la posición o con la forma. Un cuerpo en movimiento posee una energía cinética que depende de su masa y su velocidad. Si, por ejemplo, usamos un martillo para clavar un clavo, lo que hacemos es comunicar una energía cinética al martillo, con lo cual, cuando éste golpea el clavo, puede realizar el trabajo de hundirlo en la madera. Ese trabajo es igual al producto de la fuerza que opone la madera a ser penetrada por el hundimiento del clavo que se ha logrado.

Cuando definimos la energía como capacidad para realizar trabajo, usamos el término trabajo en sentido físico: si hubiéramos fallado y en lugar de golpear la cabeza del clavo golpeábamos la madera (o, peor aún, nos hubiésemos golpeado un dedo), no habríamos realizado ningún trabajo útil para nosotros, pero la energía cinética del martillo hubiera sido la misma.

La energía potencial es la que adquiere un cuerpo cuando lo llevamos a una determinada posición en contra de una fuerza. Normalmente, cuando se habla de energía potencial esa fuerza es la atracción gravitatoria. Para elevar un cuerpo tenemos que realizar un trabajo; ese trabajo se almacena en el cuerpo en forma de energía potencial. Si después de elevarlo lo dejamos caer, el cuerpo adquirirá energía cinética y llegará al suelo con capacidad para realizar un trabajo.

Existen otras fuerzas que permiten almacenar energía potencial; así, si estiramos un muelle realizamos un trabajo contra la fuerza que opone el muelle a dejarse estirar: “cargamos” el muelle de energía elástica, que es una forma de energía potencial. Pero cuando hablamos de energía potencial nos referiremos a la que tiene un cuerpo por hallarse a cierta altura sobre el suelo.

De acuerdo con la definición, la energía tiene las mismas dimensiones que el trabajo y se medirá en las mismas unidades que éste.

Energía cinética

Para deducir la expresión de la energía cinética, suponemos que a un cuerpo de masa m que está en reposo le aplicamos una fuerza F hasta que adquiera una velocidad v: la energía cinética del cuerpo será el trabajo realizado por la fuerza F.

Se tratará de un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, por lo tanto:

Podemos expresar e en función de v y de a:

Si en la ecuación del trabajo sustituimos e por esta expresión:

y como por la ecuación fundamental de la dinámica es F = m·a, tendremos que:

Podemos llegar a esta misma expresión planteando el problema al revés, esto es, suponiendo que tenemos un cuerpo de masa m que se está moviendo a una velocidad v y tiene una energía cinética E _c, igualamos E _c al trabajo que tiene que hacer una fuerza F para frenar al cuerpo hasta que se pare. En este caso el movimiento es uniformemente retardado:

A partir de estas dos igualdades podemos expresar e en función de v y de a:

Si en la ecuación del trabajo sustituimos e por esta expresión:

y, por ser F = m·a, será:

Energía potencial

La energía potencial es el trabajo realizado por una fuerza mediante la cual elevamos un cuerpo de masa m desde el suelo a una altura h mediante una fuerza F.

Elevamos el cuerpo con movimiento uniforme, por lo que ejercemos una fuerza de la misma intensidad al peso del cuerpo:

F = m·g

El trabajo realizado será:

E_p = W = F·h = m·g·h

Supongamos que tenemos un cuerpo de masa m situado a una altura del suelo h y lo soltamos: el cuerpo caerá bajo la acción de su peso y, evaluando el trabajo de la fuerza peso hasta el momento en que el cuerpo llega al suelo, hallamos la misma expresión, E _p = W = m·g·h.

Hemos hablado del “suelo” pero sin especificar si se trataba del suelo de la habitación o de otro nivel: es indiferente, la expresión hallada es en cualquier caso válida. Para elevar un cuerpo desde el suelo hasta una altura h podemos elevarlo primero hasta una altura h ₁ y después desde ahí a una altura h ₂, siendo h ₁ + h ₂= h. La energía potencial que adquiere el cuerpo es la misma que si lo elevamos directamente desde el suelo hasta la altura h, ya que:

E_p = m·g·h = m·g·(h₁ + h₂) = m·g·h₁ + m·g·h₂

Ejemplo

Cuando se mueve un cuerpo paralelamente al suelo no se realiza trabajo contra la fuerza gravitatoria ya que, como dijimos, el trabajo es nulo si la fuerza es normal al desplazamiento. Por esta razón, la energía potencial que adquiere un cuerpo cuando lo elevamos a una altura h no depende de la trayectoria que sigamos, ya que es posible considerar ésta dividida en la suma de un número muy grande de elementos muy pequeños tangentes a la misma y cada uno de estos elementos se puede descomponer en la suma de un elemento vertical y uno horizontal, siendo nulo el trabajo en los desplazamientos horizontales.

Conservación de la energía mecánica

Este principio constituye una aplicación restringida a la energía mecánica del primer principio de la termodinámica. Entendiendo por energía mecánica de un punto material la suma de sus energías cinética y potencial, este principio dice que la energía mecánica de un punto material permanece constante cuando sobre él actúan únicamente fuerzas conservativas:

E_c + E_p = cte

El principio puede tomarse como demostrado por la experiencia, aunque es fácil ver que es matemáticamente cierto.

En el estudio de la cinemática llegamos a la expresión:

Para la velocidad con que llega al suelo un cuerpo que cae desde una altura h, podemos llegar a esta fórmula a partir del principio de la conservación de la energía.

En efecto, igualando la energía potencial que el cuerpo ha perdido al caer con la energía cinética que ha ganado:

de donde, al simplificar y despejar:

Si sobre el punto material actúa una fuerza que hace variar la energía mecánica del móvil al realizar un trabajo W, será:

W = (E_c + E_p) = E_c + E_p

Esta expresión, muy útil en la resolución de problemas, nos dice que el trabajo realizado por un punto material (o por un sistema de puntos materiales), o bien el trabajo realizado sobre el punto material, se traduce en una variación de su energía cinética y/o su energía potencial.

Ejemplo:

Un automóvil viaja a 30 km/h subiendo por una pendiente recta de 30°. El conductor acelera y en 5 segundos dobla su velocidad. Calcular el trabajo realizado si la masa total del vehículo es de 900 kg.

Solución:

Aplicaremos la fórmula:

W = E_c + E_p

La variación de E _c habrá sido:

Sustituyendo valores, con la velocidad expresada en m/s, será:

Para calcular la altura h que ha subido el coche en 5 s, calcularemos primero el espacio que ha recorrido. El movimiento del coche es uniformemente acelerado, por tanto:

siendo, a·t = v – v₀.

Sustituyendo valores en esas fórmulas, tendremos:

Por trigonometría, la altura será:

h = e·sen 30

Sustituyendo valores:

h = 254,16·0,5 = 127,08 m

El incremento de E _p será:

E_p = m^.g^. h

E_p = 900^.9,8^.127,08 = 1120845,6J

Por tanto, el trabajo realizado en esos 5 s por el motor del automóvil será la suma de los incrementos de la energía cinética y de la energía potencial del vehículo (más la energía disipada en forma de calor a causa de los rozamientos, que aquí no se tiene en cuenta):

W = 93750 + 1120845,6 = 1214595,6 julios

Noria

Este antiguo ingenio debe su nombre a los árabes, quienes la inventaron, y significa rueda hidráulica. La noria es una máquina que cuenta con dos grandes ruedas giratorias, una horizontal movida por una palanca que es tirada habitualmente por una caballería, y otra vertical, cuyos engranajes se unen a los de la primera para así ser puesta en movimiento y para posibilitar que los arcaduces destinados a recoger agua cumplan esta función.

Relación de la biología con otras ciencias

La biología es el estudio de la vida, que incluye el origen, la evolución, la función, la estructura y la distribución de los organismos vivos. Esta ciencia se ocupa también de la clasificación de los organismos y de la interacción de estos dentro de un entorno.

No se puede negar la interrelación que existe entre las diferentes ramas de la ciencia. Cada una de ellas se relaciona con otras y en particular la biología, ya que esta necesita como base la inclusión de otras ciencias para el estudio de los organismos. Esto constituye la base de las ciencias interdisciplinarias.

La biología está ligada a otras ciencias de la siguiente manera:

Física

La física proporciona la base para la biología. Sin espacio, materia, energía y tiempo, que son los componentes que conforman el universo, los organismos vivientes no existirían.

En algunos casos, la biología ayuda a probar las leyes y las teorías físicas. El físico Richard Feynman afirma que la biología ayudó a los científicos a elaborar la ley de conservación de la energía.

La interacción entre estas dos ciencias dio origen a la biofísica, que se ocupa del estudio de los principios de la física, aplicables a los fenómenos biológicos. Por ejemplo, hay una similitud entre los principios de trabajo de la palanca en la física y las extremidades de los animales en la biología.

Química

La química y la biología no solo están relacionadas, sino que están completamente entrelazadas, ya que todos los procesos biológicos derivan de procesos químicos. Así que la capacidad de crecimiento, reproducción, actividad funcional y cambio continuo en los seres vivos no puede ocurrir sin reacciones químicas.

Incluso los procesos aparentemente físicos, tales como el movimiento muscular, requieren de la liberación de energía química, que siguen procesos ordenados por el código de ADN de un organismo.

El ADN es en sí mismo una cadena codificada de sustancias químicas que implementa sus instrucciones mediante procesos químicos.

Es allí, por tanto, que entra la bioquímica una rama específica del estudio biológico que se centra en los soportes químicos de la vida misma. Trata del estudio de la química de los diferentes compuestos y procesos que se producen en los organismos vivos.

El estudio de los metabolismos básicos de la fotosíntesis y la respiración se basan en reacciones químicas.

Estrecha relación con la Física y la Química

Inicialmente, la biología era una ciencia descriptiva que buscaba estudiar la morfología de los seres vivos y su organización sistemática en grupos y subgrupos basados en similitudes y diferencias.

El conocimiento actual en el campo de la biología se ha logrado con la ayuda de ciencias como la física y la química. Este enfoque multidisciplinario es esencial por diversos motivos:

Todos los organismos vivos están formados por compuestos orgánicos e inorgánicos disueltos en agua.
Los compuestos inorgánicos se presentan en forma de iones. Estos influyen en el ambiente interno de los seres vivos y, en consecuencia, en los procesos de la vida.
El equilibrio ácido-base mantiene el pH específico dentro de los organismos para proporcionar el entorno más adecuado en la realización de diversas reacciones bioquímicas.
La tensión superficial y la capilaridad producida por la fuerza cohesiva y adhesiva de los líquidos también ayudan en ciertos procesos de vida.
La difusión y la ósmosis son responsables del movimiento de iones y moléculas dentro y fuera de las células.
La transferencia de energía y la transformación de energía son dos acontecimientos importantes en todas las células vivas.

Matemática

A diferencia de la física y la química, la biología no suele ser una ciencia asociada a las matemáticas. Pero debido a que hay aspectos cuantificables de las ciencias de la vida, las matemáticas juegan un papel importante en la comprensión del mundo natural.

Ejemplo cuantificable

Un biólogo que estudia migraciones de mariposas entra en el campo y cuenta una población de la muestra en una región confinada y después multiplica los números de la muestra por el rango geográfico total para conseguir una estimación de la población.

A continuación, vuelve a su laboratorio y revisa los informes de otros investigadores que describen el lapso del patrón de migración y el uso de cálculos vectoriales para predecir su futuro recorrido. Finalmente, examina los datos de años anteriores sobre el número de mariposas y la ubicación para establecer un margen de error probable para su predicción.

En cada paso de este proceso, intervienen las matemáticas para medir, predecir y comprender los fenómenos naturales.

Un subcampo de la ciencia biológica es el campo de la bioestadística, en el cual se usan análisis estadísticos para describir y explicar las ciencias de la vida, con el propósito de encontrar correlaciones o relaciones interdependientes entre variables y comparar variables entre sí.

Geografía

La geografía y la biología se relacionan en el estudio de la ocurrencia y distribución de diferentes especies de organismos en las distintas regiones geográficas del mundo, esto es lo que se conoce como biogeografía.

Antropología

La antropología biológica es el estudio de la evolución de la especie humana y se ocupa especialmente de comprender las causas de la diversidad humana actual. Dentro de esta definición abarca campos tan heterogéneos como la paleontología humana, la biología evolutiva, la genética humana, la anatomía comparada y la fisiología, el comportamiento de los primates, la ecología del comportamiento humano y la biología humana.

Agronomía

La relación se da por medio de la agricultura biológica, la cual entiende la necesidad de equilibrio entre los tres aspectos del suelo, físico, químico y biológico para sostener la vida.

Todo proviene del suelo y vuelve al suelo, es un sistema no vivo con billones de organismos que reciclan nutrientes y sostienen la vida.

La forma en que se maneja el suelo y la vida microbiana determina la vitalidad de los alimentos de origen vegetal que consumimos.

La pareja dispareja

Hay casos en que la física no puede explicar los sucesos biológicos y viceversa. La física y la biología no pueden explicar el origen de la vida o cómo los objetos inorgánicos pasaron a la vida orgánica. La Universidad de Cornell de Nueva York afirma que la teoría biológica de la evolución contradice la segunda ley de la termodinámica, puesto que la naturaleza no puede crear el orden a partir del desorden y la evolución es un proceso que crea niveles crecientes de orden.

Tipos de sistemas

La termodinámica se refiere al estudio de la transferencia de energía. Dentro de esta rama, la materia es un elemento fundamental ya que es la que conforma, junto con el entorno, sistemas claves que permiten el entendimiento de muchos procesos que se dan en nuestro planeta.

¿Qué es un sistema?

Un sistema se define como un grupo de unidades interactivas o elementos que tienen un propósito común. Estas unidades o elementos pueden ser engranajes, cables, personas, animales y computadoras, entre otros. Los sistemas generalmente se clasifican como sistemas abiertos y sistemas cerrados, y pueden tomar la forma de sistemas mecánicos, biológicos o sociales.

Sistemas y subsistemas

Algunos grandes sistemas son divididos (para poder ser estudiados por el hombre) en subsistemas, como por ejemplo la Tierra, un gran sistema abierto que cuenta con 4 subsistemas que corresponden con sus capas: atmósfera, biosfera, hidrósfera y geósfera.

Como todo en el mundo físico, la energía está sujeta a las leyes de la física. Las leyes de la termodinámica rigen la transferencia de energía en y entre todos los sistemas.

Un sistema puede ser conceptual o real, por ejemplo, un sistema conceptual incluye definiciones, símbolos e instrumentos del pensamiento, como por ejemplo, sistemas matemáticos o sistemas lógicos. En cambio, los sistemas reales incluyen la transferencia de materia, energía o información con su entorno; las células y la biósfera son ejemplos perfectos de sistemas reales, ya que ellos están en constante intercambio de energía y materia con el entorno (abierto), por supuesto, existen sistemas reales en los que solo se intercambia energía (cerrados) o sistemas en los que no existe ningún tipo de intercambio (aislados).

En el campo de la informática es concepto de sistemas es muy aplicado. Un sistema informático incluye el hardware, el software y el soporte humano.

¿Qué es la teoría de los sistemas?

La teoría de sistemas es una teoría interdisciplinaria sobre la naturaleza de los sistemas complejos en la naturaleza, la sociedad y la ciencia, y es un marco por el cual uno puede investigar y/o describir cualquier grupo de objetos que trabajen juntos para producir algún resultado. Esto podría ser un solo organismo, cualquier organización o sociedad, o cualquier artefacto electromecánico o informativo. Fue propuesta por el biólogo austriaco Ludwig von Bertalanffy en 1950 y su objetivo final era estudiar la aplicabilidad de los sistemas en las distintas ramas de estudio.

¿Cuáles son los tipos de sistemas?

Un sistema abierto es aquel en el que una cantidad o serie de cantidades puede entrar o salir del sistema en un grado significativo. En los sistemas abiertos intervienen seres vivos que tienen una relación íntima con el ambiente que los rodea de la misma manera, el ambiente interacciona con dichos seres vivos. ambos se benefician y dependen el uno del otro.

Los organismos biológicos son sistemas abiertos, la energía se intercambia entre ellos y su entorno, ya que consumen moléculas que almacenan energía y liberan energía al medio ambiente al hacer el trabajo. El cuerpo humano es un ejemplo muy común de sistema abierto, ya que está en constante intercambio de materia y energía y siempre necesita insumos orgánicos que obtiene del ambiente. Por otro lado, el cuerpo también expulsa sustancias de desecho de vuelta al medio ambiente. Si alguna de estas dos interacciones falla, el sistema, es decir, el cuerpo, fallece.

Las plantas también son sistemas abiertos, ellas necesitan la materia (agua y nutrientes) y la energía del Sol para realizar sus funciones metabólicas.

¿Qué son los sistemas cerrados?

Un sistema cerrado es aquel donde una cantidad o serie de cantidades de materia no puede entrar o salir del sistema. Por ejemplo, un termo de vacío hace un buen trabajo para evitar que la materia salga del sistema y mantiene la bebida caliente, por lo tanto, podría tener sentido tratarlo como un sistema cerrado, pero ningún sistema en el mundo real está perfectamente cerrado, por lo que solo será una aproximación.

Las ollas de presión son otro ejemplo común, en ellas existe un intercambio de energía, pero la materia no es liberada, las ollas impiden que los gases que se generan en su interior para cocinar la comida escapen. Sin embargo, la energía en forma de calor sí escapa y la energía necesaria para iniciar la cocción también proviene del medio exterior.

Las ollas a pesar de dejar escapar la energía no dejan escapar la materia.

¿Qué son los sistemas aislados?

Son aquellos en los que no existe ningún cambio, ni de materia, ni de energía, esto no ocurre tan estrictamente, y en muchos de los sistemas considerados aislados hay pequeños intercambios con el entorno a lo largo del tiempo. Los ejemplos clásicos de sistemas aislados son los termos o los conservadores de hielo.

Los sistemas nunca permanecen completamente aislados ya que con el tiempo alguna perturbación puede provocar alguna liberación de materia o energía.

¿Sabías qué...?

La Tierra es considerada un sistema material ya que está en constante intercambio con el espacio, recibe micrometeoritos y otros tipos de materia e intercambia moléculas al exterior.

Ciclo de Krebs: respiración celular

Después de la glucólisis, sigue otro mecanismo de la respiración celular que consta de múltiples etapas: el ciclo de Krebs, también conocido como el ciclo del ácido cítrico o el ciclo de ácido tricarboxílico.

¿Qué es el ciclo de Krebs?

Ciclo de ácido tricarboxílico, también conocido como ciclo de Krebs o ciclo de ácido cítrico, es la segunda etapa del proceso de respiración celular, mecanismo mediante el cual las células vivas descomponen moléculas de combustible orgánico en presencia de oxígeno para recoger la energía que necesitan para crecer y dividirse.

Se lleva a cabo en las mitocondrias, específicamente en la matriz, a excepción de las bacterias.

El ciclo de Krebs desempeña un papel central en la descomposición o catabolismo de moléculas de combustible orgánico, es decir, la glucosa, los ácidos grasos y algunos aminoácidos. Antes de que estas moléculas puedan entrar en el ciclo, deben ser degradadas en un compuesto de dos carbonos llamado acetil coenzima A (acetil CoA).

El ciclo de Krebs se produce en la mayoría de los organismos, tanto animales como vegetales.

¿Qué es el acetil CoA?

Es una molécula sintetizada a partir del piruvato e imprescindible para la síntesis de sustancias como ácidos grasos, colesterol y acetilcolina. Está formado por un grupo acetil unido a la coenzima A, el cual finalmente es degradado en CO₂H₂O a través del ciclo de Krebs, la síntesis de ácidos grados o la fosforilación oxidativa.

El acetil CoA, es una molécula sumamente energética.

Etapas del ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs consiste en ocho etapas catalizadas por ocho enzimas diferentes. Se inicia cuando el acetil CoA reacciona con un compuesto denominado oxaloacetato para formar citrato y liberar coenzima A (CoA-SH).

¿Sabías qué...?

El ciclo de Krebs en total forma 1 molécula de GTP, NADH y FADH2, las cuales en su paso por la cadena transportadora de electrones, realizada en la mitocondria, serán transformadas por ATP sumamente energética.

Luego, el citrato se reordena para formar isocitrato; el cual posteriormente pierde una molécula de dióxido de carbono y sufre oxidación para formar alfa-cetoglutarato; seguidamente este pierde una molécula de dióxido de carbono y se oxida para formar succinil CoA; el succinil-CoA se convierte en succinato y se oxida a fumarato, el cual se hidrata para producir malato, finalmente el malato se oxida a oxaloacetato.

Reacción 1: citrato sintasa

La primera reacción del ciclo de Krebs es catalizada por la enzima citrato sintasa, durante esta etapa, el oxaloacetato, un intermediario metabólico, se une con el acetil-CoA para formar ácido cítrico. Una vez unidas las dos moléculas, una de agua ataca al acetilo para provocar la liberación de la coenzima A.

Reacción 2: acontinasa

La siguiente reacción del ciclo del ácido cítrico es catalizada por la enzima acontinasa. En esta reacción, una molécula de agua se retira del ácido cítrico y se coloca en otra ubicación. El efecto de esta conversión es que el grupo -OH se mueve de la posición 3′ a la posición 4′ sobre la molécula, esto trae como consecuencia la transformación de citrato a isocitrato.

Reacción 3: Isocitrato deshidrogenasa

En esta etapa ocurren dos eventos dependientes de la enzima isocitrato deshidrogenasa, localizada en la mitocondria. En la primera fase dicha enzima cataliza la oxidación del isocitrato, el cual se transforma en oxalsuccinato (un intermediario), lo que libera una molécula de NADH formada a partir de NAD.

Seguidamente, se produce la descarboxilación (liberación del CO₂) del oxalsuccinato, lo que conlleva a la formación de alfa-cetoglutarato, una molécula compuesta por dos grupos carboxilos en los extremos y una cetona en posición alfa a uno de los carboxilos.

Reacción 4: alfa-cetoglutarato deshidrogenasa

Durante esta reacción se produce otra descarboxilación, el alfa-cetoglutarato es quien pierde la molécula de dióxido de carbono y en su lugar se añade la coenzima A. Esta descarboxilación se produce con la ayuda de NAD, quien es transformado durante el proceso en NADH.

La enzima catalizadora de esta reacción es la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa u oxoglutarato deshidrogenasa, como resultado de esta etapa se forma la molécula succinil CoA.

Reacción 5: succinil CoA sintetasa

La enzima succinil-CoA sintetasa es la protagonista de esta reacción y se encarga de catalizar la síntesis de trifosfato de guanosina o GTP. El GTP es una molécula muy similar en estructura y propiedades energéticas al ATP, por lo que puede ser utilizado por las células de la misma manera.

El GTP es formado por la adición de un grupo fosfato libre a una molécula de GDP. En esta reacción, el grupo fosfato libre ataca primero a la molécula de succinil-CoA lo que provoca la liberación de la coenzima A. Después de que el fosfato se une a la molécula, se transfiere al GDP para formar GTP, el producto final es una molécula denominada succinato.

Reacción 6: succinato deshidrogenasa

La enzima succinato deshidrogenasa cataliza la eliminación de dos hidrógenos del succinato en la sexta reacción del ciclo del ácido cítrico. En esta etapa, una molécula de FAD, se reduce a FADH₂ debido a que recibe los hidrógenos provenientes del succinato, de esta reacción se genera el fumarato.

Reacción 7: fumarasa

Esta reacción se produce gracias a la catálisis de la enzima fumarasa, la cual genera la adición de una molécula de agua en forma de OH al fumarato para dar lugar a la molécula L-malato.

Reacción 8: malato deshidrogenasa

Es la reacción final del ciclo, en ella es regenerado el oxaloacetato mediante la oxidación del L-malato, se utiliza otra molécula de NAD como aceptor de hidrógeno y se forma un NADH.

Energía en los alimentos

La mayor parte de nuestra energía la obtenemos de nuestros alimentos, los cuales por varias reacciones metabólicas nos permiten obtener moléculas energéticas como el ATP, FADH2 y el NADH, por ejemplo, el ciclo de Krebs logra aprovechar el 62 % de la energía contenida en la glucosa.

Teoría Cinético Molecular

Todas las partículas tienen energía que varía de acuerdo a la temperatura de la muestra, lo que determina si la sustancia es un sólido, un líquido o un gas. Las partículas sólidas tienen la menor cantidad de energía, mientras que las partículas de gas poseen la mayor cantidad.

¿En qué consiste esta teoría?

La teoría cinética de la materia afirma que ésta se compone de un gran número de pequeñas partículas o moléculas individuales que están en constante movimiento. Ayuda a explicar el flujo o transferencia de calor y la relación entre la presión, la temperatura y las propiedades del volumen.

¿Sabías qué...?

La teoría cinética de la materia también es ilustrada por el proceso de difusión, donde se da el movimiento de partículas desde una alta concentración a una baja concentración.

Es un modelo utilizado para explicar el comportamiento de la materia y se basa en una serie de postulados:

La materia está hecha de partículas en constantemente movimiento.
La energía en movimiento se llama energía cinética y la cantidad en una sustancia está relacionada con su temperatura.

La materia puede existir en las fases sólida, líquida y gaseosa.

Hay espacio entre las partículas. El tamaño de este espacio está relacionado con el estado de la sustancia.
Los cambios de fase ocurren cuando la temperatura de la sustancia cambia lo suficiente.
Hay fuerzas de atracción entre las partículas llamadas fuerzas intermoleculares que aumentan a medida que dichas partículas se acercan.

Si hay un aumento de temperatura, los átomos y moléculas ganarán más energía y se moverán aún más rápido.

Propiedades de los líquidos

Una de las propiedades más notables de los líquidos es que son fluidos, es decir, pueden fluir. Los líquidos tienen un volumen definido, pero no una forma definida. El movimiento de las partículas está restringido en gran medida por el volumen del líquido.

Hay menos espacio entre las partículas que en los gases, pero hay más que en los sólidos. Las partículas líquidas también tienen relativamente más energía que las partículas sólidas, es lo que permite que los líquidos fluyan.

Las fuerzas intermoleculares en un líquido dependen de la composición química del propio líquido.

La fuerza intermolecular se ve afectada por la cantidad de energía cinética en la sustancia; cuanta más energía cinética exista, más débil es la fuerza entre las moléculas. Los líquidos tienen más de esta energía que los sólidos, por lo que las fuerzas entre sus partículas tienden a ser más débiles.

Propiedades de los sólidos

Las sustancias sólidas tienen formas y volúmenes definidos. Las partículas sólidas tienen relativamente poca energía cinética y vibran en su lugar. Debido a esto, no pueden fluir como los líquidos. En los sólidos, el movimiento de partículas está completamente restringido dentro de un área pequeña, lo que ayuda al sólido a mantener su forma.

La energía cinética está determinada básicamente por la velocidad de cada partícula participante.

La mayoría de los sólidos están dispuestos en una estructura apretada, de manera ordenada y repetitiva de partículas llamada red cristalina. La forma del cristal muestra la disposición de éstas en el sólido.

Algunos sólidos no tienen forma cristalina y son llamados sólidos amorfos porque no tienen estructuras internas ordenadas. Ejemplos de sólidos amorfos son el caucho, el plástico, la cera y el vidrio.

Los sólidos se pueden moldear en cualquier forma.

Propiedades de los gases

La teoría cinética explica la temperatura, la presión y el volumen de un gas en términos del movimiento de moléculas.

Según esta teoría, los gases están formados por partículas diminutas que se encuentran en movimiento aleatorio y además experimentan colisiones entre sí y con las paredes del contenedor, pero de lo contrario no interactúan.

En un medio gaseoso el espacio entre las partículas es muy grande, esto da como resultado la ausencia de fuerzas atractivas o repulsivas entre las moléculas.

En la teoría cinética se hacen las siguientes suposiciones acerca de los gases ideales:

El gas contiene un gran número de moléculas idénticas.
Las colisiones entre moléculas son perfectamente elásticas, al igual que las moléculas y las paredes del contenedor.
El tiempo de colisión es insignificante en comparación con el tiempo transcurrido entre las colisiones.
Las moléculas no se atraen entre sí si no hay fuerzas intermoleculares.
Las moléculas están en constante movimiento al azar.
El volumen de las moléculas es despreciable en comparación con el volumen del gas o el recipiente.
Las leyes del movimiento de Newton pueden aplicarse a las moléculas
La energía cinética media de una colección de partículas de gas depende de la temperatura del gas y nada más.

Plasma

Los plasmas son gases ionizados que en su forma natural son poco comunes en la Tierra. Se pueden observar en cosas artificiales, como letreros de neón y bombillas fluorescentes. Pero en el resto del universo el plasma es la fase más común de la materia. La mayoría de las estrellas son de plasma, al igual que las luces del norte que se ven alrededor de las regiones polares.

Los enlaces químicos

La energía de un agregado de dos o más átomos puede ser menor que la suma de las energías de esos átomos aislados y de ahí que, siguiendo la tendencia de cualquier sistema a alcanzar su estado de mínima energía, los átomos se unan unos con otros de diversos modos para formar moléculas estables. Así, sólo los gases nobles y los metales en estado de vapor están constituidos por átomos aislados.

Todas las demás sustancias están constituidas por moléculas integradas por un número de átomos que puede ir desde dos hasta cientos de miles (polímeros). En la formación del enlace químico intervienen únicamente los electrones de la última capa, los llamados electrones de valencia, que pueden ser parcialmente compartidos entre dos átomos (enlace covalente) o bien cedidos por uno a otro (enlace electrovalente). Es importante destacar que desde el punto de vista de la teoría química actual el enlace químico tiene carácter unitario, basándose siempre en compartir electrones por pares.

Las moléculas están constituidas por la unión de cierto número de átomos iguales o distintos. Se plantea, pues, la cuestión de saber cuál es el nexo que mantiene a los átomos unidos entre sí para formar moléculas. En todos los casos, este nexo se establece únicamente a partir de los electrones que forman la última capa de los átomos, los llamados electrones de valencia.

Hablaremos de cinco tipos de enlace distintos: iónico o electrovalente, covalente, metálico, de hidrógeno y covalente coordinado.

El fundamento del enlace químico es la Ley Física Fundamental según la cual todo sistema evoluciona hacia su estado de energía más bajo. Esta ley explica, por ejemplo, el hecho de que una bola que se encuentra en un recipiente cóncavo se sitúe en el punto más bajo del mismo o bien que, si dos disoluciones de distinta concentración están separadas por un tabique poroso, la concentración de ambas tienda a igualarse por migración del soluto a través del tabique.

Existen cinco tipos de enlaces: iónico o electrovalente, covalente, metálico, de hidrógeno y covalente coordinado.

Para poder aclarar la naturaleza de cada uno de los distintos tipos de enlace listados, antes deberemos explicar algunos conceptos importantes, en particular el concepto de ion, y formular la teoría del octete (u octeto).

Con respecto a la mayor o menor facilidad con que permiten el paso de la corriente eléctrica, los cuerpos se clasifican en:

Aislantes
Conductores:
- de primera clase
- de segunda clase o electrólitos

Los conductores de primera clase son aquellos que, como los metales, no se alteran con el paso de la corriente eléctrica.

Por el contrario, los conductores de segunda clase o electrólitos se descomponen cuando son atravesados por una corriente eléctrica. Los electrólitos son exclusivamente ácidos, bases o sales fundidos o disueltos en agua u otros líquidos.

El primero que formuló una explicación científica coherente de la descomposición de los electrólitos por el paso de una corriente eléctrica (electrólisis) fue Arrhenius, quien, en 1883-1887, propuso su teoría de la disociación electrolítica. Aunque inicialmente fue recibida sin entusiasmo por los medios científicos, esta teoría ha sido una de las más fecundas de la química moderna, ya que sentó las bases para el desarrollo de la electroquímica, que hoy constituye una de las bases de la química industrial.

Teoría de Arrhenius de la disociación electrolítica

Se denomina ion a un átomo o una partícula formada por varios átomos que posee una carga eléctrica debida a un defecto o un exceso de electrones planetarios. Según sea su carga eléctrica, los iones se clasifican en positivos o cationes y negativos o aniones.

De acuerdo con la teoría formulada por Arrhenius:

Los electrólitos, en disolución o fundidos, se disocian parcialmente en iones dotados de carga eléctrica, siendo la carga total de los iones positivos igual a la carga total de los iones negativos; la disolución en su conjunto permanece neutra.
Las sustancias químicamente análogas se disocian en los mismos iones (por ejemplo, el grupo NO3 de los nitratos, PO4 de los fosfatos o Na de las sales sódicas). La carga eléctrica del ion es igual a su valencia y es negativa para los no metales y radicales no metálicos (aniones) y positiva para los metales (cationes).

Así, por ejemplo, al disociarse electrolíticamente el cloruro de hidrógeno (un ácido), el cloruro de calcio (una sal) y el hidróxido de sodio (una base) tendremos respectivamente:

HCl H+ (1 ion positivo) + Cl- (1 ion negativo)

CaCl2 Ca2+ (1 ion positivo) + 2Cl- (dos iones negativos)

NaOH Na+ (1 ion positivo) + (OH)- (1 ion negativo)

Los iones positivos son más pequeños que los átomos metálicos de los que proceden (por ejemplo, el radio del ion Na+ es sólo muy poco mayor que la mitad del radio del átomo de sodio), mientras que los iones negativos son siempre mayores que los átomos de los no metales a partir de los que se han formado (por ejemplo, el radio del ion Cl- es casi el doble que el radio del átomo de cloro).

Steve August Arrehnius (1859-1927) fue un reconocido científico sueco.

Ionización

La formación de iones se explica por la cesión o admisión de electrones, generalmente en la capa más externa, por parte de un átomo. Es decir, si un átomo X acepta un electrón se rompe el equilibrio eléctrico en que se encontraba, al pasar a poseer una carga negativa más; tendremos así un ion negativo X-. Si el átomo X hubiera aceptado dos electrones estaríamos ante un ion X2-, etcétera.

Por el contrario, si un átomo X cede un electrón pasará a convertirse en un ion positivo, X+, puesto que su número de cargas negativas será entonces inferior en una unidad al número de cargas positivas del núcleo (protones); en el caso de que cediera dos electrones, se tendría el ion X2+, etcétera.

La ionización no es un fenómeno que pueda producirse únicamente a causa de la disociación de un electrólito en disolución. También por efecto del calor, las radiaciones ionizantes o el choque con otras partículas, un átomo puede perder uno o más electrones o bien absorber electrones extraños. Por ejemplo, en las capas altas de la atmósfera (ionosfera), los átomos del aire son constantemente bombardeados por radiaciones solares de alta energía, las cuales les arrancan electrones. Asimismo, los meteoritos, al atravesar la atmósfera a gran velocidad, producen un calentamiento local del aire, ionizándolo a lo largo de su trayectoria.

Un ion se forma cuando una molécula le “cede” electrones a otra.

Los iones presentes en el aire atraen el polvo y las gotitas de agua, y por esta razón se emplean iones para que actúen como núcleos de condensación con el fin de provocar artificialmente la lluvia. En un proceso esencialmente análogo, en las cámaras de ionización la observación de las trayectorias de las partículas atómicas se basa en la condensación que provocan a su paso.

En determinadas condiciones, un gas puede hallarse completamente ionizado, es decir, con todos sus átomos en defecto de electrones; en ese caso se le denomina plasma. Sin embargo, el propio plasma se encuentra en estado neutro, ya que, al hallarse íntimamente mezclados en todo el espacio ocupado, sus electrones y sus iones positivos compensan sus cargas entre sí.

Teoría del octete

Los gases nobles constituyen el grupo 0 de la Tabla Periódica. Las moléculas de estos gases son monoatómicas, ya que la característica más destacada de estos elementos es que sus átomos carecen prácticamente de capacidad para unirse con otros átomos de su misma o de otra especie.

Todos los gases nobles, a excepción del primer elemento del grupo, el helio, poseen ocho electrones en la última órbita. Este hecho llevó a considerar que ésta era la configuración electrónica más estable. Por ello, Lewis introdujo en 1916 la teoría del octete u octeto: “Cuando los átomos reaccionan entre sí tienden a adquirir la estructura electrónica del gas noble de número atómico más próximo.” Sorprendentemente, esta ingeniosa teoría se ajusta muy bien a la realidad, aunque en el momento en que fue propuesta carecía por completo de verdadera justificación teórica.

Los gases nobles son los elementos que, en las condiciones normales de la Tierra, están formados por un solo tipo de átomos.

Los alcanos

Los alcanos son compuestos que están formados solo por enlaces entre átomos de carbono e hidrógeno. Comúnmente se los suele llamar también hidrocarburos.

El alcano más simple es el metano, cuya fórmula molecular es CH₄. Admitiendo la tetravalencia del carbono y la monovalencia del hidrógeno, solamente es posible una estructura para el metano:

El alcano con dos átomos de carbono, el etano, tiene por fórmula molecular C₂H₆. Su fórmula estructural es:

Cuando el número de átomos de carbono es n, su fórmula molecular es C_nH_2n+2. Los alcanos pueden suponerse derivados del metano por sustitución sucesiva de un hidrógeno por un grupo metilo, CH₃.

Los alcanos pueden ser de cadena lineal o de cadena ramificada. En la cadena normal cada átomo de carbono está unido directamente a lo sumo a otros dos, es decir, los carbonos son primarios o secundarios; en las cadenas ramificadas existen también átomos de carbono terciarios o cuaternarios:

Una cadena ramificada se puede considerar como una cadena normal en la que la parte de sus átomos de hidrógeno han sido sustituidos por grupos C_nH_2n+1, que se denominan cadenas laterales.

Dado que la fórmula estructural desarrollada ocupa mucho espacio, para los alcanos de cadena larga se acostumbra usar la fórmula estructural abreviada, que se escribe poniendo entre paréntesis las cadenas laterales (y los sustituyentes) para indicar que esos átomos o grupos están directamente unidos al átomo de carbono precedente no escrito entre paréntesis. Por ejemplo, la última fórmula que hemos escrito en forma desarrollada, en forma abreviada se escribiría:

CH3 CH(CH3)CH2 C(CH3)3

Nomenclatura de los alcanos

Los primeros químicos nombraban en general los compuestos haciendo referencia a su origen. Esto dio lugar a una nomenclatura vulgar que, en muchos casos, aún se emplea. A medida que fue aumentando el número de compuestos orgánicos conocidos se fue haciendo evidente la necesidad de sistematizar la nomenclatura, de manera que el nombre de un compuesto reflejara su estructura. La nomenclatura actual se basa en la establecida en el Congreso de Química de Ginebra de 1892 (nomenclatura de Ginebra), que ha sido revisada repetidas veces, siendo las últimas reglas las que recomendó en 1957 la Comisión de Nomenclatura de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). En esta obra seguiremos el sistema de la IUPAC, aunque usaremos nombres vulgares cuando éstos estén muy arraigados.

Los cuatro primeros alcanos tienen nombres especiales (relacionados con su historia); a partir del quinto término se nombran según el prefijo griego o latino correspondiente al número de átomos seguido de la terminación -ano.

Los alcanos de cadena normal se indican colocando una n delante del nombre (n-butano) cuando se los quiere diferenciar de los que tienen el mismo número de átomos de carbono pero cadena ramificada en el primer enlace, a los que se antepone el prefijo iso- (iso-butano).

Los radicales monovalentes que se forman eliminando un átomo de hidrógeno de un carbono extremo de un alcano se denominan radicales alquilo. El nombre de cada radical se obtiene cambiando el sufijo -ano del nombre del alcano por -ilo, o bien por -il si el nombre del radical antecede en el nombre del compuesto (por ejemplo, el radical metilo o metil es CH₃).

Para nombrar a los hidrocarburos ramificados se elige la cadena más larga y el compuesto se nombra como derivado de ese alcano de cadena normal. La cadena de carbonos se numera de un extremo a otro, eligiendo empezar por el extremo que permita que los números usados para ubicar las cadenas laterales sean lo más bajos posible. Por ejemplo, el 2-etil-3-metil-pentano sería:

Al examinar las fórmulas de los alcanos se observa que dos cualesquiera de ellos se diferencian en uno o más CH₂. Una serie de compuestos en la que, como en las parafinas, los sucesivos términos se diferencian en un CH₂ se denomina serie homóloga, denominándose homólogos los términos de la misma.

Los constantes físicas (densidad, solubilidad, punto de fusión, índice de refracción, etc.) de los términos de una misma serie homóloga suelen variar de un modo continuo con el aumento del peso molecular, sobre todo los puntos de fusión y de ebullición.

Propiedades generales de los alcanos

Las propiedades físicas de los alcanos siguen la gradación propia de los términos de una serie homóloga. Los cuatro primeros términos de los alcanos normales son gaseosos, del 5 al 16 son líquidos y los términos superiores, sólidos. Son incoloros e inodoros, insolubles en agua, miscibles entre sí y fácilmente solubles en disolventes orgánicos, tales como éter, sulfuro de carbono, benceno, etc. Fácilmente combustibles, arden con llama tanto más luminosa cuanto mayor es el número de carbonos de su molécula. Son estables y químicamente inertes puesto que a temperatura ambiente no son atacados por los ácidos ni las bases fuertes; ésta es la razón por la que se les denomina también parafinas (poca afinidad). Los halógenos se combinan con ellos por sustitución, formándose el derivado halogenado y el hidrácido correspondiente. Así, el metano reacciona con gas cloro dando cloruro de metilo y cloruro de hidrógeno:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

El proceso puede proseguir hasta la sustitución de todos los hidrógenos por átomos de Cl, formándose tetracloruro de carbono.

El alcano más importante es el metano, que es muy estable, ya que sólo empieza a descomponerse por encima de los 600 °C.

Los alcanos son incoloros, inoloros e insolubles en agua.

Estado natural de los alcanos

Los alcanos son compuestos muy abundantes en la naturaleza. El primer término de la serie, el metano, se desprende en los pantanos como producto de la descomposición de sustancias orgánicas por acción de bacterias anaerobias (es decir, en ausencia de aire); de ahí su antiguo nombre de gas de los pantanos. También se desprende en las minas de carbón (grisú), donde puede provocar peligrosas explosiones. Es el principal componente del gas natural, cada día más utilizado por ser un combustible limpio y de elevado poder calorífico. Los demás alcanos se hallan contenidos en el gas natural y en el petróleo, del que pueden obtenerse muchos hidrocarburos saturados por destilación fraccionada. El propano y el butano son constituyentes del gas natural y del gas de los pozos petrolíferos, de los cuales se pueden separar por fraccionamiento. Se utilizan como combustibles, comercializándose licuados bajo presión en bombonas, a diferencia del gas natural, que se suministra por cañerías.

La potencia

La potencia, de forma genérica es la capacidad o posibilidad para realizar o generar algo. Una potencia es también una persona, una entidad, estado o nación que posee una gran influencia, fuerza o poder. Sin embargo, tiene varios usos y significados en distintos ámbitos como la Física, las Matemáticas y la Filosofía.

Potencia en física

En Física, potencia es la cantidad de trabajo (fuerza o energía aplicada a un cuerpo) en una unidad de tiempo. Se expresa con el símbolo ‘P’ y se suele medir en vatios o watts (W) y que equivale a 1 julio por segundo. Una fórmula para calcular la potencia es P = T / t, donde ‘T’ equivale a ‘trabajo’ (en julios) y ‘t’ se corresponde con el ‘tiempo’ (en segundos).

La potencia es la cantidad de fuerza o energía aplicada a un cuerpo en un período de tiempo.

La potencia eléctrica: la potencia eléctrica es la cantidad de energía que emite o absorbe un cuerpo en una unidad de tiempo. La medición de la potencia eléctrica de consumo de un dispositivo eléctrico doméstico en kilovatios por hora (kW/h).
La potencia reactiva es un tipo de potencia eléctrica que aparece en instalaciones de corriente alterna, asociada a la generación de campos magnéticos y disipada por las cargas reactivas (bobinas y condensadores). Se representa con la letra ‘Q’ y la unidad de medida que se suele utilizar es el voltiamperio reactivo (VAr).
La potencia mecánica: la potencia mecánica es la cantidad de fuerza aplicada a un cuerpo en relación a la velocidad con que se aplica. Una de las fórmulas para hallarla es: P = F · v. Por lo tanto, se multiplica la fuerza (F) expresada en newtons (N) por la velocidad (v) expresada en metros por segundo (m/s).

Potencia en Matemática

Una potencia es una expresión matemática que indica la multiplicación de un número por sí mismo tantas veces como indica su exponente. Una potencia aparece representada como un número pequeño escrito a la derecha y arriba acompañando a un número (base).

Un ejemplo de potencia es 7². El número 7 es la base y el ² es el exponente (también llamado índice o simplemente, potencia). Esta potencia equivaldría a la multiplicación 7 x 7.

Potencia en Filosofía

El concepto de potencia es uno de los objetos de estudio de la Filosofía. La filosofía aristotélica define este término como la “capacidad de ser” en el futuro, en oposición al concepto de “acto”.

En Filosofía también se habla de potencia del alma para referirse a una facultad o capacidad del alma. Según algunas posturas, se consideran tres potencias del alma (memoria, entendimiento y voluntad) que permiten al ser humano recordar, conocer y querer, respectivamente.