¿Una sustancia que desafía las leyes de la física? Understand article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Los científicos que trabajan en el Institut Laue-Langevin (ILL) y en la Universidad Joseph Fourier en Grenoble (Francia) han descubierto un cristal que parecería desafiar la ley de la gravedad. Nos informa Giovanna Cicognani del  ILL.

Uno de nuestros primeros contactos con la física ocurre con la misteriosa transformación del agua: puede transformarse de su estado sólido en el congelador en un líquido a temperatura ambiente y finalmente en un gas sobre el quemador. Luego aprendemos que, aunque diferentes sustancias tengan diferentes puntos de congelación y ebullición, casi todas pueden cambiar a estos distintos estados, y la clave es la temperatura. Pero, ¿qué pasa cuando hay algo que se funde cuando se enfría y se solidifica cuando se calienta?

Recuadro: La receta

Para crear la misteriosa mezcla que descubrieron los científicos de Grenoble, mezcle 200 mg de alfa-ciclodextrina (H60C36O30) con 1 ml de 4-metilpiridina (H7C6N) y una pequeña cantidad de agua. La mezcla debería ser líquida a temperatura ambiente. Cuando se la calienta, debería convertirse en sólido. 

Ni la mezcla ni sus componentes son peligrosos, pero la 4-metilpiridina tiene un olor muy intenso.

Marie Plazanet, científica de instrumentación del ILL, y sus colegas han identificado una solución acuosa que forma un sólido blanco lechoso cuando se lo calienta a aproximadamente 60° C, y que se vuelve un líquido transparente y homogéneo cuando se lo enfría.  Esta solución es una mezcla de agua con un azúcar llamado alfa-ciclodextrina y con metilpiridina, un componente del plástico.

Para darse cuenta de lo raro que es esto, dice Giovanna Cicognani, coordinadora científica del ILL, hay que imaginar un vaso de Coca-Cola® con hielo. “Todo el mundo sabe lo que va a pasar luego de unos minutos: el hielo se va a derretir y la Coca-Cola se va a enfriar un poco. Pero lo raro es que, en este caso, al calentar el vaso a 60° C, nos encontramos con que todo el contenido se solidifica”.

Equipamiento necesario: un
instrumento de dispersión
inelástica de neutrones

Los científicos analizaron la sustancia usando neutrones generados en un reactor nuclear que el ILL utiliza para realizar investigación. En el reactor, una reacción en cadena produce neutrones, que se agrupan en un haz concentrado y controlado, el cual es dirigido a los cristales o a otros materiales. Los neutrones del haz chocan con los neutrones de la muestra, lo que crea un patrón de difracción que se puede reinterpretar en una imagen de alta resolución. Esto produce un mapa de la muestra, átomo por átomo.

“Usamos neutrones para investigar las propiedades internas de la solución. Eso mostró que en el estado sólido se forma una estructura rígida y ordenada, aunque otra parte de la mezcla siga siendo líquida”, explica Ralph Schweins, científico del ILL y miembro del grupo experimental.

Los científicos de Grenoble creen que este cambio de estado se debe a la formación y la ruptura de los enlaces de hidrógeno. A temperaturas por encima de los 60° C, se forman enlaces de hidrógeno entre la ciclodextrina y la metilpiridina, o entre la ciclodextrina y las moléculas de agua, lo que mantiene la estabilidad del sólido. A temperaturas inferiores, estos enlaces de hidrógeno se rompen y se forman nuevos enlaces de hidrógeno entre las moléculas de ciclodextrina, lo que causa que el sólido se convierta en líquido de nuevo. Los modelos de los movimientos moleculares de la solución han confirmado estos resultados.

O sea que, en verdad, la sustancia no desafía las leyes de la física. Pero sí nos permite comprender mejor los enlaces de hidrógeno, que tienen un papel fundamental en nuestras vidas (no solo cuando afuera hace frío y queremos que nieve).

Recuadro: Enlaces de hidrógeno

El agua pertenece a un grupo de sustancias llamado hidruros del grupo VI. Muchas de esas sustancias son gases malolientes: sulfuro de hidrógeno, seleniuro de hidrógeno y telururo de hidrógeno: a cuál más desagradable. ¿Son así todos los hidruros del grupo VI? No exactamente. El óxido de hidrógeno es una excepción por varias razones: en primer lugar, es inodoro; en segundo lugar, es un líquido. Desde luego, también puede ser peligroso: el contacto prolongado con la forma sólida puede causar daños en los tejidos, y la forma gaseosa puede causar quemaduras graves.

Entonces, ¿por qué el agua es tan diferente de los otros hidruros del grupo VI? Principalmente, debido a los enlaces de hidrógeno.

El enlace de hidrógeno es una fuerza de atracción que existe entre moléculas polares de carga opuesta. Como su nombre lo indica, los átomos de hidrógeno forman parte del enlace. Las moléculas de agua, por ejemplo, son moléculas polares que tienen una carga parcial negativa (el átomo de oxígeno) y una carga parcial positiva (los átomos de hidrógeno). Cuando las moléculas de agua se acercan, las cargas positivas y negativas hacen que se atraigan.

Algunas de las propiedades esenciales y únicas del agua se deben a los enlaces de hidrógeno que se forman entre las moléculas de agua. La atracción ocasionada por los enlaces de hidrógeno es lo que mantiene el agua en estado líquido a temperaturas elevadas. Esto se debe a que la cantidad de energía que se necesita para romper múltiples enlaces de hidrógeno hace que el agua tenga un calor de vaporización elevado; es decir, se necesita mucha energía para convertir agua líquida (en la que las moléculas se atraen debido a los enlaces de hidrógeno) en vapor de agua (en la que esto no sucede).

  1. Piense en una aplicación práctica para la mezcla que acabamos de estudiar.
  2. Piense qué otras mezclas podrían comportarse de la misma manera.
  3. Explique con sus propias palabras qué es un enlace de hidrógeno.
  4. ¿Por qué el enlace de hidrógeno es tan fuerte en el agua pero no en los otros hidruros del grupo VI?
  5. ¿Conoce otros ejemplos de enlace de hidrógeno?
  6. ¿Conoce algún uso práctico de los cambios de estado?
  7. ¿Sabe algo de los análisis que usan neutrones? ¿Cuánta información puede encontrar en internet?

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Resources

  • Los resultados se encuentran en forma más detallada en: Plazanet M. et al. (2004), Freezing on heating of liquid solutionsJournal of Chemical Physics 121: 5031-5034, doi: 10.1063/1.1794652
  • Con amplia experiencia y financiación internacional, el Institut Laue-Langevin (ILL) les ofrece a los científicos y a la industria científica una instalación reconocida mundialmente como líder en la ciencia y la tecnología de los neutrones. Ubicado en Grenoble, al sureste de Francia, el instituto opera la fuente de neutrones más potente del mundo. Para consultar más información sobre el ILL, la investigación que se lleva a cabo y los acontecimientos que suceden allí, visite el sitio: www.ill.fr
  • Puede encontrar información sobre la Universidad Jacques Fourier de Grenoble en el sitio web: www.ujf-grenoble.fr

Institution

ILL

Review

Aparentemente, hay una sustancia que desafía las leyes de la física. Con estilo humorístico, este artículo nos enseña que el estado líquido no necesariamente cambia al estado gaseoso cuando se aumenta la temperatura. En cambio, algunas sustancias se funden al enfriarse. Este artículo brinda un ejemplo interesante para investigar un conocido tema (los enlaces de hidrógeno) en vista de los descubrimientos más recientes.


Monika Musilek-Hofer, Austria




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