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Isaac asimov


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MOLÉCULAS


Es fácil construir moléculas simples de los átomos, utilizando el sistema de enlaces indicado en la figura 1. Lo primero que podríamos intentar es poner átomos de hidrógeno en cada enlace de los otros átomos, como se indica en la figura 2.





Figura 2. Moléculas simples.

Los resultados son las fórmulas estructurales de sustancias reales bien conocidas. Del agua no hace falta hablar. El metano es un gas inflamable componente principal del «gas natural» que se usa para guisar y para la calefacción. El amoníaco es un gas de olor asfixiante. (El amoníaco que se vende en las droguerías no es la sustancia sino una solución del gas en agua.) El sulfuro de hidrógeno es un gas pestilente, con olor a huevo podrido que suele encontrarse en los laboratorios de química escolar o emana de aguas estancadas.











Figura 3. Enlaces dobles y simples

Los químicos están tan familiarizados con las fórmulas estructurales de estas moléculas simples que generalmente no se molestan en escribirlas con los guiones de unión y se limitan a indicar las diferentes clases de átomos. Si la molécula contiene más de uno de un tipo determinado, escriben el número. Así por ejemplo, metano se escribe CH4, amoníaco NH3, agua H2O y sulfuro de hidrógeno, B2S. Cuando expresamos de este modo las moléculas utilizamos lo que se llama fórmulas empíricas. Para las moléculas pequeñas bastan las fórmulas empíricas simples.

A veces, los átomos están unidos por dos enlaces (doble enlace) o, incluso, por tres (triple enlace), tal como indican los ejemplos de la figura 3.

Cuando dos átomos de oxígeno están unidos por ambos enlaces de cada uno, resulta una molécula formada por átomos de una clase. Una sustancia compuesta de estas moléculas es un elemento. El oxígeno de la atmósfera no está compuesto por átomos individuales, sino por moléculas de dos átomos cada una. Por lo tanto, el oxígeno de la atmósfera se denomina oxígeno molecular. De igual modo, el nitrógeno de la atmósfera está compuesto por moléculas de dos átomos, en las que los átomos están unidos por los tres puntos de enlace propios de los átomos de nitrógeno. También el hidrógeno gaseoso está formado por moléculas de dos átomos que, desde luego, están unidos por un solo enlace, puesto que el átomo de hidrógeno no tiene más que uno.

También pueden ligarse mediante más de un enlace los átomos de distintos tipos, como en el caso del dióxido de carbono o del cianuro de hidrógeno. De todos modos, la existencia de enlaces dobles o triples no altera las reglas de la unión. Si cuentan los enlaces correspondientes a cada átomo de cualquiera de las moléculas de la figura 3 observarán que los átomos de oxígeno y azufre tienen siempre dos enlaces, los de nitrógeno, tres, el átomo de carbono, cuatro y el de hidrógeno, uno.

Cuando se escriben fórmulas empíricas, se hace caso omiso de los enlaces dobles y triples. Sólo se cuentan los átomos. Por lo tanto, el oxígeno molecular es 02, el nitrógeno molecular es N2, el dióxido de carbono es C02, el cianuro de hidrógeno es HCN, etc.


CADENAS DE CARBONO


Las moléculas cuyas fórmulas he enunciado hasta ahora son muy simples. Recurriendo de nuevo a la comparación con las palabras, podríamos decir que estas fórmulas son «palabras de una sílaba».



Figura 4. Isooctano

Si en los tejidos vivos existen moléculas más complicadas ello se debe a las singulares propiedades del átomo de carbono que se encuentra presente en todo tejido vivo. Los átomos de carbono tienen la peculiaridad de unirse formando largas cadenas estables.

Dado que el átomo de carbono tiene cuatro enlaces, estas cadenas pueden ser ramificadas. La molécula de la figura 4 representa un ejemplo de ello.

Se conoce a esta molécula por el nombre de isooctano. Contiene ocho átomos de carbono dispuestos en cadena ramificada. Los enlaces de los átomos de carbono que no están conectados a otros átomos de carbono lo están a átomos de hidrógeno; si los cuentan observarán que hay ocho átomos de carbono y dieciocho átomos de hidrógeno. Dado que su molécula contiene únicamente átomos de carbono y de hidrógeno, el isooctano forma parte de una clase de compuestos llamados hidrocarburos. La gasolina es una mezcla de distintos hidrocarburos en cuya composición entra una importante proporción de isooctano.

La fórmula empírica del isooctano es C8H18, pero, una vez entramos en el mundo de las moléculas que contienen carbono, dejan de tener utilidad las fórmulas empíricas. Por ejemplo, se puede disponer ocho átomos de carbono en línea recta, como se indica en la figura 5.



Figura 5. Octano normal

Esto representa la molécula de octano normal, cuyas propiedades son ligeramente diferentes de las del isooctano. Esta diferencia de propiedades significa que el isooctano y el octano normal son realmente dos compuestos distintos, a pesar de lo cual ambos tienen la fórmula empírica C4H18.

(Y, como puede observarse, en ambos cada átomo de carbono tiene cuatro enlaces y cada átomo de hidrógeno, uno.)

En otras palabras, lo que distingue a una molécula de otra no es simplemente la clase de átomos que la componen ni su número sino la disposición de los distintos átomos. Por ello, al tratar de las complejas sustancias de los tejidos vivos, tenemos que atenemos a las fórmulas estructurales ya que, de lo contrario, estaríamos perdidos.

A medida que las fórmulas estructurales se alargan y complican, resulta conveniente poder referirse a partes específicas de la molécula, combinaciones atómicas particulares que aparecen frecuentemente en la molécula. Utilizando la analogía de las palabras, este proceso es como partir una palabra larga en sílabas para facilitar su pronunciación.

Veamos, pues, la combinación de átomos expuesta en la figura 6.



Compuesto de un átomo de carbono con hidrógeno en tres de sus enlaces. El cuarto, que en la figura aparece libre, puede unirse a casi cualquier tipo de átomo. Si se uniera a un átomo de hidrógeno, el resultado sería metano (como puede verse en la figura 2). Por ello, la combinación de un átomo de carbono con tres átomos de hidrógeno se llama grupo metilo. En la fórmula del isooctano (fig. 4), se ven cinco grupos metílicos, cada uno de los cuales está unido a un átomo de carbono.







Para ahorrar espacio, el grupo de metilo puede enunciarse al modo de las fórmulas empíricas, CH3—. Obsérvese, sin embargo, el guión que representa el enlace no ocupado. (El grupo metilo no es molécula. En las moléculas de las que se trata en este libro todos los enlaces de los distintos átomos están ocupados. Por lo tanto, el grupo de metilo es simplemente fragmento de una molécula; por así decirlo, una “sílaba” de la “palabra”.)

El grupo metilo puede estar unido a otros átomos además de los de hidrógeno y carbono. Con frecuencia, está unido a átomos de oxígeno, nitrógeno o azufre, como en los ejemplos que indico en la figura 7.

Cada una de estas moléculas es lo que podríamos llamar “de dos sílabas”. En cada caso, el grupo metilo es una sílabas; lo que resta es la segunda sílaba.

La combinación oxígeno—hidrógeno en el alcohol metílico puede enunciarse —OH. El nombre de este grupo es una versión abreviada de los nombres de los dos átomos que lo componen. Es el grupo hidroxilo.

La combinación de nitrógeno y dos átomos de hidrógeno existentes en la amina metílica puede enunciarse —NH2. Un átomo más de hidrógeno nos dada amoníaco, y de este compuesto se deriva el nombre del grupo de las aminas. La combinación azufre—hidrógeno del mercaptan metílico —SH es el grupo thiol. El prefijo «thi» se deriva de la palabra griega que significa azufre.

A veces, un grupo atómico común tiene dos enlaces que no se utilizan. Un átomo de carbono y un átomo de oxígeno pueden estar unidos por un enlace doble y el átomo de carbono, tener todavía dos enlaces sin ocupar. Este caso puede representarse así: =CO. Este es el grupo carbonilo y, si observan la figura 3, hallarán un grupo carbonilo en la fórmula del formaldehído.

También puede darse el caso de que dos átomos de sulfuro estén unidos por un solo enlace. Cada uno tendrá entonces un enlace libre, o sea, dos en total. Este grupo —SS—, es el grupo bisulfuro.

Uno de los compuestos orgánicos conocidos por el hombre desde más antiguo en una forma relativamente pura es el ácido acético, nombre que se deriva de la palabra griega que designa el vinagre. En realidad, el vinagre es una solución débil de este ácido. En la figura 8 se indica la fórmula del ácido acético.



Figura 8. Ácido acético

Como puede observarse, el ácido acético es una molécula de «tres sílabas». Contiene un grupo metilo unido a un grupo carbonilo que, a su vez, está unido a un grupo hidroxilo. La combinación carbonilo—hidroxilo es muy frecuente en los compuestos, por lo que suele considerarse como una “sílaba” en sí misma. La frase “carbonilo—hidroxilo” se contrae a las partes indicadas en cursiva y el grupo recibe el nombre de carboxilo. Dado que la presencia en la molécula de un grupo carboxilo suele dar a aquélla propiedades de ácido, también suele llamársele grupo de ácido carboxílico.

Para abreviar, el grupo carboxilo suele enunciarse —COOH. En realidad, ésta no es una indicación satisfactoria, ya que da a entender que los dos átomos de oxígeno están unidos entre si y no lo están. Yo preferiría enunciarlo —(CO)OH o —CO (OH), pero estoy seguro de que no he de conseguir modificar una costumbre secular de los químicos.

Si sustituimos la parte de hidroxilo del grupo carboxilo por un grupo de aminas el resultado será –CONH2. Esto es un grupo amida. Existen muchos grupos adicionales con los que ha de tratar el químico al estudiar los compuestos orgánicos, pero nosotros podremos arreglamos con los ocho mencionados y que detallo a continuación:



—CH3

grupo metilo

—OH

grupo hidroxilo

—NH2

grupo amina

—SH

grupo thiol

=CO

grupo carbonilo

—SS—

grupo bisulfuro

—COOH

grupo carboxilo

—CONH2

grupo amida
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