¿Qué sucede, a medida que nos elevamos en la atmósfera?

Sabemos que, a mayor altitud, más frío. Y quizá también sabemos que, a medida que logramos mayor altura, la presión atmosférica es menor. Tanto el frío, como la presión baja, se pueden entender muy fácilmente si nos adentramos en el mundo de las moléculas, en el mundo de las dimensiones ultramicroscópicas. En este mundo, frío significa que las moléculas viajan a velocidades menores, y presión baja implica un menor número de moléculas por metro cúbico de volumen.

En estas condiciones, la atmósfera, el gran contenedor del aire que respiramos, se torna el receptáculo en el cual moran las especies químicas más extrañas, los radicales.

La palabra radical es sugerente por sí misma, pues nos anticipa que las cosas no serán normales. En el mundo de las moléculas, los radicales son átomos o moléculas con una elevada capacidad para reaccionar. Ello se debe a que cada especie individual se comporta como un imán y, por lo tanto, perturba magnéticamente cualquier otra especie con la que pueda entrar en contacto. Normalmente, son radicales aquellas especies químicas con un número impar de electrones, pero algunas con un número par también pueden comportarse como tales.

Estamos hablando, pues, de magnetismo, que junto con la electricidad, constituyen uno de los pilares del desarrollo tecnológico moderno. No es sencillo entender por qué algunas especies que contienen un número impar de electrones se comportan como pequeños imanes, como tampoco es fácil entender el origen del comportamiento magnético en moléculas con un número par, aunque este caso no sea tan frecuente.

A efectos de seguir este artículo, basta con tener presente que las especies radicales son especies muy reactivas, que acostumbran a existir durante lapsos de tiempos cortos. La excepción a esta última regla la encontramos a las capas altas de la atmósfera, donde la baja densidad permite que vivan durante intervalos más elevados.

Los radicales y la capa de ozono

Los radicales en la alta atmósfera juegan un papel clave en la destrucción de la capa de ozono: cantidades relativamente pequeñas de estas especies pueden destruir grandes cantidades de ozono.

Recordemos que la capa de ozono nos protege de la radiación ultravioleta que llega del espacio, y que entre 1980 y 2006 el tamaño y porfundidad del agujero se incrementaba año tras año. Parece, no obstante, que desde 2006 se está recuperando, lenta pero consistentemente. Crucemos los dedos.

El cloro atómico, un radical, es capaz de degradar el ozono que nos protege de la radiación ultravioleta.  Un sólo átomo es capaz de descomponer miles de moléculas de ozono, puesto que después del ataque químico, el átomo de cloro se regenera.

Radicales en la contaminación, el fuego, la fabricación de plásticos... y el cuerpo humano

En capas no tan altas, los radicales participan en la formación del smog fotoquímico, y también en la lluvia ácida. En este último caso, la producción de ácido sulfúrico y ácido nítrico tiene lugar a través de radicales, principalmente el radical hidroxilo, compuesto de fórmula OH·, que resulta de arrancar un hidrógeno, H al agua, H2O.

Los radicales también se manifiestan en otros ambientes. Por ejemplo, encontramos una buena cantidad de radicales dentro de una llama. Las temperaturas alrededor del millar de grados, que se dan dentro del fuego, son ideales para la formación de estas especies, que se combinan rápidamente, y desaparecen, cuando la masa de aire se enfría.

También pueden intervenir radicales, de forma muy relevante, en la fabricación de plásticos. Los plásticos se forman por ensamblaje de muchas unidades iguales, como los eslabones de una cadena. La función de los radicales es preparar los eslabones, las moléculas individuales, para que se puedan engarzar secuencialmente de forma indefinida. En este sentido, los plásticos son eso, plásticos, y por lo tanto se pueden moldear, por un motivo curioso: cuando se fabrican, las cadenas microscópicas que los constituyen son de longitud diferente.

Un lugar inesperado, donde también participan radicales, es dentro de nuestro cuerpo. El hecho de respirar oxígeno genera radicales que se derivan de éste, y en no poca cantidad. Cuando respiramos profundamente, por ejemplo al realizar ejercicio intenso, el uno por ciento del oxígeno es convertido en compuestos con carácter radical. No os asustéis, pues este hecho, directamente, no nos causa perjuicio. Al contrario, se ha descubierto recientemente que estas especies tan reactivas son fundamentales, en la regulación de muchos procesos que tienen lugar dentro de nuestras células. También aparecen radicales dentro del sistema inmunitario, para luchar contra los agentes invasores.

Radicales y envejecimiento

Una de las teorías del envejecimiento propone que éste se produce por la acción acumulada de los radicales sobre la maquinaria celular. En particular, después de lograr el cénit físico durante la etapa reproductora, los animales superiores empiezan a degradarse, por una combinación de factores genéticos y ambientales. La acción de los radicales se considera entonces un factor ambiental, que altera la homeostasis, es decir, la capacidad de la célula de mantener sus parámetros clave, dentro de los valores que le aseguren un funcionamiento indefinido.

Recientemente, no obstante, esta teoría ha sido cuestionada, pues algunos datos no acaban de encajar. Por ejemplo, los organismos más simples no pueden sobrevivir en un ambiente totalmente libre de radicales. Algunos investigadores han sugerido, hace muy poco, que el mecanismo es en realidad mucho más complejo. Proponen, en este sentido, que el envejecimiento involucra la alteración de algunos aminoácidos, los constituyentes básicos de las proteínas. En cualquier caso, la proliferación de diferentes teorías es un claro síntoma de que el ámbito necesita acumular muchos más datos experimentales y trabajo, en un futuro. Veremos.

Los radicales libres degradan las mitocondrias, dentro de las células.

Tabaco

Los radicales se encuentran presentes en el humo del tabaco, en el humo que respiramos casi de forma inadvertida. Estos radicales se originan en la combustión de la hoja de tabaco, y alteran la estructura de muchas substancias naturales. La presencia de radicales, en el humo del tabaco, es entonces una de las causas fundamentales de su efecto nocivo, tanto para los que fuman, como para los no fumadores.

El tabaco es una abrumadora fuente de radicales libres, al quemarlo e introducir el humo en nuestros pulmones.

Radicales y los polos terrestres

El repaso de las funciones de los radicales químicos lo finalizamos notando que la pequeña concentración de radicales atmosféricos, junto con otras especies y materiales, pueden contribuir al campo magnético de la Tierra. 

Recordemos que se considera que éste campo magnético, que se extiende centenares de miles de kilómetros más allá del planeta, está causado sobre todo por su núcleo líquido de hierro, en permanente circulación.

Este campo magnético provoca, a partir de un fenómeno complejo, que cerca del polo norte geográfico exista un polo magnético, y cerca del polo sur, otro. La localización de estos polos ha cambiado, a lo largo de la historia geológica del planeta, e incluso se invierten, según períodos de unos centenares de miles de años, respecto de la orientación actual.

Otros radicales, incluyendo a las personas

Quizás a estas alturas os estaréis preguntando qué quiere decir exactamente el título de este artículo. No es más que un juego de palabras, basado en las múltiples acepciones del término radical. Ya hemos definido su significado preciso, dentro del mundo molecular. Pero la palabra significa otras cosas, en otros campos del conocimiento.

Por ejemplo, en matemáticas puede tener significados diversos, entre ellos la raíz de un número dado.

El comportamiento humano también admite el uso del término: una persona radical es aquella que muestra un comportamiento tajante, que no admite matices y que, incluso, se acerca a extremismos ideológicos.

Precisamente en política es donde la palabra radical encuentra un uso más frecuente. La ideología radical se inicia en Inglaterra, inspirada en la Revolución Francesa, a caballo entre los siglos XVIII y XIX. El radicalismo político persigue la implantación del liberalismo económico mediante una acción revolucionaria, es decir, promoviendo reformas que, de golpe, ataquen la raíz de los problemas sociales y económicos. En función de los países y de la época, los partidos radicales han sido de izquierdas, la mayoría, pero algunos también pueden situarse a la derecha o el centro del arco ideológico. En Argentina está presente actualmente la Unión Cívica Radical y, en España, el partido Unión, Progreso y Democracia se clasifica como radical liberal.

Dentro de nuestra historia reciente, el momento de mayor protagonismo de esta ideología sucedió durante la segunda república española, cuando el Partido Republicano Radical, fundado por Alejandro Lerroux, gobernó poco antes de la guerra civil.

El advenimiento de la República había provocado un rápido y espectacular incremento en el número de diputados logrados por el partido. Sin embargo, el espaldarazo popular cayó en picado, igual de rápidamente, cuando salió a la luz pública su implicación en el escándalo del estraperlo. Este conflicto tiene su origen en el soborno a importantes miembros del partido, por parte de los empresarios del juego, cuando intentaban legalizar unas ruletas trucadas. Los artilugios habían sido inventados por los suizos Strauss y Pearl, poco tiempo antes. La pronunciación, seguida y castellanizada, de los apellidos de los inventores, es lo que origina la palabra "estraperlo". El término se utilizó también, durante la posguerra, para designar a los especuladores del mercado negro de víveres.

El demagogo Lerroux protagonizó, pues, el ascenso y descenso fulgurante del partido radical. Si no fuera por la gravedad de los hechos, se podría ironizar con que la trayectoria del político, y del propio partido, venía ya predeterminada por su nombre: los radicales, en química, también suelen actuar a partir de un ascenso rápido, y un descenso igual de rápido, en su cantidad.

Radicales y estudio computacional de reacciones químicas

Después de esta pequeña incursión en la Historia, permitidme retornar a los tiempos modernos, y acabar este artículo mostrando resultados recientes sobre reacciones químicas, en las que participan radicales, obtenidos a partir de sofisticadas simulaciones computacionales.

Los investigadores Pablo Gamallo, Ramón Sayós y Miguel González son algunos de los miembros del Instituto de Química Teórica y Computacional, de la Universidad de Barcelona, que trabajan en la simulación de la dinámica de reacciones químicas elementales.

Recientemente, han estudiado el choque entre átomos de nitrógeno y la molécula de óxido nítrico, por el que se rompe esta última, y se forma la molécula de nitrógeno y queda libre el átomo de oxígeno. El resultado de la colisión es el que se muestra, en forma de película, en el vídeo adjunto.

 

En éste, los átomos de nitrógeno se representan mediante esferas azules, mientras que el único átomo de oxígeno se representa mediante una esfera roja. El proceso de choque muestra, con elevada exactitud, cómo el mecanismo que sigue la reacción química, a este nivel microscópico, es notablemente complejo: la rotura del enlace inicial, entre los átomos de nitrógeno y oxígeno, no tiene lugar de golpe, sino después de varios "intentos". Además, se observan con detalle movimientos de vibración y rotación, tanto de los fragmentos como de los tres átomos unidos.

En otras palabras, el intercambio de átomos, en las reacciones químicas, es mucho más que bolas de billar chocando...

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Xavier Giménez Font
Xavier Giménez Font

Profesor titular del Departamento de Ciencia de Materiales y Química Física, y miembro del Instituto de Quimica Teórica y Computacional, Universidad de Barcelona. Docente en química ambiental y química física de materiales, e investigador en simulación computacional de reacciones químicas con aplicación a I+D, y en innovación docente.  Divulgador científico, autor del libro El aire que respiramos (UB Edicions, 2018). 

Sobre este blog

La química de nuestro entorno desde una perspectiva global, que incluye su relación con las demás ramas de la ciencia, la tecnología, e incluso las disciplinas humanísticas. También se harán pequeñas incursiones en el mundo de la educación universitaria. Siempre al alcance de todos. Verás que la química es compleja, su mundo también, pero no tanto como pudiera parecer...

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