La explicación que nunca encontró Enriqueta

Una narrativa gráfica como disparador, un texto de divulgación científica para desarrollar un tema de química vegetal y orgánica, y una propuesta final integradora y creativa para evaluar a los estudiantes de la E.S.

Temas de química: Alcoholes, Aldehídos, Acetatos y Acidos Carboxílicos. Reacciones orgánicas. Enzimas.

Campos implicados: Literatura, Química Orgánica, Atmosférica y Ambiental, Fisiología vegetal, Fitoquímica y Semioquímica.

Transcripción, edición de texto y gráficos, título y propuesta didáctica: Prof. Correa Juan

Enriqueta es una niña de vestido celeste amiga del oso Madariaga y de Fellini, un gato negro de orejas puntiagudas y nariz roja que constantemente se involucra en problemas. La principal diversión de Enriqueta es leer grandes libros, dedicarse a imaginar, jugar y disfrutar de la naturaleza junto con Fellini. Es una niña inocente, fresca, que muchas veces se hace preguntas inteligentes y a la vez tiene un humor bizarro. Enriqueta es como una modernización de Mafalda, la niña es el personaje protagónico de la serie de historietas Macanudo que publica Ricardo Siri Liniers desde 2002 en el diario La Nación de Argentina.

Enriqueta también tiene otra particularidad, al parecer posee muy desarrollado el sentido del olfato porque le gusta oler el pasto recién cortado, los libros nuevos y siempre recuerda una anécdota que le contó su mamá sobre el olor de las magdalenas. 

Y si de olor se trata, la química de los aromas siempre tiene una explicación para muchos casos aunque Enriqueta lo desconozca. Veamos qué causa el olor de la hierba recién cortada.

La hierba normalmente libera compuestos orgánicos volátiles (VOC), incluso sin ser cortada. Investigaciones han demostrado que la cantidad de los compuestos liberados pueden variar dependiendo de la intensidad de luz y la temperatura (Emissions of volatile organic compounds (primarily oxygenated species) from pasture). Una amplia gama de compuestos son emitidos, y tanto la intensidad, y la identidad de estos compuestos, se ve afectada cuando la planta está dañada. Las emisiones aumentan notablemente cuando se corta la hierba, y es la producción de compuestos que contienen seis átomos de carbono, y oxígeno, que causa el olor de la hierba recién cortada.

En primer lugar, vamos a considerar cómo se forman estos compuestos. Cuando el césped se daña mecánicamente, por una cortadora de césped o de otra manera, se activan enzimas en la hierba para empezar a romper las grasas y los fosfolípidos que están presentes. Esto conduce a la formación de ácidos linolénico y linoleico, que se oxidan y, posteriormente, se descomponen por otra enzima. El desglose divide la molécula en fragmentos que tienden a contener ya sea 12 o 6 átomos de carbono. Son estos fragmentos los que llevan el olor a hierba cortada.

El compuesto perfumado clave producido por este proceso es el cis-3-hexenal. El umbral de olor para este compuesto (la cantidad de la misma que tiene que estar presente para que la nariz humana sea capaz de detectarla) es mas bajo que 0,25 partes por billón, lo que significa que no es necesaria una alta concentración para que el olor sea notable. Como compuesto es bastante inestable, por lo tanto se reorganizará con relativa rapidez a trans-2-hexenal. Este compuesto se lo conoce como Aldehído de hoja, y tiene un umbral de olor más alto. Junto con el Alcohol de hoja (cis-3-hexen-1-ol), se producen industrialmente a gran escala para su uso en las industrias de perfumería y tecnología de los alimentos.

Hay una serie de sugerencias en cuanto a la finalidad de esos compuestos que emite la hierba cuando está dañada. Son activas contra una gran variedad de bacterias, por lo que una de las funciones que realizan pueden ser la protección de la planta contra las bacterias y permitir que el corte termine de sanar. También se liberan esos compuestos cuando los insectos dañan una planta. Estos volátiles atraen tanto a insectos parásitos y depredadores que son enemigos naturales de los herbívoros. También pueden inducir respuestas de defensa en las plantas vecinas. Esos productos químicos, que funcionan en la comunicación entre dos o más especies, así como los que sirven como mensajeros entre los miembros de la misma especie, son llamados semioquímicos (del griego "semeion", una marca o señal) ( Derecho y Regnier, 1971) .

Como dato interesante, el siguiente estudio de 2002 "AIR POLLUTION AND THE SMELL OF CUT GRASS" sugiere que los compuestos liberados por la hierba cortada pueden contribuir a la formación de smog y a la contaminación del aire.

Ahora, como actividad: 
-Representa con fórmulas estructurales a todos los compuestos orgánicos volátiles que se señalan en el texto anterior e indica a que función orgánica pertenecen.
-Realiza una historieta con personajes y moléculas animadas para explicar la formación de compuestos orgánicos volátiles (VOC) que se producen cuando se corta el césped y su interacción con los seres vivos y el ambiente.


Referencias:

-Brunning, Andy (2014) "What Causes The Smell of Fresh-Cut Grass?". Compound Chem. UK. Disponible en: http://www.compoundchem.com/wp-content/uploads/2014/04/Aroma-Chemistry-Smell-of-Freshly-Cut-Grass.pdf

-Cotton, Simon. "cis-3-HEXENAL, trans-2-HEXENAL and 'GREEN GRASS' SMELL". Disponible en: http://www.chm.bris.ac.uk/motm/hexenal/hexenalh.htm

-Fall, Ray; Karl, Thomas; Hansel, Armin; Jordan, Alfons; Lindinger, Werner (1999)" Volatile organic compounds emitted after leaf wounding: On-line analysis by proton-transfer-reaction mass spectrometry". Journal of Geophysical Research. Australia. Disponible en inglés en: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/1999JD900144/pdf

-Kirstine, Wayne; Galbally, Ian; Hooper, Martin (2002) "AIR POLLUTION AND THE SMELL OF CUT GRASS". North Country Notes. Australia. Disponible en: http://northcountrynotes.org/jason-rohrer/natureOnTrial/cut_grass_pollution.pdf

-Kirstine, Wayne; Galbally, Ian; Ye, Yuerong; Hooper, Martin (1998) "Emissions of volatile organic compounds (primarily oxygenated species) from pasture". Journal of Geophysical Research. Australia. Disponible en inglés en: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/97JD03753/epdf

-Muy interesante. "¿A qué huele el césped cortado?". Disponible en: http://www.muyinteresante.es/curiosidades/preguntas-respuestas/ia-que-huele-el-cesped-cortado

-Paré, Paul W. and Tumlinson, James H.(1999) " Plant Volatiles as a Defense against Insect Herbivores". American Society of Plant Physiologists. Disponible en inglés en: http://www.plantphysiology.org/content/121/2/325.full

Los Volcanes de Lodo de Azerbaijan y un problema de estequiometría de composición

Una relación entre Ciencias de la Tierra, Mitología y Química Analítica.

Vulcano

Sabemos que muchos pueblos y tribus originarias de la Antigüedad adoraban a monstruos o divinidades fantásticas y personificaban a la naturaleza como algunos cuerpos del cosmo o estructuras hidrogeológicas de la Tierra (montañas, volcanes, ríos, mares, etc.). Le debemos a éstas creencias los nombres de cosas pequeñas hasta grandes estructuras, como el vocablo "volcanes". La palabra Volcán proviene del latín "Vulcanus". Vulcano es un dios en la mitología romana, hijo de Júpiter y Juno y esposo de Venus. Era dios del fuego y los volcanes, forjador del hierro y creador de armas y armaduras para dioses y héroes. Según la mitología romana la fragua de Vulcano se encuentra situada bajo el Monte Etna, en la isla italiana de Sicilia, o bajo la isla eolia de Vulcano, en el mar Tirreno. Vulcano corresponde a Hefesto en la mitología griega.
Estas representaciones mitológicas, obviamente configuran una idea fantástica de lo que presuntamente es un volcán. La creencia popular tiene una idea menos mística pero cerrada, muchas veces definen un volcán como una montaña majestuosa en forma de cono y que posee un cráter por donde emerge lava incandescente y ceniza. Se sabe actualmente que existen volcanes sin cono ni cráter definidos y otros no necesariamente se ubican en límites de placas tectónicas, hay volcanes de 30 metros de altura e islas originadas por volcanes.

"Lava": Disney Pixar short film

Por consiguiente, para la ciencia la definición es mucho más amplia, los volcanes son estructuras geológicas por las que emergen magma en forma de lava, muchas veces acompañado de volúmenes variables de gases, vapores y rocas piroclásticas o cenizas provenientes del interior de la tierra. Los volcanes son diferentes a las montañas porque no se forman por plegado, los volcanes comunes son construidos por la acumulación de sus propios productos eruptivos. El término volcán también se refiere a la apertura o ventilación a través del cual se expulsa la roca fundida y gases o vapores asociados. Entonces los volcanes de lodo podrían ser clasificados como volcanes, aunque no todos son naturales porque existen algunos originados por la acción industrial del hombre, y por lo tanto éstos últimos no están relacionados con las verdaderas formaciones volcánicas. Sin ahondar aún más en ese debate, analicemos químicamente a éstos volcanes de lodo. 
Pero para ello propongo resolver un problema de estequiometría de composición de Química Analítica relacionado con el tema de los volcanes de lodo, que se propuso como preparación previa de alto nivel a los jóvenes participantes de la Olimpiada Internacional de Química de Baku 2015. Para comprenderlo y resolverlo debes poseer conocimiento previos de Química General y Analítica, Mineralogía, Química de los compuestos de coordinación.

Volcán de lodo en la Reserva Natural del Estado en Azerbaijan

Azerbaiján es conocida en todo el mundo como la única región donde están desarrollados los volcanes de lodo. De los 800 volcanes de lodo conocidos en el planeta, cerca de 400 se encuentran en el Este de Azerbaiján y la zona que bordea el Mar Caspio. Los volcanes de lodo de Azerbaijan tienen una variedad de formas y tamaños, pero los más comunes tienen varios conos pequeños o respiraderos de hasta unos cuatro metros de altura. Las erupciones volcánicas de lodo en Azerbaiyán normalmente tienen una duración de menos de un par de horas, y se caracterizan por una extrusión vigorosa de brechas de lodo, gases de hidrocarburos y agua.
Bakhar es un volcán de lodo con una alta actividad de filtrado durante el estado latente. Los embalses formados por la actividad de los volcanes contienen el agua expulsada. Esos volcanes de Bakhar tienen una composición dominante de iones Na y Cl. Los sistemas acuosos analizados son enriquecidos con metales y con un elemento X que causa coloración a la llama. Su concentración de 250 ppm en agua filtrada representa un enriquecimiento de 55 veces en comparación al agua de mar. Cuando se concentra aún más, se obtienen cristales de color blanco del agua expulsada de los volcanes, entre ellos el compuesto Y, una de las principales fuentes de X. El óxido común de X contiene 31.0% del elemento, mientras que el compuesto Y solamente 11,3%.
1. ¿Cuál es el elemento X y el compuesto Y?
2. Calcular la masa de Y que se puede obtener a partir de 1 L de agua expulsada.
3. La pérdida de masa bajo calentamiento suave de Y es del 37,8%. Dibuja una posible estructura del anión en Y, sabiendo que contiene dos tipos diferentes de átomos X (coordinación tres y coordinación cuatro).


Resolución
1. La fórmula general de un óxido es:

    La relación molar de X y O es:

n = 0,5; 1; 1,5; 2 etc.

n = 0,5 da M (X) = 3,6: no existe ningún elemento.

n = 1 da M (X) = 7,2; Li, pero no existe en el estado de oxidación +2.

n = 1,5 da M (X) = 10,8, B. El boro generalmente existe en estado de oxidación +3. X es B.

En solución acuosa, el boro forma especies oxoaniónicas, el contraión puede ser el ión sodio como uno de los iones dominantes en agua expulsada de los volcanes de lodo. El mineral de boro común que contiene sodio es el bórax, que contiene 11,3.% (en peso) de boro.

2. La densidad de la solución diluida es 1 kg / L, a continuación, 1 ppm es 1 mg / L, 250 ppm es de 250 mg de boro. La masa de bórax es: m = 250 / 0.113 = 2212 mg = 2,2 g.

3. La pérdida de masa bajo calentamiento suave de bórax es 37,8% que corresponde a la pérdida de 8 moléculas de agua.

El anión en Y :

contiene dos átomos de boro con coordinación 3 y dos átomos de boro con coordinación cuatro.

Referencias:
-Eremin, Vadim; Gladilin, Alexander (2015) "Preparatory problems by 47th International Chemistry Olympiad (IChO-2015)". Moscow State University, Baku Branch, Azerbaijan.

-State Nature Reserve of the Mud Volcanoes. Disponible en: http://www.azerbaijans.com/content_484_en.html

-Tarbuck & Lutgens. (2005)."Ciencias de la tierra, una Introducción a la Geología física". Pearson Ed.
-Tilling, Robert (1997) "Volcanoes". Disponible en inglés en: http://pubs.usgs.gov/gip/volc/

And the winner is.....Helium

Estuvo por detrás del premio Nobel de 1913 y de tres Oscars de la Academia de Hollywood en 2010 y 2014. Es el principal protagonista en el Albuquerque International Ballon Fiesta de Nuevo Mexico (EEUU) y de otros festivales de América y Europa. Recientemente, en el mes de julio de 2015, hizo despegar por el aire de Calgary (Canadá) a un joven de 26 años que iba sentado muy feliz en una silla de plástico de Us$ 20, si bien el chico terminó con vida y en la cárcel, fue más afortunado que el sacerdote brasileño Adelir Antonio de Carli en 2008 que intentaba batir record de permanencia en el aire como Mr. Carl Friedricksen del film "Up in the air" de Pixar Animations.

"Helium" es un emotivo short film danés ganador de un Oscars en 2014

Si hay un elemento químico que le gusta salir en tv, cine y ganar premios: ese es el Helio. El chico rebelde y ligero de la tabla periódica.
El Helio fue descubierto por Sir William Ramsay en Londres, y de forma independiente por Per Teodor Cleve y Nils Abraham Langlet en Uppsala, Suecia. El nombre deriva del griego, 'helios "que significa sol, porque se detectó en esa estrella por sus líneas espectrales muchos años antes de que se encontrara en la Tierra. Macroscópicamente es un gas incoloro e inodoro y es totalmente no reactivo, es decir no se combina ni con el oxígeno del aire y por lo tanto no es combustible. Debido a su baja densidad se utiliza a menudo para llenar globos decorativos, globos meteorológicos y dirigibles. Aunque el uso desconsiderado para realizar aventuras por el aire al estilo del film "Up" puede ser muy peligroso.

Joven que voló en una silla atada a 100 globos de helio y terminó preso en julio de 2015

El Helio tambien puede licuarse y posee muchas aplicaciones importantes para la industria. Kamerlingh Onnes fue el primer científico que pudo dominar al rebelde y ligero Helio, trabajó durante muchos años para licuar el elemento que persistió como un gas a muy baja temperatura. Usó aire líquido para producir hidrógeno líquido y luego con el hidrógeno en el aparato licuación, produjo cerca de 60 centímetros cúbicos de helio líquido el 10 de julio de 1908. Su punto de ebullición se encontró que era 4,222 K (−268,928°C). Onnes recibió el Premio Nobel de Física en 1913 por sus investigaciones sobre las propiedades de la materia a bajas temperaturas lo que llevo, entre otras cosas, a la producción de helio líquido.
Cuando el helio se enfría a una temperatura crítica de 2,17 K (llamado su punto lambda), se produce una discontinuidad notable en la capacidad de calor, la densidad de gotas del líquido, y una fracción del líquido se convierte en una viscosidad cero "superfluido". La superfluidez surge de la fracción de los átomos de helio que se han condensado a una energía más baja posible.
Una aplicación importante del helio líquido ha sido en el estudio de la superconductividad y para las aplicaciones de imanes superconductores.

Helio líquido, superfluido

El helio tambien se utiliza como un medio de refrigeración para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), y los imanes superconductores en escáneres de resonancia magnética y espectrómetros de RMN. También se utiliza para mantener frescos los instrumentos satelitales y para enfriar el oxígeno líquido e hidrógeno que alimenta los vehículos espaciales Apolo.
Debido a que es no reactivo, el helio se utiliza para proporcionar una atmósfera protectora inerte para la fabricación de fibra óptica y los semiconductores, y para la soldadura por arco. El helio se utiliza también para detectar fugas, tales como en sistemas de aire acondicionado de automóviles, y porque se difunde rápidamente se utiliza para inflar bolsas de aire de automóviles después del impacto.
Una mezcla de 80% de helio y el 20% de oxígeno se utiliza como una atmósfera artificial para los buzos de aguas profundas y otras personas que trabajan en condiciones de presión.
Los láseres de gas helio-neón se utilizan para escanear códigos de barras en cajas de los supermercados. Un nuevo uso para el helio es un microscopio de helio-ion que proporciona mejor resolución de imagen de un microscopio electrónico de barrido.
Así, el helio además de ser un elemento principal en el Sol, no solo tiene utilidad para inflar globos de cumpleaños y hacer volar a fanáticos de Up, sino que tiene múltiples propiedades y usos en la Industria actual y del futuro que desconocemos.

Esta entrada participa en el XLIX Carnaval de la Química alojado en el blog Radical Barbatilo de @JGilMunoz

Referencias:

John Emsley, Nature’s Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements, Oxford University Press, New York, 2nd Edition, 2011.
J. S. Coursey, D. J. Schwab, J.J. Tsai, and R. A. Dragoset, Atomic Weights and Isotopic Compositions(version 3.0), 2010, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, accessed December 2014.
Liquid Helium. HyperPhysics. Georgia State University. Disponible en: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/lhel.html#c3
Periodic Table. Royal Society of Chemistry. Disponible en: http://www.rsc.org/periodic-table/element/2/helium
Tables of Physical & Chemical Constants, Kaye & Laby Online, 16th edition, 1995. Version 1.0 (2005), accessed December 2014.
"The Nobel Prize in Physics 1913". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 12 Jul 2015. <http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1913/>
Thomas Jefferson National Accelerator Facility - Office of Science Education, It’s Elemental - The Periodic Table of Elements, accessed December 2014.
T. L. Cottrell, The Strengths of Chemical Bonds, Butterworth, London, 1954.
W. M. Haynes, ed., CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, 95th Edition, Internet Version 2015, accessed December 2014.

¿Comer arándanos realmente ayuda a ver mejor en la oscuridad?

Los arándanos son superestrellas entre los defensores de la comida sana, los especialistas en el tema no solo explican que el consumo de ésta fruta promueve la salud del corazón y memoria, mejora la digestión y reduce sustancialmente el riesgo de padecer cáncer y diabetes tipo 2 (Ver referencias), sino también dicen que ayuda a mejorar la visión nocturna. Los científicos han realizado una mirada más cercana a ésta última afirmación y han encontrado motivos para dudar de que ésta baya popular ayude a las personas más saludables a ver mejor en la oscuridad. El informe aparece en la revista de Química Agrícola y Alimentaria de la Asociación Americana de Química ("Blueberry Effects on Dark Vision and Recovery after Photobleaching: Placebo-Controlled Crossover Studies"ACS' Journal of Agricultural & Food Chemistry).

Wilhelmina Kalt y sus colegas señalan que los estudios publicados décadas atrás arrojaron los primeros indicios de que los arándanos pueden mejorar la visión nocturna de la gente. Más tarde los experimentos de laboratorio parecían apuntalar estos primeros hallazgos. Por ejemplo, las antocianinas, que son un grupo de moléculas de pigmento en los arándanos y otras plantas, estimulan la regeneración de las moléculas claves en el ojo que se ocupan de percibir la luz. Pero revisiones más actuales de investigación clínica probaron el efecto de los arándanos en la visión nocturna de sujetos humanos y revelaron que esos estudios fueron mal controlados. El equipo de Kalt quería volver a examinar el asunto con un nuevo conjunto de experimentos cuidadosamente diseñados.
Los investigadores encontraron que una dieta suplementada con arándanos no mejora la vista en la oscuridad, pero si ayuda a los sujetos a recuperar la visión normal después de la exposición a una luz brillante. La mejora, sin embargo, era pequeña y probablemente no perceptible para las personas más sanas, concluyeron los investigadores. Pero añadieron que las antocianinas podrían mejorar la salud visual entre las personas que tienen trastornos oculares existentes, aunque esto aún no se ha demostrado con estudios bien diseñados.

Desde el punto de vista de la química, habíamos dicho que las antocianinas son un grupo de moléculas orgánicas que le dan el color natural a los arándanos, otros frutos azules/rojos/morados y otras plantas. Las antocianinas pertenecen a un gran y muy distribuido grupo de metabolitos secundarios, que se conocen colectivamente como flavonoides, igualmente nos limitaremos a las primeras.
El arándano posee las siguientes antocianinas: cianidina (E163a), delfinidina (E163b), peonidina (E163e), petunidina (E163f) y (E160a). La combinación de esos tipos de antocianinas dan origen al color auténtico del arándano. Las antocianinas siempre contienen una molécula de carbohidrato en su estructura, pero a continuación tenemos la estructura química de las antocianinas sin los enlaces glicosídicos, además de una comparación estructural con una animación ficticia.

La cianidina es un pigmento o colorante rojo muy abundante en flores como las rosas y en frutos rojos/morados como las moras, zarzamoras, frambuesas, uvas, cerezas, maíz morado, ciruelas y manzanas.

La delfinidina es un colorante azul muy abundante en flores como las violetas y delfinium, y en frutas como la variedad de uva Cabernet Sauvignon.

La peonidina es un colorante rojo-marrón muy abundante en berries azules y moradas como el calafate y otros frutos de la Patagonia Argentina, además en uvas y cerezas; y en flores como la gloria de la mañana y peonias.

Ahora, si observamos las anteriores estructuras químicas, las antocianinas son polifenoles y a causa de ello tienen propiedades antioxidantes (Ver estudio) y antiinflamatorias que pueden ayudar a disminuir el proceso inflamatorio asociado con enfermedades crónicas como las enfermedades cardiovasculares, el cáncer y otras enfermedades relacionadas con la edad (Ver referencias).

Volviendo a nuestra fruta de interés, el arándano no solo es famoso por poseer gran cantidad de antocianinas, otros flavonoides y fitonutrientes. Sino que tambien provee vitaminas, una porción de éste blueberry proporciona casi el 25% del requerimiento diario de vitamina C. Además contiene 10% de azúcares (Fructosa 48%), menos de 1% de aminoácidos y ácidos grasos. Todo ésto es insignificante frente al 84% de agua que posee, de todos modos al parecer las sustancias beneficiosas que contienen son suficientes y no importa que alguno de éstos micronutrientes no nos mejore la vista en la oscuridad si se obtiene todo un abanico de propiedades para mejorar la salud.

Imagenes: 
-Florida Blueberry Festival characters.
-Redfiqui & Redquim

Referencias:

-Kennedy, James. "All natural Blueberries". Visto el 22 de enero de 2015. Disponible en: https://jameskennedymonash.files.wordpress.com/2014/01/ingredients-of-all-natural-blueberries-poster1.pdf
-Kalt, Wilhelmina; McDonald, Jane E.;  Fillmore, Sherry A. E.; and  Tremblay, Francois (2014) "Blueberry Effects on Dark Vision and Recovery after Photobleaching: Placebo-Controlled Crossover Studies". J. Agric. Food Chem., 2014, 62 (46), pp 11180–11189. DOI: 10.1021/jf503689c. Publication Date (Web): October 22, 2014. Copyright © 2014 American Chemical Society. Disponible en: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jf503689c. Visto el 22 de enero de 2015.
-Prior R. L, Cao G., Martin A., Sofic E., McEwen J., O'Brien C., Lischner N.,Ehfenfeldt M., Kallt W., Krewer G, Mainland C.M. "Antioxidant capacity as influenced by total phenolic and anthocyanin content, maturity, and variety of Vaccinium species. J. Agric Food Chem 1998: 46 (7): 2686.93.
-U.S. Department of Agriculture. ARS 2012. National Nutrient Database for Standard Reference. Release 25.

-Wageningen University, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. "Antocianinas". Food-info. Disponible en: http://www.food-info.net/es/e/e163.htm. Visto el 22 de enero de 2015