Objetivo 1 Cómo reconocemos la vida? La vida tiene un esqueleto químico Lavoisier: azúcar alcohol C, O, H elementos principales Lavoisier, s. XVIII, el Padre de la Química moderna Marie Paulze y Antoine Lavoisier Retrato de J-L David P&D biosfera: El fenómeno de la vida en la tierra 1
Pero alguien ha visto carbono? El esqueleto de la vida
Elementos asociados a diferentes estados de la vida de una estrella. Las estrellas nacen cuando comienzan a fusionar hidrógeno para formar helio. El Sol, que se encuentra en su fase principal, está sobre todo generando helio. Las gigantes rojas generan los elementos señalados en rojo. En las supernovas se generan el resto de los elementos en azul.
La nebulosa del Cangrejo es la M1, el primer objeto no-cometa en la lista de Messier (s. XVIII). Es un remanente de supernova, la explosión de una estrella masiva, presenciada por astrónomos en 1054. El púlsar del Cangrejo gira 30 veces por segundo, es el punto brillante cerca del centro de la nebulosa. Como una dinamo cósmica, este remanente colapsado del núcleo estelar alimenta la emisión del Cangrejo en todo el espectro electromagnético. La nebulosa del Cangrejo abarca unos 12 años luz y se encuentra a sólo 6.500 años luz en la constelación Taurus.
H y estrellas Las estrellas, formadas principalmente por H. La fusión del mismo suele durar la mayor parte de su vida. Por ejemplo, el Sol es una estrella pequeña que lleva fusionando H unos 4,5 KMa y le quedan otros 5.000 millones de años haciendo lo mismo. Esquema de la reacción de fusión D-T Autor: Joaquín Sánchez, CIEMAT
Fabricas de C, O El helio, más pesado que el hidrógeno, se va concentrando en el centro de la estrella. Cuando el centro de ésta alcanza una temperatura muy alta, el helio es capaz de empezar a fusionarse para producir otros elementos, como el carbono o el oxígeno. Mientras esto ocurre, la estrella va aumentado de tamaño y enrojeciéndose. Se ha convertido en una gigante roja. Si la estrella era muy masiva, con el tiempo será capaz de fusionar carbono y oxígeno, para transformarlos en magnesio, sodio, fósforo, silicio e, incluso, hierro. L u m Tª Una estrella en la fase de gigante roja. Su nombre es Betelgeuse y se encuentra en la constelación de Orión (visible durante el invierno del hemisferio Norte). Betelgeuse se ha salido de la secuencia principal
Y después los elementos pesados Sólo las estrellas más masivas que acaban su vida como supernovas son capaces de producir elementos químicos más pesados que el hierro. En la explosión de supernova se produce la energía suficiente para que núcleos pesados absorban neutrones y protones, convirtiéndose en núcleos tan grandes como el de uranio.
La explosión de las estrellas mezclan y expanden los elementos en el espacio formando nuevas estrellas o planetas. Nuestro planeta, con tal diversidad de elementos químicos nació de la nube de gas y polvo de varias explosiones de supernovas somos polvo de estrellas 8
EL SEXTO ELEMENTO: 12 C Como otros elementos se forma en las estrellas por el proceso triple-alpha (Centro de Astrofísica-Supercomputadores Swinburne, Nguyen, Michigan) En las viejas estrellas que han quemado su H, se acumula He sobrante. Cada nucleo de He tiene 2 protones y 2 neutrones. A altas Tª mayores de 100,000,000 Kelvin (179,999,540.6 F) el núcleo de He comienza a fusionarse, primero formando un nucleo inestable de Be de 4 protones, y, cuando hay suficiente Be, se fusiona un atomo de Be con He, dando C: carbono. 9
http://www.xtal.iqfr.csic.es/cristalografia/index.html somos polvo de Entre otras estrellas El carbono tiene una gran capacidad de combinarse consigo mismo formando cadenas, redes y anillos, las moléculas de carbono se unen fácilmente con el H y el O y estos productos son solubles en agua por lo que se transportan fácilmente. 10
Elementos biogénicos Y el Carbono es el principal elemento de los seres vivos C H N O H P H C H S Metano CH 4 H 11
Los elementos de la materia viva Carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno son elementos de pequeña masa atómica y tienen variabilidad de valencias, formando entre sí enlaces covalentes fuertes y estables, que permiten formar gran variedad de moléculas P&D biosfera: El fenómeno de la vida en la tierra 12
Un repaso a la tabla periódica de los Recordamos que se forman en distintas fases de la vida de las estrellas elementos
tpe tpe fase estrella roja
C y N El C y el N presentan la misma afinidad para unirse tanto al Oxígeno como al Hidrógeno: pasan con la misma facilidad del estado oxidado (CO2, HNO3) al reducido (CH4, NH3). De gran importancia en los procesos de oxidación reducción, base de muchas reacciones químicas. El primer enfoque de la oxidación y reducción, consiste en la adición de oxígeno para formar un óxido (oxidación) o la eliminación de oxígeno (reducción). Siempre se presentan juntos. Por ejemplo, en la quema de hidrógeno 2H 2 + O 2 -> 2H 2 O el hidrógeno se oxida y el oxígeno se reduce. P&D biosfera: El fenómeno de la vida en la tierra 15
La combinación de nitrógeno y oxígeno que se produce a altas temperaturas sigue el mismo patrón. N 2 + O 2 -> 2NO Esta formación de óxido nítrico oxida el nitrógeno y reduce el oxígeno. En algunas reacciones, la oxidación es más destacada, como por ejemplo, en la combustión de metano, CH 4 + 2O 2 -> CO 2 + 2H 2 O ambos carbono e hidrógeno se oxidan (ganancia de oxígeno). La consiguiente reducción de oxígeno es más fácil de ver cuando se describe la reducción como la ganancia de hidrógeno.
El C, H, O y N (por tener de 4 a 6 electrones en su última capa) presentan variabilidad de valencias y por ello forman con facilidad enlaces covalentes. A su vez son los elementos más pequeños (tienen pesos atómicos bajos) capaces de formar enlaces covalentes estables. La estabilidad de un enlace covalente está en relación inversa con el tamaño del átomo. C y N P&D biosfera: El fenómeno de la vida en la tierra 17
Los átomos de carbono establecen con facilidad enlaces covalentes sencillos, dobles o triples entre ellos P&D biosfera: El fenómeno de la vida en la tierra Enlaces covalentes Carbono 18
Los átomos de carbono establecen con facilidad enlaces covalentes sencillos, dobles o triples con los de hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, azufre, etc., dando lugar a cantidad de grupos funcionales que pueden reaccionar entre sí y originar nuevas moléculas orgánicas con diversos grupos funcionales. Todo ello resulta útil para las continuas transformaciones que sufre la materia de los seres vivos en su metabolismo. Biomoléculas P&D biosfera: El fenómeno de la vida en la tierra Enlaces covalentes Carbono 19
Los átomos de carbono establecen con facilidad enlaces covalentes sencillos, dobles o triples con los de hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, azufre, etc., dando lugar a cantidad de grupos funcionales que serán el esqueleto de las principales moléculas orgánicas Biomoléculas P&D biosfera: El fenómeno de la vida en la tierra Enlaces covalentes Carbono 20
Biomoléculas P&D biosfera: El fenómeno de la vida en la tierra Enlaces covalentes Carbono 21
Por otro lado, los enlaces carbono -carbono son estables y forman largas y variadas cadenas carbonadas:. Cadenas lineales con todo tipo de enlaces. Cadenas ramificadas Cadenas cíclicas, cuando los extremos de la cadena aparecen unidos entre sí dando origen a estructuras cíclicas o anillos. C y N P&D biosfera: El fenómeno de la vida en la tierra 22
Para que haya vida es preciso el agua