Què és l’ebullició?

L’ebullició és un fenòmen que no pel fet d’haver-lo vist mil vegades és menys interessant, tot el contrari! Ara bé, per entendre’l cal saber una sèrie de coses abans, així que comencem pel començament.

Tots sabem que l’aigua s’evapora, si deixem un plat amb aigua al sol durant el temps suficient aquesta aigua “desapareixerà”, o molt millor dit, aquesta aigua s’evaporarà passant de líquid a vapor.

Però, per què s’ha evaporat aquesta aigua?

Imagineu-vos l’aigua com a una gran quantitat de mol·lècules que es mouen aleatòriament. Un got d’aigua sembla que no es mogui, però si el poguéssim mirar amb un microscopi molt potent veuríem que les mol·lècules del líquid no paren de córrer amunt i avall, sense ordre ni concert i canviant de direcció només quan col·lisionen entre elles o amb les parets.

No és res estrany que una mol·lècula corri ràpidament cap a la superfície i hi impacti amb suficient energia com per escapar del líquid i esdevenir vapor: aquesta mol·lècula s’haurà evaporat.

Imagineu-vos ara aigua en un recipient tancat on n’hem fet el buit (és a dir, pressió 0) i on hi hem col·locat un manòmetre per medir la pressió. El què passarà és sorprenent però si heu entès el què acabo d’explicar és força obvi.

A mesura que passi el temps la pressió que ens mostra el manòmetre anirà pujant, el motiu és simple: el líquid està evaporant-se i cada cop hi ha més vapor fent pressió (xocant) amb les parets del recipient.

Però arribarà un punt on la pressió s’estabilitzarà i deixarà de pujar, per què? El protagonista d’aquest segon fenòmen és la condensació: el fenòmen contrari a l’evaporació, imagineu-vos el recipient, a sobre de l’aigua hi ha tot el vapor d’aigua que s’ha evaporat, format per moltes mol·lècules d’aigua que es mouen aleatòriament. No sembla descabellat pensar que alguna d’aquestes mol·lècules pot impactar amb l’aigua i quedar-hi atrapada: aquesta mol·lècula haurà condensat, o el que és el mateix, haurà passat de vapor a líquid.

I el cert és que això passa, quan la pressió deixa de pujar no significa que no s’evaporin més mol·lècules: significa que s’evaporen tantes mol·lècules com en condensen, de manera que als nostres ulls no passa res però a dins del recipient s’hi està produint evaporació i condensació.

Doncs bé, aquesta pressió “màxima” s’anomena pressió de vapor i és característica de cada substància a cada temperatura. En les substàncies més volàtils (com ara l’alcohol) la pressió de vapor és superior perquè les mol·lècules estan menys aferrades entre elles. D’altra banda, aquesta pressió augmenta amb la temperatura, el motiu és simple, quan escalfem un líquid li donem energia, és a dir, fem que les mol·lècules del líquid corrin més, i el fet de fer que corrin més fa que més mol·lècules arribin a la superfície del líquid amb suficient energia (velocitat) com per escapar-ne i evaporar-se.

Doncs bé, entesos aquests conceptes ja podeu entendre què és l’ebullició.

Torneu-vos a imaginar un líquid, aquest cop en una olla. Com ja sabeu, les mol·lècules del líquid es mouen aleatòriament, amunt i avall, amunt i avall… però de cop i volta, per capritxos de l’atzar, tot de mol·lècules col·lisionen en un sol punt i se n’allunyen ràpidament: durant uns breus instants de temps en aquest punt del líquid s’hi farà un petitíssim forat on no hi haurà aigua!

I ara ve l’interessant: aquest forat buit a dins del líquid és el mateix que el nostre recipient tancat amb aigua de dins: les mol·lècules d’aigua líquida del voltant d’aquest forat poden evaporar-se a dins d’aquest forat i omplir-lo de vapor d’aigua.

A temperatures baixes les pressions de vapor de l’aigua són molt baixes, de manera que la pressió atmosfèrica explota aquests forats. Però si escalfem la nostra aigua la pressió de vapor d’aquesta augmenta, de manera que cada cop hi ha més vapor a dins d’aquests forats de buit.

Si escalfem suficientment el nostre líquid arribarà un moment on aquests forats buits que s’hi fan tinguin suficient pressió com per aguantar la pressió atmosfèrica. Quan la temperatura del líquid arribi a aquesta pressió el líquid començarà a bullir!

En el cas de l’aigua, la temperatura que fa que la pressió a dins d’aquestes bombolles sigui d’una atmosfera és… sí! 100°C! És per això que l’aigua bull a 100°C, a menors temperatures els forats de buit no arriben a una pressió suficient per sobreviure a la pressió atmosfèrica.

Espero que tot plegat us hagi sorprès tant com quan m’ho van explicar a classe fa un parell de setmanes

Com saber la hibridació d’una molècula

NOTA: Aquesta entrada no és una entrada comuna, si no heu arribat aquí buscant justament el què diu el títol segurament no us semblarà gens interessant. El cert és que faig aquesta entrada per a qui estigui en la mateixa situació que jo ahir: intentant entendre la geometria de les mol·lècules i la seva hibridació segons la Teoria de l’Enllaç de València.

La manera de fer-ho és molt més fàcil del què s’acostuma a ensenyar (fer configuracions electròniques, mirar si caben o no caben els electrons, si queda la molècula d’acord amb el fet experimental, etc.), la manera ràpida de mirar-ho es basa en l’anomenat nombre estèric.

El nombre estèric d’un àtom es defineix com a la suma dels àtoms amb que està enllaçat més el nombre de parells d’electrons lliures, tenint en compte que un electró desaparellat també compta com a 1.

Per exemple, el nombre estèric del N en l’amoníac és 4: 3 àtoms als quals està enllaçat més un parell d’electrons lliures.

El nombre estèric de l’oxigen a la mol·lècula d’aigua és 4: 2 àtoms als quals està enllaçat més dos parells d’electrons lliures.

Un cop es té el nombre estèric per saber la hibridació i per tant la geometria només cal conèixer la següent taula:

Seguim amb l’amoníac, si hem quedat que té nombre estèric 4 llavors la seva hibridació és sp3, fantàstic! L’amoníac presenta una forma tetrahèdrica. També funciona amb l’aigua, hem quedat que l’oxígen de l’aigua tenia nombre estèric 3, per tant fa hibridació sp2, fantàstic!

Per a que vegeu que això funciona sempre anem a fer una mol·lècula més divertida, la tetraciclina, un tipus d’antibiòtic:

Anem a mirar la hibridació del carboni 1. Té tres àtoms enllaçats i cap parell d’electrons lliures, per tant té nombre estèric 3, si mirem la taula veiem que té una hibridació sp2. (Pels 4 primers nombres estèrics va bé restar-ne un i ja es té el tipus d’hibridació).

Mirem el oxígen 2, té un àtom enllaçat i dos parells d’electrons lliures, té, per tant, nombre estèric 3. És a dir, fa hibridació sp2.

També podem mirar el nitrogen 1, té tres àtoms enllaçats (dos hidrògens i un carboni) i, a més, té un parell d’electrons lliures. Per tant té nombre estèric 4 i hibrida sp3.

Com veieu és un algorisme de molt fàcil execució, espero que us sigui útil!

Hi ha un límit de temperatura?

Fa un temps vaig escriure sobre la mínima temperatura assolible: -273,15°C. Aquesta temperatura la van descobrir Charles i Gay-Lussac amb els seus experiments amb gasos fa uns 200 anys, però per saber quina és la màxima temperatura aconseguible va fer falta l’arribada de la mecànica quàntica i la relativitat especial d’Einstein.

En primer lloc, quan diem que fa calor és que els mol·lècules del gas es mouen molt ràpidament, per exemple, si tinguéssim una mol·lècula d’oxígen sola en una habitació a 20°C es mouria a uns 480m/s, si escalféssim l’habitació fins als 1000°C es mouria a 990m/s.

Fins a l’arribada de la mecànica quàntica i la relativitat els científics es pensaven que la temperatura no tenia un límit superior. Però segons la relativitat especial d’Einstein, la velocitat màxima que pot assolir una partícula amb massa és de 300.000km/s. Això és així perquè segons la dilatació de la massa relativista, a mesura que una partícula augmenta la seva velocitat també augmenta la seva massa, i per passar de 299.999km/s a 300.000km/s l’energia necessària seria infinita.

Doncs bé, la temperatura màxima és aquella on les mol·lècules es mourien a la velocitat de la llum, de fet, si les partícules del gas es moguessin a aquesta velocitat cada una crearia el seu propi forat negre. Calcular aquesta temperatura no és trivial, concretament és de 5,18×10^29°C. Una temperatura molt difícil d’imaginar, més que res perquè no es pot expressar en camps de futbol.

D’altra banda, i pels que heu arribat aquí sabent una mica de tot això. Al calcular la temperatura màxima jo he comès un error que penso que és fàcil de cometre, es força conegut que a partir de la llei dels gasos ideals (PV=nRT) es dedueix que Ec(mitja)i=(3/2)*K*T. Doncs bé, no hem de caure en l’error d’aillar la temperatura en aquesta fórmula i posar una velocitat de 300.000.000m/s. Aquesta fórmula és molt vàlida per a velocitats baixes, però no contempla els efectes relativistes com l’augment de la massa, de manera que a velocitats altes falla i s’ha de trobar considerant els efectes relativistes.

L’engany de la homeopatia

Cada vegada que sento que algú s’intenta curar alguna cosa mitjançant homeopatia em bull la sang, però encara em bull més quan segueix gastant-s’hi els diners un cop li he explicat perquè el què s’està prenent és aigua.

Història

La homeopatia va ser desenvolupada pel metge Samuel Hahnemann a principis del segle XIX. En aquella època els coneixements científics de medicina eren molt baixos, de manera que el seu sistema va ser ben acollit.

Fins aquí bé, el problema arriba quan avui en dia se segueix usant la homeopatia per a curar tot i que les evidències científiques mostren que un preparat homeopàtic és només aigua i que no cura més que un placebo qualsevol.

Com “funciona” la homeopatia?

La homeopatia es basa en dos principis:

• Dilució: La substància activa (la cura), ha de ser altament diluïda per augmentar la seva eficàcia.

• Similitud: Es basa amb que els efectes d’una substància tòxica es poden curar amb la mateixa substància tòxica. Vindria a considerar el mateix que les vacunes però sense el rigor científic d’aquestes.

Procedeixo a explicar per què els dos principis són dues bestieses:

Dilució

Si us fixeu amb els preparats homeopàtics sempre porten una indicació com ara 10DH o 10CH i fins i tot 200CH.

DH significa dilució decimal i significa que s’agafa 1 gram del principi actiu i es dissol amb 9 grams d’aigua, d’aquesta dissolució se n’agafa un gram i es dissol amb uns altres 9 grams d’aigua. I així tantes vegades com el nombre indica.

CH significa dilució centessimal i es fa el mateix que amb DH però en cada pas es dissol amb 99 grams d’aigua enlloc de amb 9.

La majoria de preparats homeopàtics són CH30, però n’hi ha fins a CH200.

Alguns preparats homeopàtics tenen com a principi actiu alguna planta com la phytolacca, l’arnica o la belladona; algunes d’elles tòxiques, per sort quan ens ho bevem només hi queda aigua.

Bé, avui en dia disposem d’eines químiques molt potents com ara el concepte de mol i l’estequiometria que ens permeten veure clarament que l’homeopatia no és més que aigua. Ara bé, no podem culpar al creador de l’homeopatia per no conèixer la llei d’Avogadro, tot i que es va publicar mentre ell era viu.

Com que fer els càlculs amb els compostos de les plantes seria molt llarg he fet els càlculs amb un preparat homeopàtic encara més divertit, el conegut com a Natrum muriaticum i que té com a principi actiu… sal comuna!

Però no us penseu pas que n’hi hauria prou amb prendre sal de cuina per curar-vos, com diu el segon principi de l’homeopatia s’ha de diluir per tal de que la sal ens pugui curar! La pega es que de tant diluir-la ni tant sols hi queda sal: hi queda aigua.

Bé, el Natrum muriaticum és CH30, així que anem a fer els càlculs:

Un gram de sal conté 1,03×10²² mol·lècules de sal. Si diluïm aquest gram de sal en 99g d’aigua obtenim una dissolució amb 1,03×10²² mol·lècules de NaCl.

Per a fer el CH2 agafem un gram d’aquesta primera dissolució CH1, és a dir, agafem un centè de mol·lècules de NaCl i obtenim una dissolució CH2 amb 1,03×10²° mol·lècules de NaCl

Si fem això trenta vegades:

Com podeu veure, fins a la dotzena dissolució hi ha almenys una mol·lècula d’aigua, però què passa quan passem de la dotzena a la tretzena dissolució?

Doncs passa que per fer la dissolució 13CH hem d’agafar un gram del preparat de la dissolució 12CH, però al haver-hi només una mol·lècula de sal en 100 grams, la probabilitat de que agafem només aigua és del 99%. És a dir, hem de tenir molta sort perquè la dissolució 13 tingui alguna cosa més que aigua.

Però òbviament podem tenir sort i agafar el gram, però al passar de la dissolució 13 a la 14 ens tornarem a trobar amb el mateix problema si no és que hem tingut mala sort i a la dissolució 13 només hi tenim aigua.

Com veieu és increïblement difícil que arribem a la dissolució 30 amb només que sigui una mol·lècula del compost inicial. De fet, la probabilitat de que la dissolució 30 tingui una mol·lècula del principi actiu inicial és del 0,000000000000000000000000000001%, o el què és el mateix, de cada cent mil bilions de bilions pacients, a un li tocarà un compost amb una mol·lècula de sal.

Imagineu-vos la probabilitat en un CH200!

Ridícul.

Similitud

El segon principi de la homeopatia és la similitud, els “teòrics” de la homeopatia raonen que el què és tòxic es cura amb la mateixa toxina. De fet diuen que la homeopatia vindria ser una mena de vacuna natural.

En primer lloc, és impossible que la homeopatia funcioni com una vacuna perquè en una vacuna l’antigen s’ha d’administrar en quantitats suficients per poder ser detectat pel sistema immunològic, cosa que òbviament no passa en el cas de la homeopatia.

I encara que s’administrés en quantitats suficients, tampoc té sentit administrar sal.

Però és que l’aigua té efecte memòria!

Òbviament els defensors de la homeopatia, davant de la demostració científica, s’inventen propietats inexistents com ara “la memòria de l’aigua”.

Jacques Benveniste va publicar el 1979 un article segons el qual l’aigua recorda el què ha tingut al seu voltant, de manera que la última dissolució, tot i no tenir cap mol·lècula del principi actiu, recorda que l’ha tinguda pel voltant.

No cal dir quin nivell de paranoia és aquest, jo no hi hauria perdut massa temps, però es van fer els experiments pertinents i van demostrar que la memòria de l’aigua simplement no existeix, el mateix han demostrar investigacions posteriors.

Espero que els qui defensen l’efecte memòria de l’aigua no beguin mai aigua, perquè ja se sap que prové del mar, i al mar hi van els residus dels nostres lavabos i tal. Suposo que o no beuen aigua o tenen clar que l’efecte memòria de l’aigua els està fent beure la seva pròpia merda.

Però l’homeopatia va curar el cunyat de l’amic del meu barber!

En primer lloc, sense homeopatia el mal de coll se’n va igual.

En segon lloc, l’efecte placebo existeix. En els assaigs clínics s’acostumen a agafar tres grups; a un se li administra la medicina que se sap que cura del cert (si és que existeix), al segon se li administra el fàrmac que es vol estudiar (homeopatia en aquest cas), i al tercer se li administra qualsevol placebo (com ara aigua amb sal, per posar un exemple).

Un fàrmac funciona quan cura més efectivament al grup que se li proporciona que al grup que pren el placebo i que al grup que pren la medicina tradicional. En el cas de la homeopatia això mai ha passat.

Així doncs recordeu: científicament la homeopatia és una bestiesa i experimentalment s’ha demostrat que no és més que efecte placebo. Punt.

NOTA: Per escriure aquesta entrada m’he basat bastant en aquesta entrada del blog ¿Qué me estás contando? Possiblement no he aportat gran cosa, però em feia il·lusió fer els càlculs i he aprofitat per a fer-ne una entrada.

La radioactivitat

Marie Curie va ser pionera en l’estudi de la radioactivitat, de fet va guanyar dos Nòbels pels seus estudis en això. El què ella no sabia és que el què estava fent, sense cap mena de protecció, era molt perillós.

La mort de Marie Curie no sembla que estigui relacionada amb les altes dosis de radioactivitat a que es va sotmetre, el que sembla una broma del destí és que morís de leucèmia, malaltia que avui en dia es tracta amb radioisòtops.Però malgrat la leucèmia no sembla que tingui com a motiu les radiacions a que se sotmetia, el que sí sabem del cert és que la seva salut va anar empitjorant al llarg dels seus estudis degut a la seva falta de precaucions.

De fet, els seus quaderns de notes encara avui són massa perillosos per estudiar-los sense proteccions.

Per què la radioactivitat és perillosa?

Quan una substància és radioactiva emet tres radiacions: l’alfa, la beta i la gamma.

Les radiacions alfa estan formades per nuclis d’heli, aquesta radiació és molt poc penetrant i es pot aturar amb un simple paper.

Però no per això l’hem de subestimar! Malgrat la radiació alfa és quasi totalment aturada per la capa superficial morta de pell i no arriba als nostres òrgans, si inhalem una substància radioactiva emissora de raigs alfa les cèl·lules dels nostres pulmons es poden danyar greument.

De forma semblant, si inhalem plutoni aquest s’oxida a Pu4+, el qual és químicament molt semblant al Fe3+. Això fa que el nostre organisme “s’equivoqui” i usi Pu4+ on hauria d’anar-hi ferro. Com que el Pu4+ s’excreta lentament es pot acumular i causar malalties com ara el càncer.

Les radiacions beta estan formades per electrons i són 100 vegades més penetrants que les radiacions alfa. Ara ja no n’hi ha prou amb un paper per aturar-les, ara calen 3mm d’alumini.

El motiu pel qual és més penetrant és perquè els electrons són molt més petits que els nuclis d’heli de les radiacions alfa, això fa que sigui menys probable que xoqui amb d’altres àtoms (com els de l’aire) abans d’arribar al nostre cos.

Quan ens arriba només penetra un centímetre abans que la nostra pell l’aturi. Això fa que difícilment ens pugui danyar els òrgans més interns però sí els més externs com els testicles, la mèdul·la òssia o les tiroides.

Per entendre què passa quan impacta una radiació beta imagineu-vos un electró impactant-vos a 270.000km/s; l’electró entrarà a dins vostre i anirà rebotant fins que perdi tota la seva energia. Però aquest electró va tant ràpid que té suficient energia com per arrencar electrons dels àtoms amb què va xocant.

Com us podeu imaginar, arrencar electrons dels àtoms que ens formen les proteïnes, les cadenes de nucleòtids i demès ens és força perjudicial, de fet és una bona manera d’augmentar les probabilitats de càncer.

Les radiacions gamma són les més penetrants de les tres, concretament 1000 vegades més que les beta i 10.000 vegades més que les alfa. Per aturar-les cal o un metre de formigó o 20 centímetres de plom.

Doncs bé, aquesta radiació electromagnètica és altament ionitzant, és a dir, fa el mateix que la radiació beta però en més quantitat i a tots els òrgans. És per això que és la radiació més perillosa de les tres que acostumen a alliberar les substàncies radioactives.

Quant triga a desaparèixer un material radioactiu?

Quan he dit que els quaderns de Marie Curie encara no es poden usar no he afegit que falta MOLT per a que es puguin usar sense perill.

En les substàncies radioactives es parla del període de semidesintegració. Aquest període és el nombre d’anys que triga una mostra de la substància radioactiva a ser la meitat de radioactiva, o el què és el mateix, a tenir la meitat de massa.

Per a que us en feu una idea, el període de semidesintegració del Carboni-14 és de 5.730 anys, poca cosa comparada amb el període de semidesintegració de l’urani-238… 4.510 milions d’anys!!!

Amb aquestes dades ja us podeu imaginar que quan els quaderns de la Marie Curie siguin usables tots els que estem a la Terra ara mateix estarem més que morts.

Per a calcular l’activitat radioactiva en funció del temps es fa servir la següent fórmula:

On:

A_t és l’activitat radioactiva en l’instant t.
A_0 és l’activitat radioactiva inicial.
t és el temps transcorregut.
lambda és la constant de desintegració radioactiva, pròpia de cada substància.

Jo he fet els càlculs pel carboni-14 i certament em dóna que el període de semidesintegració és de 5730 anys, però el més sorprenent és que el període de desintegració total és d’uns 65.525 anys! Òbviament no s’acostuma a tenir en compte aquest valor perquè al ser la funció exponencial durant molts anys la radioactivitat és quasi nula sense arribar a 0.

Us deixo el gràfic que he fet, com que l’activitat radioactiva és proporcional al nombre de nucleons de la substància i el nombre de nucleons de la substància és proporcional a la massa, només he hagut de canviar A_t i A_0 per massa restant i massa inicial per tenir el càlcul amb masses:

Veient aquest gràfic és obvi que els residus produïts a les centrals nuclears són un bon problema, els contenidors de residus radiactius d’alta intensitat, com ara el cesi-137 o l’estronci-90 emeten una radiació suficientment elevada com per matar a una persona en 4 segons.

Poca broma!

De gas a líquid i com

Fa uns dies vaig explicar en aquesta entrada per què augmenta l’energia cinètica (moviment), dels materials quan s’escalfen, ho vaig explicar de dues maneres; considerant la calor una ona i una partícula:

• Com a ona: Al ser la calor una ona electromagnètica, té un camp elèctric oscilant, de forma que els nuclis atòmics del nostre cos es desplacen en la direcció i el sentit el camp. Com més ràpid canvia el sentit del camp, més ràpidament els nostres àtoms es mouen d’un lloc a un altre, de tal forma que oscil·len (es mouen) i amb el fregament alliberen calor.

• Com a partícula (fotons): Els fotons de la radiació infrarroja arriben als àtoms del nostre cos i hi impacten, transferint-los-hi la quantitat de moviment. Us podeu imaginar el xoc d’un fotó amb el nostre cos com el xoc d’una canica a una bola de billar, la bola de billar no es mou perquè és molt gran però la canica li transfereix la quantitat de moviment. A mesura que els fotons van impactant es mouen els àtoms del nostre cos, i pel mateix motiu que abans, ens escalfem.

Bé, avui he fet una gràfica de com varia l’energia cinètica d’un gas quan n’augmentem la temperatura; la gràfica és aquesta:

Segurament entendreu la gràfica més clarament si enlloc d’energia cinètica hi poso la velocitat en m/s d’un gas tant abundant en l’aire com és el nitrogen:

Aquesta gràfica ens dóna força pistes per entendre els canvis de fase gas a líquid.

Les mol·lècules del gas pateixen unes forces intermoleculars o de Van der Waals que intenten ajuntar les mol·lècules perquè ocupin el mínim espai possible. Aquestes forces són independents de la temperatura.

Però les mol·lècules del gas també pateixen la dispersió provocada per l’agitació tèrmica de les mol·lècules, la qual augmenta amb la temperatura com mostra el gràfic anterior.

Doncs bé, un gas condensa a líquid quan les forces intermoleculars (que volen mantenir la substància unida) són més fortes que l’agitació tèrmica (les quals dispersen les mol·lècules de la substància)

Això pot passar per dos motius:

• Disminució de la temperatura. Com que l’agitació tèrmica disminueix quan disminuïm la temperatura i les forces intermol·leculars són independents de la temperatura, al disminuir la temperatura disminueix l’agitació tèrmica i les forces intermol·leculars tenen les de guanyar al tenir un rival més dèbil.

• Augmentant la pressió. Un gas no és més que mol·lècules corrent aleatòriament i que només canvien de direcció o sentit quan xoquen amb d’altres mol·lècules o amb les parets. Com us podeu imaginar, quan augmenta la pressió les mol·lècules de gas estan més juntes, de manera que les forces intermol·leculars es fan molt més intenses i poden superar més fàcilment l’agitació tèrmica.

I aprofitant que l’entrada s’ha penjat automàticament mentre jo estic de festa aprofito per desitjar-vos un bon any!

L’ordre de la naturalesa… o la termodinàmica?

Hi ha molts processos que ocorren de forma natural en un sentit però que necessiten de la nostra ajuda per tal de succeir-se en el sentit contrari. Per exemple, si deixem un glaçó de gel sobre la taula es desferà; si obrim un recipient que conté un gas, el gas s’expandirà; un bloc de metall calent es refreda a l’aire lliure, etc.

Fins que la ciència estava relativament desenvolupada aquests tipus de fenòmens, al igual que mols altres, es raonaven dient que la naturalesa tenia “una tendència a”. Així que podríem dir que el gel té tendència a desfer-se, que els gasos tenen tendència a ocupar el màxim volum possible i que els objectes calents tenen tendència a refredar-se.

Però tot això són explicacions molt pobres i a mesura que la ciència ha anat avançant s’han pogut millorar. En particular, les preguntes que he plantejat es responen amb la segona llei de la termodinàmica.

La termodinàmica és la branca de la física que estudia els efectes dels canvis de la temperatura, pressió i volum dels sistemes físics a un nivell macroscòpic. La termodinàmica té una llei 0 i les anomenades tres lleis de la termodinàmica, la segona llei és la que ens explica perquè tot el què he exposat abans passa en un sentit espontàniament (el gel es desglaça espontàniament però hem de donar-li energia per a congelar aigua) i no al revés.

Aquesta segona llei s’anuncia com a:

La entropia (grau de desordre) tendeix a augmentar.

L’entropia es pot interpretar com la mesura de la distribució aleatòria del sistema, si un sistema està distribuït molt aleatòriament diem que té una entropia alta; si el sistema està ordenat diem que té una entropia baixa.

Per tal de preveure els sentit dels fets que abans he anomenat cal entendre quan augmenta l’entropia d’un sistema:

1. L’entropia augmentar al escalfar el sistema.

Això és així perquè amb l’escalfor augmenta el moviment de les mol·lècules del cos i per tant el seu desordre.

Aquest és un punt sobre el qual vull incidir, a tots els llibres de física i química que he consultat es diu que “la calor excita les mol·lècules i les fa moure perquè volen tornar l’energia que els hi dones”.

Sempre m’ha fet molta ràbia que es raonin fets de ciència amb afirmacions del tipus “les mol·lècules volen”, “la natura tendeix”, etc. Això no són motius.

En el cas que ens ocupa, quan nosaltres ens escalfem, per exemple estant aprop d’una estufa, el què ens escalfa és la radiació electromagnètica en forma d’ona infrarroja. Quan aquesta ona arriba al nostra cos passa una cosa però, gràcies a la dualitat ona-partícula de De Broglie, ho podem explicar de dues maneres:

• Com a ona: Al ser la calor una ona electromagnètica, té un camp elèctric oscilant, de forma que els nuclis atòmics del nostre cos es desplacen en la direcció i el sentit el camp. Com més ràpid canvia el sentit del camp, més ràpidament els nostres àtoms es mouen d’un lloc a un altre, de tal forma que oscil·len (es mouen) i amb el fregament alliberen calor.

• Com a partícula (fotons): Els fotons de la radiació infrarroja arriben als àtoms del nostre cos i hi impacten, transferint-los-hi la quantitat de moviment. Us podeu imaginar el xoc d’un fotó amb el nostre cos com el xoc d’una canica a una bola de billar, la bola de billar no es mou perquè és molt gran però la canica li transfereix la quantitat de moviment. A mesura que els fotons van impactant es mouen els àtoms del nostre cos, i pel mateix motiu que abans, ens escalfem.

2. L’entropia augmenta al proporcionar més llocs on puguin estar les mol·lècules.
Per entendre això va bé d’entendre l’interpretació estadística  que va fer el físic austríac Ludwig Boltzmann. Ell va explicar que quan augmenten les possibles ubicacions de les mol·lècules (com òbviament passa quan el recipient es fa més gran), les mol·lècules tenen més possibles llocs on col·locar-se, de forma que la probabilitat que es desordenin és major i, per tant, augmenta l’entropia.

Doncs bé, com veieu, els processos que he anomenat anteriorment es desenvolupen en el sentit que es desenvolupen perquè és el sentit on augmenta l’entropia:

• El glaçó de gel es desfà perquè el líquid té molta més entropia que el sòlid al estar les mol·lècules molt més desordenades i moure’s molt ràpidament.

• Si obrim el recipient gasós el gas s’expandeix perquè al guanyar espai té més llocs on col·locar-se i per tant augmenta la seva entropia.

• El bloc de metall calent es refreda perquè segons la llei 0 de la termodinàmica hi ha un flux d’entropia des dels objectes calents als freds, fins que s’arriba a l’equilibri tèrmic.

I d’una manera força semblant es poden raonar més successos!

Algunes curiositats de l’element heli

La última hora l’he dedicada a llegir alguns elements de la sèrie Conoce tus elementos del blog de divulgació científica El Tamiz. Un dels articles que m’ha agradat més és el dedicat a l’heli.

L’heli, que s’anomena com el déu grec del sol Hèlios perquè va ser descobert mitjançant una espectroscòpia al sol és el què fa que els globus d’heli volin. La seva petita densitat (0,18 g/ml a 20º) fa que l’atracció terrestre no sigui suficientment forta per retenir-lo, de manera que un globus ple d’heli simplement s’escapa.

Com a curiositat, si mireu la taula periòdica veureu que l’hidrogen és encara menys dens que l’heli (0,09 g/ml a 20º); per sort els globus “voladors” no es fan d’hidrogen perquè aquest, al no ser un gas noble com l’heli, és molt reactiu i s’inflama fàcilment. Sinó demaneu-ho als companys (potser no us respondran) del Dirigible Hindenburg.

Doncs bé, no només és l’heli el què fa que els globus d’heli volin, sinó que també és aquest l’element que ens fa fer veu de Barrufet quan el respirem.

La raó d’això últim és que el so va tres vegades més ràpid amb un medi d’heli que a l’aire normal; això fa que al omplir-ne els nostres pulmons augmenti la freqüència del so generat (que es proporcional a la velocitat del so en el medi) i ens faci la veu més aguda.

Però tampoc us recomano que us passeu gaire estona respirant heli, quan notem que ens ofeguem no és que no ens quedi oxigen; sinó que el cervell envia l’avís de “m’estic ofegant” quan la concentració de diòxid de carboni és més elevada del normal perquè actuem. En canvi, l’heli desplaça l’oxigen i el diòxid de carboni dels nostres pulmons al ser respirat, de manera que no estem respirant oxigen i al no notar la manca de diòxid de carboni tampoc tenim sensació d’ofegament. Per això si ens passem massa estona respirant heli no notem la falta d’oxigen fins que ens maregem.

Doncs res, un parell de curiositats per entretenir la tarda.

Els radicals lliures

Poca gent sap ben bé per què es produeix el càncer o l’envelliment, jo tampoc en tenia ni idea fins que fa uns dies estudiant química em vaig topar amb el tema dels radicals lliures.

La majoria d’elements i compostos compleixen la Regla de l’octet segons la qual la tendència de cada àtom és la de completar els seus últims nivells d’energia amb 8 electrons, però els anomenats radicals lliures no compleixen aquesta regla ja que tenen un nombre d’electrons imparell i, per tant, un de desaparellat que busca reaccionar i enllaçar-se, és per això que els radicals lliures són inestables i altament reactius.

En un nombre limitat i controlat els radicals lliures ens són beneficiosos perquè eliminen microorganismes patògens; però quan el nombre de radicals lliures es descontrola patim l’anomenat estrès oxidatiu que pot produir mutacions genètiques a les cèl·lules i augmentar el risc de càncer, l’envelliment al disminuir la velocitat de divisió de les cèl·lules i per tant el nombre de mitocondris, etc. Tot això degut a la seva gran capacitat de reaccionar que fa que pugui alterar-nos l’ADN (els gens).

Els radicals lliures poden poblar el nostre organisme si ingerim tòxics, tenim una vida molt estressant, mengem aliments amb moltes grasses insaturades i fins i tot per culpa de la contaminació atmosfèrica: si el catalitzador d’un automòbil no funciona bé i no crema els hidrocarburs parcialment oxidats entrem en una sèrie de reaccions que creen un gran nombre de radicals lliures segons el següent procés:

El CH4 (metà) és una mol·lècula d’hidrocarbur que si el catalitzador de l’automòbil no ha acabat de cremar reacciona amb l’oxigen i allibera el radical OH·, un agent oxidant típic de la boira contaminant, i el radical H3C· que també causa problemes a l’atmosfera.

CH4+·O· -> H3C·+·OH (Els punts representen els electrons, segons la notació de Lewis)

Però la cadena de reaccions segueix fins que s’arriba a crear nitrat de peroxiacetil, un contaminant secundari altament tòxic fins i tot a concentracions menors que 0,1 ppm i que amb una concentració de 0,5 ppm ja ens pot provocar irritacions oculars.

Per sort, existeixen additius antioxidants que podem absorvir si mengem fruites que contenen vitamina C, olis vegetals d’oliva i girasol que contenen vitamina E, peix que conté vitamina A, seleni que es troba en carns, fetges, làctics, verdures… Fins i tot es comercialitzen pastilles amb altes concentracions de vitamines i substàncies antioxidants.

Aquests additius antioxidants tenen un funcionament força simple, reaccionen ràpidament amb els radicals per formar espècies on tot els electrons estiguin aparellats eliminant així l’alta reactivitat abans que els radicals tinguin temps de causar cap dany. Per aconseguir-ho acostumen a contenir agents reductors com tiols o polifenols que eviten l’oxidació (procés electroquímic pel qual un ió o àtom perd un o diversos electrons) d’altres mol·lècules reduint-les (procés electroquímic pel qual un àtom o ió guanya un o més electrons) evitant així la creació de radicals lliures.

A part de la Wikipedia d’on n’he tret molta informació he usat el llibre “Química: moléculas, matería, cambio” de Peter Atkins i Loretta Jones i aquest document .

No he estat més de tres hores estudiant el tema, de manera que dec haver comès algun error que si algú detecta li agrairé que ho comenti, tot i així m’agrada explicar-ho per fer-vos-ho conèixer i per allò que va dir Einstein que no s’acaba d’entendre una cosa del tot fins que s’és capaç d’explicar-ho a la pròpia àvia

El zero absolut, per què només pot fer aquest fred?

Moltes vegades hem sentit que 0 Kelvins (-273,15ºC) és el zero absolut, la temperatura mínima que podem aconseguir i on l’energia del sistema és la més baixa possible i per tant les partícules es deixen de moure. Però, com sabem que és aquesta temperatura si mai hi hem arribat? I si hi arribéssim com sabríem que no podem baixar encara més?

L’història del zero absolut és una mica llarga i comença amb la recerca de la relació entre la temperatura i el volum d’un gas. El 1702 Guillaume Amontons ja va preveure la relació de proporcionalitat entre temperatura i volum d’un gas a pressió constant. El 1787 Jacques Charles va tornar a estudiar el tema i el 1802 Louis Joseph Gay-Lussac va publicar la llei que afirmava el què havia previst Guillaume Amontons sense fer referència al treball no publicat de Charles, motiu pel qual generalment s’anomena llei de Charles.

Un cop trobada la relació entre la temperatura i el volum d’un gas van veure que per força hi havia d’haver un límit de temperatura, ja que si allarguem la funció que relaciona temperatura i volum arriba un moment on el volum és 0, com que el volum no pot ser negatiu sabem que la temperatura mínima aquella en que la funció talla l’eix X quan el volum és 0: -273ºC.

Els intents d’arribar al zero absolut sempre s’han quedat a les portes, Johann Heinrich Lambert (1728-1777) es va quedar a 3ºC, i actualment les màquines frigorífiques es queden a 0,15ºC d’aconseguir-ho, la raó és que les mol·lècules de la càmera, al arribar a aquesta temperatura, no tenen energia suficient per fer que la temperatura descendeixi encara més. De fet la tercera llei de la termodinàmica ja afirma que el zero absolut és inaconseguible.