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La ciencia para todos (página 4)



Partes: 1, 2, 3, 4

-OH hidroxilo -COOH carboxilo -NH2
amino

Cada grupo
funcional le confiere propiedades particulares a la cadena de
carbono a la
cual está unido. Por ejemplo, centrémonos en el
grupo hidroxilo. Los compuestos que lo incluyen se llaman
alcoholes. Los
más sencillos de estos compuestos son el metanol, CH3 -OH,
el etanol, CH3 -CH2 -OH, y el propanol, CH3 -CH2 -C2H -OH. Los
tres presentan las reacciones
químicas típicas del grupo hidroxilo. Sin
embargo, el diferente tamaño de la cadena afecta otras de
sus ropiedades. Por ejemplo, mientras que el metanol es venenoso
(su ingestión provoca ceguera y hasta la muerte), el
etanol está presente en todas las bebidas
alcohólicas. Cabe aclarar que no por ello deja de ser
tóxico.

POLIMERIZACIÓN POR
CONDENSACIÓN

En este tipo de polimerización toman
parte dos moléculas con diferentes grupos
funcionales. Al reaccionar se desprende una molécula
más pequeña, que por lo general es de agua.

Un ejemplo sencillo de una reacción
de condensación es la del ácido acético (el
ácido del vinagre) con el etanol (véase la
fórmula 47).

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Fórmula 47. En esta
reacción de condensación, el agua se
forma a partir del -H del ácido y el OH- del alcohol. Los
dos fragmentos restantes se reúnen para formar un
éster.

El producto de
una reacción como ésta (ácido + alcohol) es
llamado genéricamente éster. El acetato de etilo es
un éster.

Esta reacción, llamada de
esterificación, es la base para la fabricación de
las fibras poliéster. En este caso se toma una
molécula con dos grupos carboxilo (un diácido),
como el ácido tereftálico (véase la
fórmula 48), y otra molécula con dos grupos
funcionales hidroxilo, como el etilenglicol (en los países
fríos también se lo utiliza como anticongelante en
los motores de
automóviles).

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Formula 48. Primer paso de la
esterificación de un diácido con un
dialcohol.

Inicialmente se produce un éster con
un grupo carboxilo libre, por un lado, y un grupo hidroxilo, por
el otro (véase la fórmula 48).

Posteriormente, ambos grupos libres pueden
seguir reaccionando con otras moléculas. El proceso
continúa hasta obtenerse largas cadenas de
poliéster; el polietilentereftalato (PET) (véase la
fórmula 49).

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Fórmula 49. En la reacción
de la fórmula 48 quedó libre un grupo ácido,
HOOC-, y un grupo alcohol, -HO, así que es posible la
condensación de más unidades monoméricas
hasta producir el polietilentereftalato; la fibra
poliéster, un magnifico sustituto del algodón.

El uso más común del
polietilentereftalato es la fabricación de fibras textiles
y películas transparentes, que se emplean para las cintas
de grabadora y para empacar alimentos
congelados.

Es altamente probable que usted, amable
lector; vista ahora alguna ropa con multitud de
macromoléculas de un poliéster. Es más,
algunos lectores quedarían completamente desnudos si les
pidiéramos que se quitaran todas las prendas con estas
fibras.

Recientemente se ha logrado que esta resina
alcance un alto grado de cristalinidad, lo que la ha convertido
en el termoplástico más rígido. Varias
compañías automotrices lo han incluido para
reemplazar diversas piezas metálicas.

DE VUELTA A LAS CADENAS
PRODUCTIVAS

Este ejemplo de las resinas
poliéster nos permite hacer un breve alto para analizar la
complejidad del árbol de la petroquímica. El siguiente diagrama
muestra la
cadena productiva que conduce al
polietilentereftalato.

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Basta que recordemos que, a su vez, el
etileno provino del hidrocarburo de dos carbonos del gas natural (el
etano), y el para-xileno fue un producto del tren de
aromáticos de la refinería.

Debe quedar claro para el lector que para
realizar la producción de fibra poliéster (para
ropa, por ejemplo) no debe fallar ninguna de las etapas
anteriores. Si por algún error o contingencia se frena un
paso de la cadena de producción, la única salida es
importar cierta cantidad de un petroquímico intermedio.
Desafortunadamente, eso ocurre con cierta frecuencia. En
ocasiones sucede por fallas imprevisibles de carácter técnico o de materia prima;
en otras, por errores humanos, y en otras más, por
deficiente planeación, cuando se retrasan los proyectos de
inversión. Es por esto que en México la
demanda de
algunos productos
básicos ha superado la oferta, por lo
que ha sido necesario importarlos, cada vez en mayores
cantidades.

LA REVOLUCIÓN DEL NAILON

Otros dos grupos funcionales que suelen
adicionarse, con la subsecuente eliminación de agua, son
los carboxilos (-COOH) y las aminas (-NH2). El resultado es un
compuesto que se conoce con el nombre de amida, caracterizado por
el enlace -CONH-. Esta reacción es precisamente la que
lleva a cabo nuestro cuerpo para fabricar proteínas,
como veremos más adelante.

Si, como se planteó para el caso del
poliéster; se hacen reaccionar dos compuestos, uno con dos
carboxilos y el otro con dos aminas, se obtiene una
poliamida.

La reacción entre el diácido
de seis carbonos (ácido adípico) y la amina de seis
carbonos (la hexametilediamina) produce una poliamida muy
especial, llamada nylon 6,6 (véase la fórmula
50).

El nailon es un sólido opaco,
blanco, que se utiliza principalmente para hacer fibras textiles.
Fue preparado originalmente el 28 de febrero de 1935 por el
químico Carothers, en los laboratorios de la
compañía Dupont.

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Fórmula 50. Nylon 6,6. La letra n
indica que un gran número de las unidades encerradas entre
paréntesis se repiten, una tras otra, formando la cadena
polimérica.

Durante la segunda Guerra
Mundial, cuando Japón
cerró el acceso a la seda del Lejano Oriente, el nailon
probó ser una fibra superior por muchas de sus
propiedades. En ese momento se lo utilizó para elaborar
artículos militares, como cuerdas para barcos y
paracaídas. Posteriormente, su uso en medias femeninas
aumentó enormemente su popularidad.

Aunque parezca cuento, se han
producido películas de nailon diez veces más
delgadas que el pelo humano. Se usa también en cuerdas
para llantas automotrices y en artículos
moldeados.

Las fibras de nailon son muy fuertes, mucho
más que cualquiera de las fibras naturales. Otra propiedad de
las telas de nailon es que se secan fácilmente.
Posteriormente, cuando discutamos la estructura de
los carbohidratos,
como el algodón, veremos que estas moléculas tienen
muchos grupos hidroxilo, -OH, los cuales son muy afines al agua.
Por ello el algodón es más difícil de secar
que el nailon.

SILICONES

Existen polímeros de
condensación no formados por átomos de carbono.
Así, por ejemplo, dos moléculas de dihidroxisilano
reaccionan entre sí para producir una molécula con
enlace Si-O-Si. Esta molécula puede reaccionar de nuevo
hasta producir una macromolécula de silicón, como
se la llama (véase la fórmula 51).

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Fórmula 51. El silicón,
formidable sellador, es el polímero por
condensación del dihidroxisilano.

La primera huella del hombre en la
Luna fue hecha con una bota de silicón.

Hay muchos tipos de silicones, que resultan
de emplear diferentes monómeros (puede cambiarse el CH3
por otros grupos). Los aceites, las grasas y los
hules de silicón son mucho más resistentes al
calor y al
ataque de los productos químicos que sus equivalentes
derivados del carbono. Esto los ha hecho muy útiles en
medicina, para
fabricar prótesis, y como
selladores y aislantes en determinadas industrias. Son
también ampliamente utilizados en electrónica para la fabricación de
circuitos
integrados. En 1940 apenas se produjeron algunas pocas
toneladas en el mundo. No obstante, en 1969 fueron 100 000 y hoy
se producen más de 400 000 toneladas.

ÁCIDO SULFÚRICO: DIME
CUÁNTO PRODUCES Y TE DIRÉ CUANTO VALES

Alrededor de 90% de la producción
mundial del azufre se utiliza para preparar ácido
sulfúrico, H2 S04

Ya que éste ha sido catalogado como
el producto químico industrial más importante de
todos, no se puede dejar de mencionarlo en este viaje del
tequesquite al ADN.

Como 60% del ácido sulfúrico
producido se emplea para preparar fertilizantes y el resto en
importantes empresas
fabricantes de resinas sintéticas, papel, detergente y
biocidas, la producción de ácido sulfúrico
de un país es un buen indicador de su desarrollo
industrial.

Como, se mencionó, la
producción de H2 S04 parte del azufre. Este se obtiene
tanto de yacimientos naturales como a partir del sulfuro de
hidrógeno, H2S, que acompaña al
gas natural.
El azufre se quema en presencia de oxígeno
y un catalizador, con lo que se obtiene el óxido S03, que
con la adición de agua se transforma en ácido
sulfúrico.

Los óxidos del azufre también
se producen al quemar combustibles que contienen azufre, y son
peligrosos contaminantes atmosféricos. Esta es la
razón para que se desulfurice la gasolina. La presencia de
estos óxidos en el aire da lugar a
la llamada lluvia
ácida, ya que basta el contacto con el agua para que
se formen ácidos,
como el sulfúrico.

La lluvia ácida perjudica tanto a
las construcciones como a los seres vivos. Se estima que
anualmente se lanzan unos 200 millones de toneladas de
óxidos de azufre al aire del planeta, lo cual amenaza y
destruye cotidianamente diversas especies acuáticas. La
ciudad de México se encontraba fuertemente amenazada por
este problema. En 1986 se informó que la acidez de la
lluvia era diez veces mayor que la esperada para una atmósfera limpia.
Afortunadamente, como se indicó en el capítulo II,
actualmente se han podido controlar las emisiones de
óxidos de azufre a la atmósfera.

ADITIVOS DE LOS PLÁSTICOS

Muy pocos de los polímeros que hoy
se producen alcanzan su uso final sin una modificación.
Para ello se cuenta con una gran variedad de aditivos que alteran
de diversa manera sus propiedades. Los más comunes son los
colorantes y los pigmentos, pero existen otros, como los agentes
espumantes, los plastificantes, los materiales de
relleno y los estabilizadores. Comentaremos brevemente algunas de
sus características.

Los agentes espumantes son hidrocarburos
de bajo punto de ebullición que se agregan al plástico.
Con el calentamiento, o por una presión
reducida, el hidrocarburo se evapora y produce burbujas en el
plástico. El llamado hule espuma de poliuretano y la
espuma de poliestireno son preparados de esta manera. Los
plásticos espumados tienen menor densidad y son
mejores aislantes térmicos.

Los plastificantes son sustancias que les
imparten flexibilidad a los polímeros. Actúan como
lubricantes internos que separan las cadenas poliméricas.
El PVC es quebradizo y se rompe fácilmente, pero con la
adición de plastificantes se vuelve suave y flexible. Con
PVC modificado se fabrican productos como muñecas,
paraguas, accesorios de jardín, tubos protectores de
instalaciones
eléctricas y asientos de
automóviles.

En ocasiones se agregan al plástico
materiales de relleno que reducen el costo del
producto final y mejoran sus propiedades físicas y
mecánicas. Los más utilizados son materiales
fibrosos, como el asbesto y la fibra de vidrio. Por
ejemplo, los poliésteres reforzados con fibra de vidrio
tienen amplio uso para fabricar lavabos, carrocerías de
vehículos de mar y tierra, y
otros objetos diversos.

Muchos de los plásticos empleados en
artículos que están expuestos a la luz solar
terminan por perder su resistencia
original y se vuelven quebradizos. La razón de ello es que
la luz ultravioleta, presente en la radiación
solar, es capaz de romper algunos de los enlaces
químicos de los polímeros. Para evitarlo se
agregan moléculas estabilizadoras que absorben la luz
ultravioleta y liberan la energía recibida como
calor.

¿CONTAMINACIÓN
MACROMOLECULAR?

Gran parte de la producción de
plásticos es eliminada en forma de desechos… pero esto
es un decir. Uno de los más graves problemas
asociados con los plásticos es su indestructibilidad.
Todos sabemos de la presencia de bolsas, botellas y otros objetos
de plástico en playas, ríos, lagunas y predios.
Conservadoramente se estima que en el mundo, cada año,
alrededor de 250 000 toneladas de plástico tienen como
destino final el medio
ambiente, en donde se acumulan como basura. En
algunas ciudades, parte de ese plástico se recicla y sirve
posteriormente para la producción de bolsas.

Estos objetos plásticos, que
están por todas partes, no son biodegradables, al igual
que algunos detergentes. Debido al gran tamaño de las
moléculas de éstos, los microorganismos
bacterianos, responsables de la degradación de muchos de
los desechos sólidos, son incapaces de atacar a los
plásticos. Por otro lado, su combustión puede desprender gases
tóxicos, principalmente ácido cianhídrico
(que es, nada menos, el de la cámara de gases) y
clorhídrico, de ahí que quemarlos no sea una
solución para eliminarlos.

La proliferación de basura
plástica puede resolverse, pero hace falta que todos
participemos. La manera más sencilla de hacerlo es el
reciclaje. Si
todos clasificáramos nuestra basura y separáramos
los objetos plásticos de los de vidrio, metal y materia
orgánica, la reutilización de plásticos,
metales y
vidrio sería más factible.

Otra salida posible es el uso de aditivos
que realicen la función
inversa a la de los estabilizadores, es decir, que tiendan a
destruir el material. Se ha demostrado que un tipo de aditivos
sensibles a la luz induce la ruptura de las cadenas
poliméricas después de cierto tiempo de
exposición, lo cual facilita su posterior
degradación bacteriana. Los compuestos llamados
tiocarbamatos (véase la fórmula 52) empiezan a
usarse con este propósito. Sus efectos pueden apreciarse
claramente en la figura 17.

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Fórmula 52. Algunos de los
aditivos para fotodegradar los plásticos son tiocarbamatos
de metales de transición. Aquí se muestra el ion
tiocarbamato.

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Figura 17. Esta secuencia de fotos muestra la
descomposición fotoquímica de un plato de
plástico. a) Sin plato. b) El plato se incorpora al
jardín. c) En 30 a 90 días el plato se rompe. d) En
60 a 120 días el plato está completamente roto. e)
Entre 90 a 150 días sólo quedan fragmentos. f) De
seis a doce meses después no hay restos del plato en el
jardín. (Tomada de J. W. Hill, Chemistry for Changing
Times, Burguess, Minneapolis, 1980).

No obstante los éxitos iniciales de
este tipo de aditivos, no han sido incorporados
sistemáticamente en las formulaciones de los
plásticos, al menos en nuestro país.

Adicionalmente, algunos de los
plastificantes más usados, como los bifenilos
policlorados, han sido encontrados en los tejidos de vacas,
perros y
conejos. Sus efectos tóxicos son considerables. Se ha
demostrado que dichas sustancias producen mutaciones en animales de
laboratorio.
Por ello, actualmente algunos de estos plastificantes se han
eliminado del mercado.

Al igual que en las demás
áreas en las que la
contaminación es crítica, en el terreno de los
plásticos habrá de desempeñar un papel
primordial la creación de una conciencia
colectiva. Sin duda, los materiales plásticos han
revolucionado al mundo, pero en el futuro su producción
deberá acompañarse de soluciones
globales, de tal forma que sean más los problemas que
resuelvan que los que creen. Sin embargo, para lograr la
producción de plásticos con mínimo riesgo
ecológico existe una limitante, que es el problema de
siempre: el económico. De todas formas, es necesario que
tratemos de resolver este problema de la mejor manera posible,
con los recursos a
nuestro alcance.

LAS TÉCNICAS DE
PROCESAMIENTO

De plástico hay hilos y pelotas,
mangueras y gabinetes de radio, sillas y
peines. Cada objeto merece un procedimiento
especial que conduce a su producción. El diseño
de los aparatos para moldear los plásticos en esos objetos
útiles que están presentes a nuestro alrededor no
corresponde al químico, sino al ingeniero.

Por ejemplo, los hilos se producen por la
técnica de extrusión, por medio de la cual se
bombea el plástico a muy alta presión y se le hace
atravesar una criba con delgadísimos agujeros. Por
extrusión se fabrican también mangueras y
láminas para el recubrimiento de fachadas, paredes o
muebles.

Los objetos abiertos se obtienen por
inyección del plástico en moldes fabricados ex
profeso, mientras que para objetos cerrados (pelotas, por
ejemplo) se utiliza la técnica de moldeo por
rotación.

Finalmente, se acostumbra producir las
botellas plásticas por la técnica de soplado, en la
que aire a presión fuerza al
plástico a recubrir las paredes interiores de un
molde.

Existe una infinidad de máquinas
para procesar objetos plásticos, y cada una sigue ciertas
reglas para su adecuado funcionamiento y
diseño.

Nuestro país cuenta con una
importante industria de
procesamiento de polímeros, que ocupa a una notablemente
alta proporción de mano de obra, en relación con el
capital de
inversión que requiere. No obstante,
durante muchos años se ha manejado con máquinas de
importación y con el aprendizaje
empírico que le ha dado la misma actividad productiva. Es
por ello que las industrias sobre todo las pequeñas, no
siempre pueden resolver los problemas que se presentan, por lo
que la producción deja de ser óptima y acaba por
afectar los costos del
producto. Sin duda, es imperativo que los centros educativos
ayuden a la industria y combatan esta deficiencia en la
formación de profesionales especializados en el campo de
los plásticos, su síntesis y
procesamiento.

Desde el punto de vista básico, el
problema no es nada sencillo. Entender cómo hacer fluir
controladamente a un plástico a través de la
maquinaria de procesamiento es un muy serio problema de flujo de
fluidos. Igualmente, lograr un proceso para obtener un nuevo
polímero es otro serio problema de química
sintética. No se pueden improvisar profesionales que
aborden estos delicados temas.

A pesar de que en México la
investigación sobre materiales poliméricos se
encuentra en una etapa temprana, ya existen varios grupos
importantes, no sólo en el Distrito Federal, sino
también en los estados (en Monterrey, Saltillo y
Hermosillo), comprometidos con la formación de
posgraduados en esta especialidad. En la Universidad de
Sonora se hace hincapié en aspectos tanto básicos
como aplicados de la ciencia de
los polímeros. En el Centro de Investigación en Química Aplicada
(CIQA), en Saltillo, la investigación tiene un
carácter más práctico e
industrial.

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Figura 18. Arbusto del guayule. Una de
las primeras investigaciones
realizadas en el CIQA consistió en la extracción y
el aprovechamiento del hule del guayule, que es un arbusto que
abunda en nuestras zonas áridas.

ASPECTOS DE LA INDUSTRIA DE LOS
POLÍMEROS

Es tal la cantidad de objetos de
plástico que se fabrican actualmente, que se puede decir
que estamos en la era de los plásticos. En países
como Alemania y
Estados Unidos
el consumo
volumétrico de materiales plásticos es ya superior
al del acero. El cuadro
11 muestra cómo ha evolucionado la producción de
plásticos en México y en el resto del mundo.
Aquellos con volumen
más grande de producción mundial son: polietileno
(35%), policloruro de vinilo (21%) y poliestireno
(10%).

CUADRO 11. Evolución de la producción de
plásticos en México y en el mundo.

Año
Producción mundial Producción de
México

(Miles de ton) (Miles de
ton)

1940 350

1950 700

1960 6 200

1970 25 000 136

1980 60 000 576

1990 90 000 1
400

PLÁSTICOS DE
INGENIERÍA

Más de 70% de la producción
mundial y mexicana de plásticos corresponde a los llamados
plásticos de consumo, como el polietileno, el PVC el
polipropileno y el poliestireno.

Otros tipos de plásticos, llamados
de ingeniería, tienen mayor resistencia al
calor y al impacto que los de consumo. A pesar de que constituyen
alrededor del 2.5% de la producción mundial, representan,
por sus propiedades particulares, aproximadamente 8% del valor total de
la producción.

La disponibilidad de estos materiales hizo
que su aplicación en mercados
especiales, como el electrónico, el aeronáutico y
el automotriz, creciera pronunciadamente.

Además de los de ingeniería,
existen los plásticos de especialidad, como ciertos
polímidas y plásticos biomédicos, que hasta
hace poco eran considerados curiosidades de laboratorio. Estos
representan cerca de 0.1% de la producción
mundial.

Actualmente los países desarrollados
están cerrando plantas
productoras de plásticos de consumo debido, entre otras
cosas, a que hay una gran competencia con
los países productores de petróleo. Por esta razón se
están enfocando a la producción de plásticos
de ingeniería de especialidad, cuyos costos son,
respectivamente, de 4 a 100 veces mayores que los de los
plásticos de consumo (véase la figura
19).

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Figura 19. Relación precio/volumen
de producción para las resinas de consumo y de
ingeniería. (Fuente: Comisión Petroquímica
Mexicana-SEMIP, Plásticos de ingeniería,
México, 1986.)

LA SITUACIÓN EN
MÉXICO

En el año de 1950, con la
producción de poliestireno empezó a funcionar la
primera planta polimerizadora del país. Tres años
después, tanto en Monterrey como en la ciudad de
México iniciaron operaciones dos
plantas productoras de PVC. Anteriormente, todo el
plástico se importaba, bien como productos terminados o
como maquinaria y materias primas.

En la década de los sesenta se
inicia la integración vertical, con la
producción nacional de moldes y equipo auxiliar,
así como de monómeros (PEMEX en 1966 produce
polietileno de baja densidad).

En los setenta, la industria de
polímeros se expande ampliamente debido al incremento de
la demanda nacional, y se exportan algunos productos. Este
crecimiento originó fuertes importaciones,
tanto de monómeros como de bienes de
capital, y así, paradójicamente, el auge del
petróleo
acarreó un déficit de monómeros.

En 1981, antes de la crisis
económica, ya se importaban 315 000 toneladas de
petroquímicos básicos, las dos terceras partes del
consumo nacional. Hacia 1984, las importaciones de los dos
principales básicos (etileno y propileno) sumaron 220
millones de dólares. No obstante, continúa la
exportación de PVC, fibra poliéster
y algunos productos manufacturados.

En el cuadro 12 se muestra el consumo
aproximado de plástico per cápita en algunos
países en 1983.

CUADRO 12. Consumo per cápita de
plásticos (1983), en kg/habitante.

Alemania 106

EUA 78

Japón 65

Brasil 16

México 12

Argentina 11

En el mundo 15

En nuestro país, alrededor de 32% de
la producción está destinada a objetos de embalaje
y envase. Otros mercados importantes son la construcción, los electrodomésticos
y los juguetes.
Menos de 1% está representado por el sector
agrícola.

A pesar de su integración
desarticulada, la industria de los polímeros le otorga al
petróleo, materia prima de prácticamente todos los
monómeros, un alto valor agregado. Por ello este sector
tiene gran importancia en el desarrollo
económico y tecnológico de nuestro
país.

EL ENLACE POR PUENTE DE
HIDRÓGENO

Antes de ingresar en el mundo de las
macromoléculas que forman parte de los organismos vivos, y
dada su importancia en estos sistemas,
conviene que el lector se familiarice con un tipo de enlace
especial, llamado por puente de hidrógeno.

Cada molécula conserva su estructura
debido a la fuerza de los enlaces químicos que mantienen
unidos a sus átomos. Ahora bien, una molécula de un
compuesto puede interaccionar con el resto de las
moléculas de la misma sustancia. De la magnitud de esta
interacción intermolecular, que es menor
que la del enlace
químico, dependen muchas propiedades de las
sustancias. Estas fuerzas son responsables, por ejemplo, de la
existencia de los líquidos y los sólidos. Si no
existieran atracciones intermoleculares, toda la materia
sería gaseosa.

En ciertos compuestos que contienen
hidrógeno, las fuerzas intermoleculares son especialmente
fuertes. El agua es el primer caso notable (véase la
fórmula 53). Por ello es que el agua es un líquido
en las condiciones ambientales normales de la Tierra, lo
cual ha hecho posible la aparición de vida en el
planeta.

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Fórmula 53. En el agua se
establece un débil enlace intermolecular entre el
oxígeno de una molécula y el hidrógeno de
otra. Debido a ello el agua es líquida en condiciones
ambientales, y es necesario emplear calor para romper los enlaces
de hidrógeno y vaporizarla.

Es muy frecuente la presencia del enlace
por puente de hidrógeno, el cual ocurre entre un
hidrógeno (que generalmente presenta una ligera carga
positiva) y un átomo
sobre el cual exista una carga negativa neta (generalmente es el
oxígeno, aunque el flúor y el nitrógeno
también son buenos ejemplos). Más adelante
tendremos oportunidad de ver varios casos de este tipo de
interacción, que es crucial en multitud de eventos
biológicos.

MACROMOLÉCULAS NATURALES

Nuestra piel, las
plumas del pavo real, los cuernos de los toros, la seda, las
garras de las águilas, la lana, el algodón, el ARN
y el ADN, todos los aspectos de la vida misma están
sustentados en las macromoléculas naturales. A
continuación comentaremos algunos ejemplos
específicos de ellas.

Tal vez el dímero más
común en nuestras vidas sea la sacarosa, nombre
químico del azúcar
de mesa. Empecemos con él.

POLISACÁRIDOS

Los polisacáridos son
polímeros de los azúcares, sustancias que llevan el
nombre químico de carbohidratos. Éstos son
compuestos formados por carbono, hidrógeno y
oxígeno, los dos últimos en la misma
proporción que en el agua, es decir, dos átomos de
hidrógeno por cada átomo de oxígeno. Tal vez
el carbohidrato más conocido sea la sacarosa, con
fórmula C12 H22 O11, pues es el azúcar que
utilizamos comúnmente en las comidas.

La sacarosa es un disacárido, o sea,
está formada por dos moléculas de carbohidratos
(monosacáridos) que se unen por condensación
(véase la fórmula 54), con la eliminación de
una molécula de agua. Uno de ellos, la glucosa C6 H12
O6, es el carbohidrato más utilizado por nuestro cuerpo
como fuente de energía. El otro, la fructosa, un
isómero con la misma fórmula, es el responsable del
sabor dulce de algunas frutas. Precisamente de ahí toma su
nombre.

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Fórmula 54. La sacarosa, o
azúcar común, es disacárido. Para
simplificar, no se muestra que en cada vértice de los
hexágonos y pentágonos hay un átomo de
carbono, excepto en los que aparece el símbolo del
oxígeno.

Otros disacáridos ampliamente
conocidos son la lactosa, que se encuentra en la leche, y la
maltosa, producto de la cebada.

La celulosa y el
almidón son polisacáridos de la glucosa, donde el
prefijo poli sí representa una multitud de
moléculas de glucosa que se unen por condensación.
La celulosa es uno de los principales elementos estructurales de
las plantas, y el almidón constituye su reserva
energética.

La celulosa es la sustancia orgánica
más abundante en la tierra y únicamente algunas
bacterias
pueden digerirla, como las que se encuentran en el sistema digestivo
de las termitas.

Por otra parte, una enorme cantidad de
animales digiere el almidón, que es abundante en cereales
y tubérculos, como el maíz y las
papas.

La mayor diferencia estructural entre la
celulosa y el almidón es la manera en que se unen las
moléculas de glucosa, a través de uno de sus grupos
OH (véase la fórmula 55).

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Fórmula 55. a) La glucosa, que
corresponde a la primera fórmula hexagonal de la
fórmula 54, se muestra aquí en su acomodo espacial
real. b) En ocasiones, la fórmula de (a) se simplifica de
esta manera. c) Almidón. d) Celulosa. Los dos
últimos son polímeros de la glucosa.

Esta diferencia puede parecer
mínima, pero el resultado es espectacular.

a) En la celulosa, las moléculas de
glucosa están colocadas en línea recta. Los enlaces
por puente de hidrógeno entre cadenas vecinas dan lugar a
estructuras
relativamente rígidas, en las que hay pocas posibilidades
de que penetren moléculas de agua. Al ser un
polímero lineal, resulta óptima para construir
microfibrillas, a partir de las cuales se constituyen todas las
estructuras vegetales (del tallo, hojas y
raíz).

b) Por el contrario, en el almidón
las cadenas adquieren una configuración espiral, que hace
al polisacárido menos rígido. Existe un menor
número de enlaces por puentes de hidrógeno,
así que el agua puede penetrar más
fácilmente entre las cadenas. El almidón animal se
encuentra en el hígado y los músculos. Se utiliza en las comidas como
fuente de energía.

El algodón es la forma más
pura de la celulosa. Contiene las fibras más largas, por
lo que se emplea para fabricar ropa. Su capacidad de absorber
agua se debe a que no todos sus átomos de oxígeno
están contenidos en enlaces por puentes de
hidrógeno, por lo que algunos de sus grupos -OH pueden
interaccionar con moléculas de agua. La celulosa de la
madera es de
fibra más corta y no se puede utilizar en la industria
textil, pero sí para fabricar papel.

Tal como lo conocemos, el papel es un
invento chino de hace aproximadamente 2 000 años. Hoy se
puede fabricar con un grosor menor que el del cabello
humano.

La pulpa de la madera puede emplearse
también en la preparación de otros productos, como
los siguientes:

– Nitrato de celulosa. Se utiliza en la
fabricación de explosivos, lacas y
plásticos.

– Acetato de celulosa. Se emplea para hacer
las películas de cine y, en
forma de fibra, como la materia textil llamada
rayón.

– Xantato de celulosa. Es ampliamente
conocido con el nombre comercial de celofán. Se usa
también para fabricar cuerdas de llantas.

PROTEÍNAS O
POLIPÉPTIDOS

Las proteínas forman parte de todos
los seres vivos y, como su nombre lo indica (proviene del griego
proteios, que significa primero), son de primordial importancia
para todos los organismos, desde un virus hasta una
ballena. Participan en multitud de procesos
biológicos esenciales, los cuales se resumen en el cuadro
13.

CUADRO 13. Función biológica
de las proteínas.

Tipo general Función
biológica

Estructural Constituyentes
de pelo, lana, plumas (protección), músculos, seda,
piel.

Respiratorio Transporte y
almacenaje de oxígeno.

Enzimático
Catálisis biológica. Reacciones de síntesis,
oxidación, hidrólisis, etc.

Anticuerpos Defensa del
organismo contra el ataque de agentes extraños, como virus
y bacterias.

Hormonal Regulación
del metabolismo.

Nucleoproteica
Transmición hereditaria, síntesis de
proteínas para formar tejidos.

Las proteínas son
macromoléculas con pesos moleculares que van de 5 000 a
varios millones de uma. La unidad fundamental (monómero)
son los aminoácidos. A diferencia de los
polisacáridos, en donde únicamente una
molécula (la glucosa) se repite gran cantidad de veces, en
las proteínas se tiene el agrupamiento de 20
aminoácidos diferentes. Por ello podemos decir que las
proteínas son copolímeros. A partir de veinte
diferentes monómeros, las posibilidades de
construcción de polímeros son enormes, de
allí que haya tal variedad de proteínas.

Los veinte aminoácidos naturales
tienen en común la presencia de dos grupos funcionales, el
grupo amino (-NH2) y el ácido carboxílico (-COOH),
colocado éste sobre el mismo carbono que soporta al
amino.

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Fórmula 56. Estructura general de
un aminoácido.

La fórmula 56 presenta la estructura
general de un aminoácido y en el cuadro 14 se encuentran
algunos ejemplos de los radicales R.

CUADRO 14. Algunos de los veinte
aminoácidos naturales.

Fórmulas 57 a 66.

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El aminoácido más simple es
la glicina, en la que el radical R es un átomo de H. Al
interactuar con otro aminoácido, como la alanina, con
R=CH3, ambas moléculas se condensan, formando un
dipéptido a través de la eliminación de una
molécula de agua (véase la fórmula 67). El
resultado descrito se denomina glicil-alanina.

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Fórmula 67. Formación de un
dipéptido. A partir de los aminoácidos más
simples (glicina y alanina) puede formarse un dímero o
dipéptido. Como se observa, la glicil-alanina contiene
aún un grupo amino y un grupo ácido, por los cuales
puede continuar reaccionando con otros aminoácidos para
formar un polipéptido mayor.

Sin embargo, pudiera ocurrir que la
molécula de agua se eliminara a partir del -OH de la
alanina y el H de la glicina, con lo cual se forma la
alanil-glicina. Así, un par de aminoácidos pueden
formar dos dipéptidos.

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Fórmula 68. El enlace
peptídico es el lazo de unión entre los residuos de
los aminoácidos de un polipéptido.

El enlace que se forma entre los dos
aminoácidos se conoce como enlace peptídico
(véase la fórmula 68). Es el mismo que se presenta
en la polimerización del nailon.

La reacción entre dos
dipéptidos genera un tetrapéptido. A partir de
cuatro aminoácidos diferentes que reaccionen en todas las
combinaciones posibles se puede producir un gran total de
veinticuatro (4x3x2x1) tetrapéptidos. Si se utilizan 20
aminoácidos diferentes pueden obtenerse 2.43 X 1018
diferentes polipéptidos de veinte unidades, ¡nada
menos que casi dos y medio trillones! Como vemos, hay una enorme
cantidad de polipéptidos, de los cuales sólo una
pequeña fracción constituye las proteínas de
los seres vivos.

Desde luego, si pensáramos en
combinar cualquier tipo de aminoácidos, y no sólo
los 20 naturales, el número de polipéptidos
sería impensable. La figura 20 presenta la secuencia de
aminoácidos de una de las proteínas más
simples.

ESTRUCTURA DE LAS
PROTEÍNAS

La estructura de las proteínas es
muy complicada, por lo que acostumbra analizarse en tres
diferentes niveles.

La estructura primaria corresponde a la
diferente secuencia de aminoácidos en la cadena
polipeptídica (véase la figura 20).

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Figura 20. La insulina es una enzima
producida por el páncreas que interviene en el metabolismo
de los azúcares. Su ausencia causa la diabetes.
Consiste de dos cadenas polipeptídicas con 21 y 30
residuos de aminoácidos. Ambas cadenas están
enlazadas a través de puentes disolfuro provenientes del
azufre de la cisteína. Cada terna de letras en la figura
representa una abreviatura del nombre (en inglés)
del aminoácido original (Gly=glicina, Val=valina,
etcétera).

La estructura secundaria es el resultado de
las interacciones entre diferentes porciones de la cadena
proteica. En muchos casos tienen lugar a través de enlaces
por puente de hidrógeno, lo cual origina que las cadenas
adopten forma de hélice (véase la figura
21).

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Figura 21. a) Las cadenas de
polipéptidos pueden adquirir formas helicoidales. b) Su
estructura de hélice se mantiene gracias a la presencia de
enlaces de hidrógeno entre dos enlaces peptídicos
que se encuentran a diferentes alturas.

El estadounidense Linus Pauling
recibió el Premio Nobel de química en 1954 por sus
estudios en la estructura de las proteínas. Años
más tarde, su espíritu pacifista lo llevó
también a obtener el Premio Nobel de la paz.

La estructura terciaria de las
proteínas es consecuencia de la interacción entre
las cadenas helicoidales a través, por ejemplo, de enlaces
por azufre o de puentes de hidrógeno. Como resultado de
ella, las hélices proteicas pueden adoptar diferentes
formas (véase la figura 22).

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Figura 22. Las hélices de
polipéptidos pueden doblarse y enrollarse en formas
complejas, lo que dota a las proteínas de estructura
terciaria.

Como resultado de esta complejidad
estructural, la variedad de funciones que
adoptan las proteínas es muy amplia, como ya
mencionamos.

Por ejemplo, el pelo humano y las plumas de
las aves
están formados de queratina. Esta proteína adopta
la forma de una fibra, similar a los cables marinos de siete
cabos, que constan de una hélice central y otras seis
arrolladas a su alrededor.

Como otro ejemplo estructural, tanto la
seda como las telas que tejen las arañas están
hechas de fibroma, una proteína con estructura secundaria
laminar, en lugar de helicoidal.

Finalmente, la función
catalítica que llevan a cabo las enzimas es un
ejemplo casi mágico de la importancia de la estructura
proteica. Estas proteínas globulares son las responsables
de acelerar la multitud de reacciones químicas de un
organismo. La manera como lo logran es adoptando un arrollamiento
tal que sólo da cabida a que se fije sobre su superficie
(y en cierto sitio específico) una determinada
molécula, la que debe reaccionar, y no otra (véase
la figura 23). Lo que parece como de cuento es que este tipo de
moléculas hayan aparecido, y sus medios de
acción
se hayan perfeccionado a lo largo de los 4 000 millones de
años de existencia de condiciones propicias para el
surgimiento y evolución de los seres vivos sobre la
Tierra.

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Figura 23. Las enzimas son
proteínas que catalizan las reacciones biológicas.
Para que sean activas requieren la presencia de una coenzima
(como las vitaminas del
complejo B). Estas parejas logran llevar a cabo reacciones
específicas en los organismos vivos. En la figura se
muestra la ruptura de un sustrato cualquiera. Las enzimas se
emplean también en multitud de procesos industriales, como
la manufactura de
alimentos, vino y cerveza,
fármacos, detergentes, textiles, cuero y
papel.

ÁCIDOS NUCLEICOS O
POLINUCLEÓTIDOS

La información genética
(color de piel
amarillo, pelo negro, ojos cafés, etc.) se encuentra
guardada en los genes del núcleo de las células,
en una macromolécula llamada ADN (ácido
desoxirribonucleico). Esta información es transmitida a
las células que fabrican las proteínas a
través de otra macromolécula, el ARN (ácido
ribonucleico), que es muy semejante al ADN. Estas dos
macromoléculas, conocidas como ácidos nucleicos,
son las más largas que se han descubierto hasta el momento
y tienen masas moleculares superiores a 20 000 millones de uma.
Son la parte fundamental de los sistemas de reproducción de todos los seres vivos,
desde los virus hasta el homo sapiens. Pero ¿cómo
están constituidas?

LAS BASES

Tanto en el ADN como en el ARN se
encuentran diferentes moléculas cíclicas con varios
átomos de nitrógeno. Por sus propiedades
básicas son conocidas como bases púricas (aquellas
derivadas de la
purina) y bases pirimídicas (derivadas de la pirimidina).
La fórmula 69 presenta las cinco bases de los
ácidos nucleicos.

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Fórmula 69. Fórmulas de las
dos bases púricas y de las tres bases pirimídicas
que forman parte de los ácidos nucleicos.

El ADN contiene cuatro de estas
moléculas, y difiere del ARN en que la timina reemplaza al
uracilo. Así, si damos la siguiente nomenclatura: A=
ademina, G= guanina, C= citosina, U= uracilo, y T= timina,
entonces los dos ácidos nucleicos contienen las siguientes
bases:

ADN= A, G, C, T.

ARN= A, G, C, U.

LOS NUCLEÓSIDOS

Los nucleósidos consisten en la
unión de una base púrica o pirimídica a una
molécula de azúcar (sacárido). Los
azúcares que se presentan contienen sólo cinco
átomos de carbono y no seis, como en el caso de la glucosa
y la fructosa. La ribosa (en el ARN) o la desoxirribosa (en el
ADN) son los dos azúcares presentes en los ácidos
nucleicos (véase la fórmula 70). La única
diferencia entre estas dos moléculas es la presencia de un
grupo OH adicional en la ribosa. Este simple cambio tiene,
sin embargo, un profundo efecto en las funciones
biológicas de la macromolécula.

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Fórmula 70. La ribosa (a) y la
desoxirribosa (b). Cuando estos azúcares se enlazan
químicamente a las bases de la fórmula 69, se
forman agregados que
reciben el nombre de nucleósidos.

LOS NUCLEÓTIDOS

Se llama nucleótido al resultado de
la unión de un nucleósido con un grupo fosfato (H2
PO-4). Es decir; están formados por una base
(púrica o pirimídica), un azúcar (ribosa o
desoxirribosa) y fosfato (véase la fórmula
71).

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Fórmula 71. Estructura de un
nucleótido con guanina como base y ribosa como
azúcar.

ÁCIDOS NUCLEICOS O
POLINUCLEÓTIDOS

Un nucleótido se une a otro por una
reacción de condensación, formando
polinucleótidos.

El ADN y el ARN son polinucleótidos
en donde los fosfatos actúan como puentes de unión
de diferentes nucleótidos. Con ello se forman
larguísimas cadenas. La columna vertebral de la cadena
está constituida por el grupo fosfato y el azúcar.
Las bases pueden considerarse como ramificaciones. Como en el
caso de las proteínas, la estructura primaria de estas
macromoléculas se encuentra definida por la secuencia de
los nucleótidos, la que, a su vez, depende de la base
ligada al azúcar (véase la fórmula
72).

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Figura 24. a) La doble hélice del
ADN consiste en dos polinucleótidos enlazados a
través de puentes de hidrógeno entre bases de cada
cadena. b) Una timina de un lado se une con una adenina del otro.
c) Una citosina con una guanina.

La ya famosa doble hélice
corresponde a la estructura secundaria de los
polinucleótidos. La forma helicoidal se adquiere gracias a
la existencia de enlaces por puente de hidrógeno entre las
bases de dos diferentes cadenas. Aquí se encuentra el
secreto de la vida (véase la figura 24).

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Fórmula 72. Segmento de
polinucleótido. El orden en que se arreglan las bases a lo
largo de la cadena es la clave de la información
hereditaria de un individuo. En
estas cadenas radica la química de la herencia.

J. Watson, F. Crick y M. Wilkins ganaron el
Premio Nobel en 1962 por la elucidación de la estructura
secundaria del ADN.

El orden en que están acomodadas las
diferentes bases púricas y pirimídicas a lo largo
de la hélice determina el mandato genético para
producir, por ejemplo, una hormona humana o una célula
sexual de una mosca.

…AL ADN

Fue en 1973 cuando, por primera vez, los
bioquímicos lograron separar pedazos de genes de ciertas
especies animales e introducirlos en otra especie. Es decir; hoy
es perfectamente factible tomar un pedazo de ADN humano (el
responsable de producir la insulina, por ejemplo) y pegarlo a un
plásmido que se introduce a una bacteria. El resultado
sorprendente es una colonia bacteriana que produce insulina
humana. Con ello puede atenderse la necesidad de los enfermos de
diabetes, que no pueden producir esta hormona
pancreática.

Esta manipulación bioquímica
ha generado una nueva rama de la ciencia, que
se conoce como tecnología del ADN
recombinante (rADN) o ingeniería
genética. Y no es que el bioquímico pretenda
tomar el lugar del ingeniero, sino que ahora él
está en posibilidad de diseñar un nuevo tipo de
estructuras: ¡las de los seres vivos!

No queremos terminar este libro sin
mencionar y dar reconocimiento a un destacado científico
mexicano: Francisco Bolívar
Zapata. Fue el primero en describir; en 1977, un procedimiento
para unir eficientemente moléculas de ADN y luego
estabilizarlas en células bacterianas. Su artículo
ha servido de base para más de 6 000 trabajos en la
bibliografía mundial,
lo cual constituye el récord para un científico
latinoamericano. Bolívar estudió la carrera de
química y luego la maestría en bioquímica en
México. Fundó el Centro de Investigación en
Ingeniería Genética y Biotecnología (hoy Instituto de
Biotecnología de la Universidad Nacional Autónoma
de México) en Cuernavaca, Morelos. Por sus contribuciones
recibió a fines de 1991 el Premio Príncipe de
Asturias y en 1992 el Premio Nacional de Ciencias y
Artes.

Ha terminado el camino del tequesquite al
ADN. La trayectoria tomada puede haber parecido caótica y
desarticulada, pero su elección ha pretendido mostrar
algunos frutos de la ciencia central.

Esperamos que el lector haya podido
apreciar la aportación de la química a algunos
aspectos de nuestra sociedad
moderna. No le debe caber duda alguna de que la ciencia ha
actuado en los últimos 300 años como un enorme
elemento transformador de nuestro modo de vida. Si tomamos la
debida precaución en los efectos ecológicos de
estas transformaciones y las guiamos con un estricto sentido
ético, la ciencia nos proporcionará muchos
beneficios y muy pocos dolores de cabeza.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

Chow, S., Petroquímica y sociedad,
colección La Ciencia desde México, Fondo de
Cultura
Económica, México, 1987.

Comisión Petroquímica
Mexicana, Plásticos de ingeniería, SEMIP,
México, 1988.

Eguiluz, "Diagnóstico de la industria de los
polímeros en México", en Memorias del
Segundo simposio nacional
de polímeros, Urea, México, 1986.

Jones, M. M., J. T. Netterville, D. O.
Johnson, y J. L. Wood, The World of Chemistry, caps. 15 y 16,
Saunders, Filadelfia, 1992.

Hughes, T., Chemistry: Ideas to Interpret
Your Changing Environment, caps. 9 y 10, Dickenson, Encino,
1975.

Mark, H. F., Móleculas gigantes,
Colección Científica, Time Life, México,
1972.

Paladini, A. C. y M. Burachik,
Macromoléculas. Monografías de química,
núm. 3, OEA,
Washington, 1968.

Ureta Barrón, E., Polímeros,
ANUIES, México, 1975.

Contraportada

"La química es la ciencia de las
transformaciones de la materia", proponen los autores de este
libro como definición de la que consideran "ciencia
central". En efecto, parece mentira que si
tomamos un metal muy activo —el sodio— y un gas
tóxico de tono verdoso —el cloro— obtengamos
nada menos que la sal común de mesa con que condimentamos
nuestros alimentos. Esta aparente "magia" del cambio
químico ha fascinado al hombre desde sus primeros tiempos,
y aún nos atrae, como a los primitivos, la visión
del fuego, visión inexplicable, que transforma
definitivamente los objetos que toca.

Pese a que el hombre a lo
largo del tiempo aprendió en forma pragmática
numerosos principios de la
química, e incluso inventó una seudociencia
paralela, la alquimia, apenas han pasado unos doscientos
años desde que la química cuenta con una base
sólida y un método
científico propios. Mas en este corto tiempo, la
química ha servido al hombre para crear nuevos materiales
y, sobre todo, para interpretar una multitud de fenómenos
que nos rodean, entre ellos el origen mismo de la
vida.

En tiempos de cambios vertiginosos, los
autores consideran perentorio presentar una imagen
útil, cotidiana y, especialmente, accesible, de la
química, en la estimación de que es "indispensable
modificar radicalmente los esquemas prevalecientes de la
difusión y enseñanza de las ciencias" en la esperanza,
acorde con los principios de esta colección, de animar al
lector a que profundice en sus lecturas sobre la materia y
vencer, en los estudiantes, la fobia existente contra el aprendizaje de
las ciencias.

Se inicia así el largo camino del
tequesquite, la sal alcalina utilizada como condimento por los
antiguos mexicanos al ADN, la estructura helicoidal que encierra
el "secreto de la vida", ambos sustancias químicas: una
sal y un polinucleótido.

Andoni Garritz y José Antonio
Chamizo son profesores de tiempo completo del posgrado de la
Facultad de Química de la UNAM, donde
hicieron su licenciatura y maestría. Garritz se
doctoró en esta facultad y Chamizo en la de Sussex,
Inglaterra. Ambos
son miembros del Sistema Nacional
de Investigadores. Preocupados por la enseñanza de la
química, han insistido en la necesidad de corregir la
metodología didáctica de la ciencia en los niveles
básicos. En esa concordancia, este libro ofrece un enfoque
atractivo y pedagógico de varios lemas de la
química, hecho de manera que justifique para esta disciplina el
calificativo de "ciencia central".

Diseño: Carlos Haces/Fotografía: Carlos Franco

COMITÉ DE
SELECCIÓN

Dr. Antonio Alonso

Dr. Gerardo Cabañas

Dr. Juan Ramón de
la Fuente

Dr. Jorge Flores Valdés

Dr. Leopoldo García-Colín
Scherer

Dr. Tomás Garza

Dr. Gonzalo Halffter

Dr. Raúl Herrera

Dr. Jaime Martuscelli

Dr. Héctor Nava Jaimes

Dr. Manuel Peimbert

Dr. Juan José Rivaud

Dr. Julio Rubio Oca

Dr. José Sarukhán

Dr. Guillermo Soberón

Coordinadora:

María del Carmen
Farías

EDICIONES

Primera edición
(La Ciencia para todos), 1989

Segunda edición, 1995

Tercera edición (La ciencia para
Todos), 1997

Se prohíbe la reproducción
total o parcial de esta obra

—Incluido el diseño
tipográfico y de portada—,

sea cual fuere el medio, electrónico
o mecánico,

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La ciencia para Todos es proyecto y
propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que
pertenecen también sus derechos. Se publica con los
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ECONÓMICA, S.A. DE C. V.

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México, D.F.

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edición)

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ISBN 968-l6-3038-6 (la.
edición)

Impreso en México

 

DEDICATORIA

A nuestros padres:

JESÚS DE GARRITZ

JOSÉ CHAMIZO

 

 

 

Enviado por:

Leonel J. R.

Partes: 1, 2, 3, 4
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