la química de las bombas

Citando textualmente la opinión de nuestro profesor de física en la ciencia ficción: "si yo estudiase química, lo primero que habría aprendido sería a construir bombas, es lo único realmente útil de esa carrera...". Creo que voy a seguir su consejo e investigar un poco en este tema. Además, ya no es la primera vez que alguien se extraña porque no soy capaz de hacer magia para que las cosas exploten espontáneamente a mi alrededor.

Voy a usar como excusa una de las escenas de El Hombre Sin Sombra, en la que Sebastian, ya totalmente desquiciado y decidido a matar a todos sus compañeros del laboratorio, coge una botella de tamaño descomunal de ácido sulfúrico (a lo que acompaña música catastrofista de "malo malísimo está tramando un plan malévolo"), mezcla un poco con otros productos químicos, lo tira al suelo y produce una gran explosión que se carga medio laboratorio. Después de eso prepara una mayor cantidad de su mezcla suprema con la malévola finalidad de cargarse el edificio entero, y pone un temporizador para intentar escapar él y de paso hacerlo mucho más interesante.

Lo que mezcló este chico tan listo con el ácido sulfúrico fue ácido nítrico y glicerina, obteniendo ese tan famoso explosivo que todos conocemos, la nitroglicerina. Este compuesto, de fórmula molecular C3H5N3O9, fue descubierto por accidente por el italiano Ascanio Sobrero (que era médico y químico a la vez) por accidente, y estudiado más a fondo por el célebre Alfred Nobel, al que se le ocurrió mezclarlo con sustancias más estables como el SiO2 (sílice) y así formar la dinamita, que tiene todas las propiedades explosivas de la nitroglicerina, pero es bastante más estable, manejable y segura al no ser tan sensible a cualquier movimiento.

Como vemos en su fórmula molecular, la nitroglicerina no está compuesta de azufre, lo que hace realmente el ácido sulfúrico es actuar como medio de reacción (lo que los químicos llamamos medio ácido o básico, según el tipo de reacción que sea se lleva a cabo mucho más fácilmente en uno u otro medio). Teniendo un exceso de H2SO4 (sulfúrico) y cantidades apropiadas de nítrico (HNO3) y glicerina o 1,2,3-propanotriol (C3H8O3), la reacción que se produce es la siguiente:

3 HNO3(ac) + CH2OH-CHOH-CH2OH(l) -> NO3CH2-CHNO3-CH2NO3(l) + 3H2O(l)

La nitroglicerina, o 1,2,3-trinitropropano según la IUPAC, es una sustancia líquida a temperatura ambiente que, como ya he dicho antes, es muy sensible a cualquier movimiento, y además esta sensibilidad aumenta con la temperatura. De hecho, cuando alcanza su llamada temperatura límite (41ºC, poco más que la temperatura ambiente), produce una reacción altamente explosiva:

4C3H5(NO3)3(l) -> 12CO2(g) + 10H2O(g) + O2(g) + 6N2(g)

Que una reacción química sea explosiva no significa otra cosa que ser altamente exotérmica, esto es, desprende una gran cantidad de calor. Hay muchas otras reacciones químicas con esta propiedad, como la mezcla de metales alcalinos con agua (abajo os dejo el link para que os deleiteis), o la mezcla de gas F2 con casi cualquier compuesto orgánico.

Todas estas reacciones altamente exotérmicas son, obviamente, más explosivas cuanta mayor cantidad de materia reaccione. Por eso, a pesar de lo potente que es esta reacción, me siguen quedando dudas acerca de si realmente este personaje podría ser capaz de hacer al laboratorio entero saltar por los aires con ocho botecitos de nada llenos de nitroglicerina. Por mucho que les quiera dar vueltas para que choquen, la materia es la que hay, y la explosión que se produce en la peli es realmente espectacular. Más me inclino a pensar que, a pesar de estar basada en principios científicos válidos, hayan exagerado un poquito los efectos de la explosión. Pero bueno, me imagino que habrá que perdonárselo teniendo en cuenta que la peli está plagada de cosas bastante menos creíbles, como, para empezar, el hecho de que hayan sido capaces de volver a un hombre totalmente invisible.

Termino con lo prometido...
http://www.youtube.com/watch?v=pyy8cKpXkPo

Menuda joya...

Hoy voy a hacer un estudio de una de las escenas de Superman que vimos en clase, que además está muy relacionado con algo que se pregunta todo hijo de vecino que empieza a estudiar química en el instituto y piensa que va a cambiar el mundo con su idea revolucionaria. Si el grafito y el diamante tienen exactamente la misma composición, ¿por qué no convertimos el grafito en diamante? No puede ser tan difícil...

Fijándonos en el diagrama de fases del carbono, vemos claramente que su forma estable en condiciones atmosféricas (1atm, 298K) es el grafito. Ahora bien, cambiando estas condiciones está claro que podemos obtener carbono en cualquiera de sus otras formas alotrópicas, como el diamante, que aunque no es la estructura más estable termodinámicamente hablando (es decir, no es la de menor energía), existe sobre la superficie terrestre, manteniéndose en un estado metaestable.

Un estado metaestable en química es, por así decirlo, el equivalente de un punto de equilibrio inestable en física. Esto es, un ligero cambio en las condiciones (en este caso presión y temperatura) pueden provocar un cambio en el sistema hacia la fase más estable. El proceso de transformación de carbono en grafito es espontáneo. Sin embargo, no se ha dado ningún caso hasta el momento de ningún millonario de turno que se haya comprado un diamante y se haya encontrado un cacho de mina de lápiz un día en el cajón, así de repente. Esto se debe a que la energía de activación de este proceso es extremadamente alta, tanto que, a pesar de ser espontáneo, el proceso es tan sumamente lento que no es observable a escalas temporales de una vida humana.

Esta energía de activación depende únicamente de la temperatura, a temperaturas más altas habrá una mayor proporción de partículas que superen esta barrera energética y pasen de un estado a otro (en el sentido espontáneo si no hay agentes externos que modifiquen el sentido de la reacción).

Ahora bien, las cosas cambian cuando nos encontramos a un agente externo, y no a un agente externo cualquiera, sino al señor Superman, que coge un puñadito de carbón de una mina, aprieta muy fuerte y en unos segundos saca un diamante perfectamente pulido de un tamaño más que respetable.

Analicemos. Volviendo a mirar el diagrama de fases, considerando que la temperatura sigue siendo todo el rato la ambiental, vemos que se alcanza la línea de equilibrio grafito-diamante a una presión de aproximadamente 20kbar. Es decir, unas 15000atm. 15000 veces la presión atmosférica al nivel del mar. Poniéndole al diamante una superficie de unos 6cm2 (que ya tiene que ser grande el diamante de las narices), me sale una fuerza de...
15000atm x 6cm2 x (101300Pa/1atm) x (1m2/10000cm2) = 911700N.

Como si levantas un autobús de casi 100 toneladas y te pones a hacer pesas. Pero bueno, sabiendo lo que hay en otros momentos estelares de las pelis de Superman, nos lo creemos. Es capaz de provocar ese aumento de presión, modifica el sentido de la reacción, crea unas condiciones en las que es posible termodinámicamente convertir el grafito en diamante.

Recalco el “termodinámicamente”. Aquí es donde nos surge verdaderamente el problema. La cuestión es que, en un proceso como éste, influyen dos factores: el termodinámico y el cinético. El primero nos indica si el proceso es posible o no (y ya hemos visto que, si nos tragamos la superfuerza, es posible), pero no nos dice nada de la velocidad de la reacción. Esta velocidad viene determinada por una constante, que sacamos de nuestra famosa ecuación de Arrhenius k = Ae^(-Ea/RT). De aquí se deduce fácilmente que, a mayor energía de activación, menor constante de velocidad.

Aquí vienen a cuento dos comentarios que hice antes: el primero, que la transformación de diamante en grafito es espontánea pero tiene una energía de activación altísima. Y el segundo, que la energía de activación sólo depende de la temperatura. Ya que habíamos concluido que Superman cambia la presión pero no la temperatura, no influye en absoluto en la energía de activación del proceso. Además, observando la gráfica de un perfil de reacción de productos menos energéticos que los reactivos, vemos que la energía de activación del proceso inverso es todavá mayor que la del directo. Es decir, que si el diamante tardaba su tiempo en convertirse en grafito, éste tardará aún más en transformarse en diamante, por mucho que se den las condiciones termodinámicas idóneas.

Igual entre los poderes de Superman está el de pulsar el botón de fast forward y adelantar de golpe millones de años sin que nadie lo note, pero si no... creo que esta vez nos han mentido vilmente. He ahí mi conclusión de todo este rollo. Vamos a tener que buscarnos otra estrategia para hacernos millonarios...

Rayos y centellas

Siguiendo un poco con el tema de los superhéroes, esta vez me llaman más la atención los que tienen superpoderes menos mecánicos, digamos (véase súper velocidad, elasticidad, etc.), sino capacidad de generar cosas, bien sea chorros de hielo a partir de la humedad del ambiente, llamaradas de fuego que además permiten al tío en cuestión volar a toda velocidad, o incluso corrientes eléctricas.

Hablemos primero de la antorcha humana. Su superpoder de envolverse en llamas y lanzar chorros de fuego cuando le apetece me plantea una primera, y bastante seria, pregunta: ¿cómo hace la gente para sobrevivir en un radio de 50 metros de un tío que está a una temperatura de 3700ºC? Porque vale que se les ocurriera la genial idea de envolver las llamas que soltaba con un "campo de fuerza" de la otra chica fantástica, pero no fue una cosa inmediata, la antorcha ya se había lanzado todo decidido a convertirse en "supernova" en medio de una calle llena de gente, y al único al que pareció afectarle el cambio de temperatura fue al malo de la peli.

Supongo que esto tendrá alguna explicación. A lo que no le veo explicación es a que sea capaz de volar, aunque le di bastantes más vueltas. Supongamos que, al convertirse en fuego, su densidad disminuya hasta hacerse más similar a la del aire, que tampoco sería tan increíble si consideramos que el fuego está compuesto de oxígeno y otros gases por el estilo a temperaturas tan altas que tienen volúmenes molares bastante pequeños (aquí igual debería documentarme algo más, pero me vale como una primera aproximación). En ese caso, podría entender que el hombrecillo en llamas flotase en el aire. A la pregunta de cómo se desplaza, las veces que la pregunté por ahí, se me contestó con un: "hombre, si el aire a su alrededor se calienta, le empuja y vuela". Así de obvio y de fácil. Lo que pasa es que el paisanín se calienta igual por todos los sitios, lo que en buena lógica hará al aire a su alrededor calentarse igual por todos los sitios. Así que ahí las fuerzas deberían estar compensadas.

Sólo se me ocurre que lo de volar y convertirse en fuego sean dos poderes diferentes, que no tengan nada que ver. Lo que me pregunto entonces es, obviamente: ¿por qué sólo puede volar cuando está convertido en llamas? Qué personaje más maravilloso. No entiendo nada.


El doctor Muerte, por otra parte, también tiene poderes bastante inexplicables, pero menos inconexos unos con otros. Se supone que se convierte en un material nuevo, desconocido hasta el momento pero totalmente maravilloso, más duro que el diamante (me gustaría seriamente estudiar su estructura interna, seguro que tiene unas celdillas unidad cojonudas, y su composición ni te cuento), que conduce la electricidad y además actúa como una especie de condensador, es capaz de almacenar la carga eléctrica que chupa de la corriente. Por lo menos, al principio. Al final, cuando está totalmente evolucionado, ya no necesita ni acercarse a una fuente de energía eléctrica, le vale con estirar los brazos y concentrarse mucho para que la corriente se transmita por el aire hasta su cuerpo y así poder lanzar un chorro de electricidad que provoca masacres dignas del malo malísimo. Y todo esto sin que la corriente que fluye por su cuerpo afecte a sus órganos vitales, por supuesto. Si no, menuda mierda de poderes.

A lo que quería llegar con el doctor Muerte, es a que es capaz de almacenar carga eléctrica, pero no de crearla. Sin embargo, tengo por aquí a otro amiguito que no es concretamente un superhéroe pero que es de sobra conocido por todos por sus ataques eléctricos. Os presento a: Pikachu! El ratocillo pokémon que era capaz de lanzar chorros de electricidad que, según mi hermana, se generaban en esas dos bolitas rojas estilo Heidi que tiene en las mejillas, cosa que yo siempre pensé que era sólo estética. Los creadores de pokémon se lo montaron bastante bien, ya que todos sabemos que los ataques eléctricos contra los bichitos de roca no eran tan efectivos como contra un bichito normal, y por supuesto a los pokémon de agua los dejaba totalmente fritos (después de eso tardé en creerme que el agua pura no conduce la electricidad)... Pikachu lanzaba su rayito eléctrico en el agua y era capaz de direccionarlo hacia donde él quería, y además de que la descarga no le afectase a él en absoluto. Lo comparo con meter el secador en la bañera y vamos, prefiero no hacer experimentos prácticos.

Ahora bien, mientras estaba hurgando un poco por internet para recordar curiosidades sobre Pikachu que hace diez años me conocía (y me creía) al dedillo, encontré un dato que me sorprendió. Cito literalmente de la Wikipedia: "Cuando Pikachu está en presencia de un campo magnético, es incapaz de descargar electricidad, provocando síntomas semejantes a la gripe." OJO. Agradecería que alguien se dignara a analizar esta frase y explicármela un poco (a ver si generamos debate aquí y todo).



Próximamente, retornaremos entradas antiguas y seguiremos dándole vueltas al tamaño y fuerza relativa de la mujer de 50 pies, que no se me olvidó, pero creo que esta entrada ya es lo suficientemente extensa para meternos con eso.
Hasta mañana, chicos!

Superhéroes.

Sé que hay muchos superhéroes por ahí que violan las leyes de la física constantemente, y que podría ser más original y ponerme a hablar de algo que no haya salido en clase. Pero creo que voy a empezar por uno de los integrantes de Los Increíbles, la mamá Helen o Elastigirl.

El superpoder de esta chica es, como su propio nombre indica, una súper elasticidad, pero no una elasticidad como peude tener un gimnasta pero a lo bestia, sino una capacidad de encogerse y alargarse como una goma del pelo, como si no tuviera huesos. La cosa es que, en la película, cada vez que Helen quería estirarse mucho, sus brazos y sus piernas se hacían más finitos, y si quería aumentar su superficie llegaba a ser prácticamente plana, como una manta (como cuando hacía de paracaídas para salvar a sus hijos). Esto me hace suponer que, durante sus transformaciones, Helen mantenía su masa y volumen constantes, no como les pasaba al hombre menguante y a la mujer de 50 pies. Es decir, que cuanto más alta era, más delgadita estaba. Realmente no recuerdo si alguna vez usó su superpoder para hacerse más pequeña, siempre intentaba alargarse para alcanzar objetos lejanos y cosas así o cambiar de forma (un puntazo cuando adaptó la forma de un barquito), pero si hubiese decidido encongerse, que en principio no debería de tener ningún problema para ello, supongo que debería haberse convertido en una especie de esfera... calculo que esa sería la altura mínima que podría alcanzar, una esferita que contuviese el mismo volumen que ocupa ella en cualquiera de sus otras formas (que supongo que es siempre el mismo, si no todo este razonamiento es una estupidez).

Sin embargo tengo aquí a otro personaje, sacado del libro de The Physics of Superheroes que tenía empolvado en la estantería (y que ahora me viene al pelo), que no sólo es capaz de controlar su tamaño sino su masa. Es decir, que no cambia de tamaño a masa constante (quedando bastante inestable una vez supera una determinada altura) ni a densidad constante (llegando un momento que no puede sostenerse o que pesa demasiado poco), sino que básicamente hace lo que le da la gana, tiene hasta botoncillos en su pijama de superhéroe para controlar su altura y su masa como quiere (aquí los llama “size and weight controls”). He de admitir que hasta que me puse a leer este capítulo no sabía de su existencia. Se llama The Atom (cosa que también me viene al pelo) y surgió, como en tantos otros casos, de un científico que intentaba hacer experimentos y acabó saliendo algo que no se esperaba. En su caso, lo que intentaba era comprimir materia para hacer más sencillo el transporte y cosas así, la idea no era mala si resulta que también es posible controlar su masa para no pasarnos de peso si queremos llenar un camión de mercancías comprimidas para ahorrarnos viajes y gasolina. Aunque por lo visto esto último no estaba entre sus prioridades sino que le vino un poco de chiripa por el polvillo de enana blanca que resultó ser el ingrediente que faltaba en su fórmula para hacer más pequeños objetos sin que explotaran (esto era un pequeño inconveniente de sus resultados).

The Atom sólo podía hacerse más pequeño, pero le resultaba bastante útil. Se hacía pequeñín hasta que el malo no le viera, luego iba a pegarle un puñetazo pero en el instante oportuno aumentaba de golpe su masa para pegarle con toda la fuerza posible, pero sin hacerse más grande. El tío comprimía y expandía materia, la creaba y la destruía a su antojo. Además, se hacía más ligero para aprovechar las corrientes de aire como medio de transporte, cosa cuya validez física pone en duda el librito este.

Para empezar, si el aire está a igual temperatura encima que debajo del señorito, no importa lo ligero que pueda ser porque las fuerzas que ejercen las moléculas de aire contra él estarán en equilibrio entre ellas y la gravedad le empujará hacia el suelo. Sólo sería capaz de mantenerse en el aire si debajo la temperatura es mayor que encima, a mayor energía cinética de las partículas más fuertes serán los choques, pero una cosa es flotar ahí y otra conseguir que la corriente te lleve a donde quieres y a la velocidad que quieres... simplemente se limitaría a desplazarse del foco caliente al frío, lo cual no tiene por qué serle muy útil.

En fin, me parece que este individuo tiene bastantes puntos interesantes que comentar, tendré que documentarme mejor. Espero no haberme distanciado mucho de lo que estamos viendo estos días en clase. Dentro del libro me llamó la atención porque relaciona muchos de sus fallos físicos con las leyes de la Termodinámica (y tengo que decir que, en este momento, es la rama de la física en la que más estamos metidos nosotros).

Un último comentario. Me creo perfectamente que Spiderman haya matado a su propia novia, los superhéroes no son tan listos como parece..

http://www.youtube.com/watch?v=RY1U_pXUxUo&feature=player_embedded

Hasta el martes, chicos.

Ley de escalas (primer intento).

Aunque tenía otra entrada ya escrita creo que daba bastante pena, así que voy a estrenar el blog de una manera que espero que no sea ni demasiado tarde ni demasiado mal, reflexionando sobre una dudilla que me quedó entre la clase de hoy y la de ayer.

Usando la ley de escalas y el concepto de fuerza relativa, vimos por qué (por citar el ejemplo de la diapositiva, pero me imagino que la misma regla valdrá para todo) no puede haber gorilas gigantes, llamando gigante a un gorila de cinco metros, ya no entro en el tamaño de King Kong. Y que estos gorilas gigantes no son viables, entre otras cosas, porque pesan tanto que no pueden consigo mismos.

A lo que viene mi idea... se supone que la fuerza de un animal (o de una persona, me da igual) aumenta con su tamaño, digamos. Un hombre de dos metros tiene más fuerza que uno de 1'50, hasta ahí todo bien. Pero si la fuerza relativa va disminuyendo con el tamaño de los cuerpos, aunque no se llegue al punto de no poder con uno mismo, tiene que haber un momento intermedio en que no compense seguir creciendo porque, aunque tengamos más fuerza "neta" digamos, tenemos que gastar tanta en sujetarnos a nosotros mismos que nos queda menos para otras cosas.

Osea, que si un gorila de 5 metros no puede existir porque pesa tanto que no soporta su propio peso, uno de 4 metros.. ¿tiene más fuerza que uno de tres, o incluso que uno de dos que se supone que es el que la naturaleza considera más viable -porque es el que existe- teniendo en cuenta lo que pesan todos?

Y aplicando esto a la mujer de 50 pies... obviamente la chica se pasa un poco de las proporciones aceptadas como viables por nuestros razonamientos. De todas formas, supongamos que todavía no llega al límite de no poder con su propio peso y "puede" existir. Una de las cosas que me llamó más la atención de la película (pero que no dije en clase porque al principio me parecía una obviedad) era la fuerza que adquirío la mujer al aumentar de tamaño. Lo primero que piensas es: bueno, cuanto más grande más fuerza y ya está. Pero la chica tiene que tener una masa corporal tan inmensa que, supuesto que pueda sostenerse a sí misma, poca cosa le queda para andar cogiendo coches y bidones llenos de vino y personas como si fueran juguetes.

No sé realmente si esto tiene una explicación física, si entra dentro de lo que es totalmente absurdo o si para la chica un coche más o menos es como quien lleva una moneda en el bolsillo, que tampoco supone una gran diferencia para ella aunque pese tanto. Pero me llamó la atención.

Hasta aquí mis paranoias por el momento. Un saludo.

Ah, y que nadie me juzgue por el nombre del blog por favor...