Un paseo por la Química de la Navidad

¿TIENE QUÍMICA LA NAVIDAD?

¡¡Cómo no va a tener Química la Navidad si es la época más sensible y emocional del año!!

En este artículo podrás conocer la Química Navideña que hay en los abrazos, en la cocina, en los licores, en el árbol de Navidad y sus luces así como en los regalos tecnológicos que ponemos a sus pies y en el oro, el incienso y la mirra que los Reyes Magos ofrecieron al Niño Jesús en el Portal de Belén.

La Química de los encuentros

Pues empecemos por ahí, por las emociones. Ya lo dijo nuestro premio Nobel de Medicina, D. Severo Ochoa: "El amor es física y química...Pero una física y química muy sofisticadas, ¿eh? Yo creo que somos eso y nada más, física y química".

Aunque un poco exagerada, esta afirmación tiene base científica: cuando abrazamos o besamos a un ser querido el cambio de temperatura y la sensación de la caricia son captadas por unos receptores llamados corpúsculos de Meissner localizados en nuestras manos y labios y que, enseguida, envían el estímulo a la pituitaria, una glándula del tamaño de un guisante que tenemos en la base del cerebro. Dicha glándula produce la hormona oxitocina que subirá a una parte del cerebro denominada centros de recompensa donde una cascada de reacciones químicas acabarán produciendo una sensación de bienestar y calidez en la corteza cerebral, que es donde las neuronas crean los pensamientos de los que somos plenamente conscientes: ¡qué alegría de oxitocina, oiga!

Fórmula de la oxitocina, tan complicada como lo son muchas veces las emociones humanas

Fijaos si son importantes que de bebés, si no nos acarician, podríamos morir. Durante la 2ª Guerra Mundial, por la ferocidad de los ataques bélicos, había tal cantidad de bebés huérfanos que los hacinaban en los albergues y las enfermeras apenas tenían tiempo de cambiarlos y alimentarlos más que de forma mecánica. El 90% fallecían antes de cumplir un año. Afortunadamente, el Dr. Chapin se dio cuenta. Al final del artículo dejaré el enlace para quien quiera leer este hecho con detalle.

La Química de los alimentos cocinados

Otro de los clásicos de la Navidad es el pavo asado y eso también tiene su química. Concretamente es la reacción de Maillard la que genera el color doradito del pavo asado, así como su sabor y olor. Para ello, durante la cocción, los azúcares y las proteínas que contiene la carne reaccionan entre sí haciendo que estas últimas pierdan su estructura rígida inicial y se ablande. Además, se producen cientos de nuevas moléculas como las melanoidinas, que oscurecen la carne, y otras como los furanos o los tiofenos, que harán las delicias del paladar y el olfato humanos.

Para que esta reacción se dé, la temperatura ha de ser suave, sobre los 150 ºC, porque si es muy alta las proteínas no se descomponen sino que se agrupan y la carne se queda seca y dura.

La reacción de Maillard y su característico color tostado se produce también al cocinar otras carnes y otros alimentos como al cocer la masa para elaborar galletas o mantecados, al sofreír cebolla, al tostar el pan o los granos de café y...también al fabricar esa bebida que gusta tanto, ¡la cerveza!

Cada alimento cocinado tiene su propia reacción de Maillard y, por tanto, los cientos de moléculas que se generan son específicos de él y, por tanto, tendrá un sabor característico que lo diferenciará de los demás. Además, para un mismo plato, pequeñas variaciones en las condiciones de temperatura, tiempo de cocinado o el orden de los ingredientes hacen que los productos de reacción nunca sean exactamente los mismos y por eso unas veces nos sale más sabroso que otras.

La Química de los licores

No hay celebración navideña que se precie que no termine con una degustación de mantecados y una copita de anís u otro licor.

Y para fabricarlos son fundamentales dos procesos:

1. Macerar la matalahúga o semilla del anís. Para ello se deja reposar unas horas (o unos días) en una mezcla de alcohol etílico y agua. De esta manera, el anetol de la semilla se disuelve en el alcohol.

2. Destilar en un alambique la mezcla anterior mediante calentamiento para que la parte más volátil (la que hierve antes), en este caso el alcohol y el anetol que lleva disuelto, se vaporice y se separe del agua al subir por el conducto que lleva al condensador, donde, gracias al agua fría, se licuará y caerá por su propio peso en un colector en forma de rico anís. En realidad, este proceso hay que repetirlo 2 o hasta 3 veces hasta obtener el llamado anís seco. Si se desea anís semidulce o dulce hay que añadirle posteriormente la cantidad correspondiente de agua azucarada.

La Química del Árbol de Navidad

¿Natural o sintético? Aquí podríamos llevarnos una sorpresa, pues parece razonable que un árbol artificial, al poder utilizarlo durante varias navidades, sería más ecológico que talar uno natural. Pero, al parecer, no es así, como lo demuestra la llamada "huella de carbono" que dejan ambos. Esta huella mide cuántos gases de efecto invernadero se emiten a la atmósfera cuando se genera un producto, ya sea este natural o artificial. Su valor se mide en equivalentes de kilogramos de dióxido de carbono, CO2, ese gas que se produce cuando quemamos carbón o cualquier derivado del petróleo para obtener la gran cantidad de energía que precisa nuestro actual modo de vida y que es el principal responsable del calentamiento global. Resulta que dicho gas se acumula con el tiempo en la atmósfera y terminará por cambiar el clima de la Tierra con efectos devastadores para la humanidad (se deshelarán los polos y subirá tanto el nivel del mar que quedarán sepultadas bajo el agua las casas de muchas ciudades costeras; en unas zonas del planeta habrá fortísimas tormentas que producirán inundaciones mientras que otras que ahora son húmedas se convertirán en auténticos desiertos, etc.)

Pues bien, según un informe de la compañía Carbon Trust, la huella de carbono emitida al producir un árbol natural de 2 metros de altura es de 3.5 kg de CO2 (si termina siendo quemado) mientras que para uno artificial resulta ser de 40 kg. Es decir, solo si el artificial lo usamos durante al menos 12 años será más ecológico que comprar uno natural (la media de uso está en 6 años). Además hay que considerar que, en los aproximadamente 10 años de tiempo para alcanzar esos 2 m, el árbol ha estado oxigenando el planeta, así como que en los viveros por cada uno que arrancan plantan otro con el fin de hacer viable su negocio. Eso sí, son más caros que los sintéticos.

Los árboles de Navidad sintéticos están hechos de PVC, un plástico ligero, resistente y que no propaga el fuego (otra ventaja). Se producen mezclando el etileno derivado del craqueo del petróleo (trocear las moléculas grandes que lo componen) con el cloro obtenido de la electrólisis de la sal. Se forman moléculas de cloruro de vinilo que se enganchan unas a otras obteniéndose lo que se conoce como un polímero, una larga cadena llamada Cloruro de polivinilo, (PolyVinyl Chloride, en inglés, de ahí el nombre PVC).

Además, otros plásticos como el polietileno o el polipropileno son el material constituyente de las típicas bolas, campanas y estrellas con las que adornamos nuestro árbol en esta época.

¿Y por qué los árboles de Navidad huelen tan bien? Entre los naturales, el más usado es el pino, cuyas puntiagudas hojas contienen acetato de bornilo, un compuesto de la familia de los ésteres de bajo peso moleculas que son los responsables del agradable aroma de muchas frutas así como de la sensación de frescura y limpieza. Además, en la resina de su tronco corre también otro compuesto muy aromático llamado Alfa-pineno. Si no ha pasado mucho tiempo desde que cortó, el árbol estará hidratado y el movimiento de la savia aún continúa y es más fácil olerlo. Además es un compuesto bastante inflamable, lo que explica la facilidad con la que arden los pinos.

La Química de las luces de Navidad

Donde hay Luz, hay alegría, y si hay muchas, son de colorines y parpadean, ya ni te cuento. Pero, ¿qué hay dentro de esas serpenteantes bombillitas que enaltecen nuestros corazones?

Pues hasta finales de los 90 las bombillitas que se utilizaban en la decoración navideña eran tipo luz incandescente. En su interior llevan un filamento de Wolframio (desde el 2005 lo correcto es llamarlo Tungsteno) que es, de entre todos los metales, el que que más resiste al calor sin derretirse. Además, posee una resistencia eléctrica alta comparada con el cobre de los cables, lo que hace que, cuando el flujo de electrones de una corriente eléctrica intenta atravesarlo, sus átomos les obstruyan lo bastante el paso para que el rozamiento le haga alcanzar al filamento temperaturas en torno a los 2500 ºC y emitir una luz amarillenta.

Para protegernos de este "minisol" y también para que el Tungsteno no se oxide, pierda su termorresistencia y "se funda", el filamento va encapsulado en vidrio y su interior relleno de un gas inerte, normalmente Argón, que, al poder obtenerse licuando aire, es barato y no oxida al metal.

Obviamente, la luz emitida por el filamento es amarillenta pero es el vidrio de la bombilla el que, al ser atravesado, dispersa la luz y determina el color final de la bombilla.

El problema es que las bombillas incandescentes consumen mucha energía eléctrica porque aproximadamente el 90% de la misma se manifiesta en forma de calor y solamente el 10% se emplea en iluminar. Por eso y otras ventajas, a finales de los 90 en los árboles de Navidad se imponen las luces LED, que consumen hasta un 80% menos y además duran más. Eso sí, son un poquito más caras.

LED son las iniciales de Diodo Emisor de Luz, dichas de atrás hacia adelante según se pronuncia en inglés.

Calle Larios (Málaga) con decenas de miles de bombillas LED

El fundamento del LED es la llamada Unión PN, que no, no es un nuevo partido político (¡qué alivio!) sino un semiconductor de Silicio con dos mitades, una a la que se le han añadido impurezas de Fósforo, y que llamaremos zona N, y otra cuyas impurezas son de Boro y que será la zona P. A esto se le llama "dopado".

N indica zona eléctrica negativa, y se debe a que cada átomo de Fósforo aporta un electrón de valencia más que el Silicio. Recordemos que la carga del electrón es negativa.

Al contrario, P indicará zona eléctrica positiva, pues el Boro tiene un electrón de valencia menos y, por tanto, deja huecos en la red atómica.

Nota.- Como puedes observar, pueden utilizarse otros elementos, además de los mencionados.

Pues bien, cuando enchufamos la parte negativa N al polo negativo de una pila la repulsión eléctrica obligará a los electrones extra a ocupar los huecos. Eso rebaja la energía del sistema y el exceso es liberado en forma de luz. Luego abandonan el hueco y este vuelve a ser rellenado una y otra vez por los electrones que continuamente va suministrando la pila. Como es lógico, según el tipo de semiconductor y de impurezas utilizados ese exceso de energía será diferente y producirá los LEDs de distintos colores: rojos, verdes, amarillos, azules, etc...

La Química de los regalos tecnológicos

El nombre de Silicon Valley, donde tienen su sede empresas como Google o Apple, no es casual. En español diríamos el Valle del Silicio, y es que el corazón de cualquier ordenador, móvil o dispositivo electrónico en general, sea para lo que sea, son un conjunto de microchips hechos con ese elemento: plaquitas de silicio ultrapuro del tamaño de un grano de arroz capaces de albergar diminutos circuitos con diodos y millones de transistores.

El funcionamiento de un transistor se basa en combinaciones de las uniones PN que explicamos anteriormente y su papel es clave. Como sabemos, los microchips procesan la información en lenguaje binario, es decir, convierten cualquier información por compleja que sea esta en una secuencia específica de ceros y unos. Físicamente esto significa que si pasa la electricidad se le asigna un 1 y si no pasa, un 0.

Pues bien, el transistor actúa como un interruptor en miniatura que puede regular eso unas 300 mil millones de veces por segundo. Si a eso le sumamos que en un microchip hay millones de transistores, comprenderemos por qué los dispositivos electrónicos como los ordenadores, televisores, electrodomésticos, escáneres médicos... hacen cosas tan complejas y almacenan tanta información con precisión y rapidez. Aquí podemos ver la imagen de un transistor:

¡Oopss!... parece que el transistor no era la vieja radio del abuelo

(En realidad las radios sí llevan transistores que usan para amplificar la señal recibidas)

Por otra parte, en la tecnología actual resultan imprescindibles un grupo de 17 elementos que vemos siempre "marginados" en la parte de abajo de las tablas periódicas: las Tierras Raras, llamados así porque están tan dispersos en el planeta que es "raro" encontrar un yacimiento con minerales que contengan esos elementos para que resulte rentable su extracción. Formalmente son el Escandio, el Itrio y los 16 elementos del grupo de los Lantánidos.

Son tan importantes porque con muy poca cantidad de los mismos sus propiedades magnéticas, luminiscentes y electroquímicas son muy eficientes para que funcionen dispositivos electrónicos pequeños como teléfonos, tabletas, ordenadores o, también, los imanes del interior de los motores, etc. Por ejemplo, un teléfono móvil suele llevar al menos 8 de estos elementos entre sus componentes: el Neodimio y el Praseodimio le hacen vibrar cuando te llaman mientras que el Terbio nos ayuda a disfrutar de colores más vivos en nuestra pantalla y el Lantano forma parte de las lentes de las cámaras.

Como la tecnología marca siempre el futuro de la humanidad, se habla de que las Tierras Raras son "el nuevo petróleo" y está creando tensiones entre China, poseedor de más de la mitad de las reservas mundiales, y los demás países.

La Química de los Fuegos Artificiales

Un cohete pirotécnico contiene dos cargas de pólvora diferentes, una lo propulsa para que coja altura en el cielo y otra producirá la explosión propiamente dicha que generará el trueno y las luces de colores. Ambas sucederán cuando la mecha alcance sus respectivos compartimentos.

La pólvora especial que se utiliza es una mezcla de perclorato de potasio, azufre y carbón que cuando se calienta a temperaturas en torno a los 300 ºC se inflama y producen muy rápidamente una serie de gases que intentarán ocupar el mayor volumen que puedan. La reacción es violenta y rápida porque el perclorato al ser muy oxidante posee mucha tendencia a soltar átomos de oxígeno mientras que el azufre y el carbón los aceptan con mucha facilidad (se dice que son muy reductores).

El recipiente de la primera carga de pólvora tiene un agujerito en el que estos gases, al salir hacia abajo, impulsan al cohete hacia arriba (3ª Ley de Newton) en el cielo. (Aprende más sobre cohetes pinchando aquí)

El recipiente de la segunda carga no tiene abertura de escape y la presión de los gases generados rompe esta vez las paredes generando una explosión de luz y de sonido.

Los colores desplegados dependerán de otras sales y óxidos que se añaden también a la mezcla. El responsable de los colores será siempre el catión metálico de dichos compuestos. Por ejemplo: el Sodio da los amarillos, el Bario los verdes y el Cobre los azules, mientras que el Calcio realza la luminosidad de los demás.

Finalmente, apuntar que la amplia gama de dibujos que vemos en el aire se debe a las distintas formas de los cartuchos y al orden en que se disponen en su interior las distintas sustancias ya comentadas.

La Química de los Reyes Magos

Por todos es sabido que cuando llegan al portal de Belén "oro trae Melchor, incienso Gaspar y olorosa mirra el rey Baltasar", según reza el villancico.

El incienso es una sustancia aromática que se prepara extrayendo la savia de árboles del género Boswellia que hay en el norte de África e India hasta que esta se endurece y se forma una resina amarillenta. Su agradable olor al ser quemado se utiliza para aromatizar ceremonias religiosas y casas, pero además en perfumes, aceites esenciales y medicinas naturales.

La mirra también es una resina extraída de los árboles pero rojiza, gomosa y con propiedades medicinales usadas en la antigüedad "para infecciones de la boca, los dientes y los ojos, así como para curar la tos y las picaduras de serpientes", según escribió Roger Highfield en su libro sobre la ciencia de la Navidad.

El oro es un metal noble, lo que químicamente quiere decir que reacciona muy poco con la mayoría de sustancias, por lo será muy resistente al paso del tiempo. Además es dorado, algo muy distintivo respecto a los demás metales, y, al ser muy maleable, permite darle al orfebre experimentado todas las formas imaginables sin que se pulverice. Por estas cualidades es tan apreciado en joyería: es muy bonito y no se estropea con el tiempo.

El hecho de que también sea un metal codiciado por el ser humano, escaso respecto a otros metales y con un punto de fusión no muy alto hizo que en la antigüedad fuese el favorito para acuñar la monedas de mayor valor y que en la economía mundial fuese el patrón aceptado para crear dinero, o sea, un país solo podía imprimir la cantidad de billetes que pudiera respaldar con el oro que tuviese. Y así fue hasta que en 1971 a EE.UU. le empezó a escasear el oro y ya no podía cumplir esa condición. Entonces, se pasó al patrón dólar americano, y, como consecuencia, a la confianza de unos países en otros de que lo que se emite se corresponde con los bienes y servicios que puede proveer este país.

Pues ya vemos que con estos tres regalos los Reyes Magos no solamente ayudaron a mitigar la pobreza familiar del Niño Dios sino también que estuviese bien perfumadito y protegido contra las infecciones, todo un detalle: vino con algo más que un pan bajo el brazo :)