El COLOR de la Naturaleza, mezcla de la Física, Química y Biología

in #steemstem2 years ago

El COLOR dependiente de la Estructura Molecular y sus vibraciones

 

Saludos amigos de la comunidad científica de habla hispana STEM-Espanol y agradecimientos para los curadores que nos apoyan desde steemSTEM.


Es muy interesante observar el agua contenida en un recipiente de vidrio "transparente" y compararla con la translucidez del agua contenida en el mar, inmediatamente notamos una diferencia en la sensación de color azul en esta última. ¿Por qué la diferencia si se trata de la misma molécula de agua, H2O? En este post veremos la explicación de 3 casos que involucran a la Física, Química y Biología en sistemas moleculares de nuestra Naturaleza.


Archivo:Benzene Representations-numbers.svg

Representación química del Benceno


En la representación química de este Hidrocarburo, existen diferentes nomenclaturas para indicar que una molécula de Benceno está constituida por 6 átomos de Carbono y 6 átomos de Hidrógeno en un anillo cerrado (Benceno), pero entre las características más resaltantes están: solvente de pintrura y adhesivos, disolvente de aceites, aditivo en la gasolina y para lo que a mí me concierne, es incoloro! Esta misma propiedad la presenta el agua que les mencioné, contenida en un recipiente de vidrio transparente, también es incolora.

 File:WIRA-Wiki-GH-017E-en-Spectra-wIRA-sun-halogen-radiators.png

Espectro electromagnético y Absorción del Agua. Autor: Gerd Hoffmann


Esta característica es diferente si se tratase de un gas compuesto de átomos, por ejemplo de gas Neón, el cual produciría una emisión de luz con longitudes de ondas características al rojo (el gas Xenón emite en la región azul), comparada con el Ne o molécula de Ne2 que no presenta coloración. Lo mismo sucede con el Oxígeno que compone la molécula de H2O, siendo que el átomo de O tendría una emisión con un pico agudo, mientras que la molécula de O2 presenta un espectro molecular con esa línea aguda (pico) con otras bandas extendidas, las cuales están relacionadas a la pigmentación que se pueda observar en estas moléculas por separado. En el caso particular del Agua, existen unos picos de absorción bastantes definidos en el Espectro ElectroMagnético (vea la figura anterior), donde existen zonas de baja absorción o máxima transmisión (reflexión) en la región del Espectro Visible, que da la sensación visual que el Agua es "transparente".

 File:Energy gap narrowing by synergistic catalysis.png

Transiciones energéticas moleculares. Autor: Tayrochemie


Les confieso que mi punto fuerte son las transiciones electrónicas, más que la Química y Biología, por lo que en esta sección donde los niveles de energía y saltos electrónicos entre las bandas HOMO y LUMO, es decir, los orbitales moleculares ocupados de alta y baja energía, respectivamente, siento que soy como pez en el agua. Por lo tanto, existen factores externos que pueden provocar que las transiciones electrónicas entre estas bandas, tengan contribuciones adicionales debido a la Rotación y Vibración de las moléculas. De tal manera, la diferencia energética entre las bandas HOMO y LUMO se representaría como:


ΔE = (Ee + Er + Ev)LUMO - (Ee + Er + Ev)HOMO = hν

siendo los niveles de energía: Ee = electrónico, Er = rotacional y Ev = vibracional.

 File:Population of energy states separation.png

Densidad y separación de niveles de energía. Autor: Mysterioso



A pesar que la densidad de estados y la separación entre los niveles de energía sean muy pequeños para remarcar el color de la molécula, se espera que un incremento mayor sí pueda incidir en la determinación del color de las moléculas bajo estudio.


 ¿Las moléculas inorgánicas tienen color?

Encontré una serie de elementos químicos de la tabla periódica que presentan una morfología relacionada con su estructura cristalina y sus colores dependen del estado energético y su estado de oxidación. Lo que resulta impresionante es que las moléculas inorgánicas en fase de vapor también presentan un color característico debido al nivel energético de sus enlaces moleculares, así podemos encontrar un amarillo verdoso en los vapores del halógeno Cl2, al igual que el gas del Br2 que es de color marrón rojizo.

 


A gless conteener filled wi chlorine gas

Pigmentación del Cl2 gas. Autor: W. Oelen


Pigmentación del Br2 gas. Autor: Alchemist


En estas moléculas inorgánicas el solapamiento de los orbitales p en las bandas HOMO que están llenas hacia los estados desocupados en la banda LUMO, dando origen a la coloración de su fase gaseosa. En alturas cercanas a la Exósfera (500 Km) la concentración de moléculas de N2, átomos de O y Ar se conglomeran para dar origen a las majestuosas Aurora Boreal y Austral cuando existe una pérdida de energía en forma de radiación luminosa en el rango del espectro visible.

 
Archivo:Aurora Borealis Salangen2.jpg

Colores en la Aurora Boreal. Autor: S. Pettersen


Por último, debo mencionar el caso clásico de la Biología referido al color verde de las plantas, donde las hojas cumplen la función de fotosíntesis para suministrar los compuestos orgánicos para el funcionamiento vital de esta especie vegetal. Sin embargo, la pigmentación de las plantas no es exclusivamente de color verde y podemos encontrar algas marinas de color rojo a pesar que contiene clorofila a en sus ramificaciones.


Archivo:Red seaweeds at Middelmas P2199309.JPG

 Pigmento Rojo en algas. Autor: P. Southwood


En este caso, la molécula Porphyrin Chlorophyll se encarga de aportar el color verde a las plantas, pero existe un detalle muy importante, ya que se divide en Clorofila a, b, c y d, mediante las relaciones de composición otorgan las tonalidades de color a las plantas. En la mayoría, la relación entre la clorofila b y a es de 3 a 1, por lo que la sensación visual que resalta es verde.

File:Chlorophyll ab spectra-es.svg


Espectro de absorción de la Clorofila a y b. Autor: D. Pugliesi


Ya este caso lo he desarrollado en algún post anterior, por lo que podemos inferir de la figura anterior es que si no absorben entre 500 y 550 nanómetros, quiere decir que pueden reflejar el color correspondiente a ese rango de energía, es decir el color verde.

El núcleo de la molécula de clorofila es un átomo de Magnesio enlazado con 4 átomos de Nitrógeno y luego vienen los anillos de Carbono e Hidrógeno. Los enlaces terminales corresponderán a las variaciones de las clorofilas a, b, c y d integrando átomos de Oxígeno que definirán la sensación de color de cada especie vegetal. Toda una maravilla industria química la que nos ofrece nuestra naturaleza y que involucran las Ciencias Básicas.


El color de las MOLÉCULAS depende de su estructura molecular, las transiciones energéticas entre las Bandas HOMO y LUMO, así como las vibraciones moleculares. Es importante resaltar que todo lo desarrollado en este post se limita al rango de radiación visible, lo que vemos a simple vista, ya que nuestra vista tiene ciertas limitaciones.


         Existen equipos de detección de la radiación infrarroja y ultravioleta que pueden aportar otro mecanismo de discriminación de colores, pero serán capaces de presentarnos otra gama de colores a longitudes de ondas más o menos distantes del rango de radiación visible! 


He leído algo relacionado y espero presentarlos en un próximo post.


Te recomiendo las siguientes referencias sobre este tema:

Moléculas que producen colores

Transiciones HOMO y LUMO

El Benceno

El color de las Moléculas (video)





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Que interesante tema. Muy bien explicado como para entender y entusiasmarse en esta ciencia :3

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