Cristales y chocolate

En la última entrada del blog “Las diferencias impuestas por el orden” se vio que dependiendo de cómo se dispongan los átomos es posible dar lugar a diferentes estructuras con distintas propiedades. En aquella ocasión se hablaban de átomos de carbono, aunque veremos ahora que las moléculas también se pueden ordenar espacialmente y dar lugar a la formación de cristales.

Como ejemplo vamos a tomar un alimento tan conocido y tentador como el chocolate. El chocolate se compone fundamentalmente de cacao, manteca de cacao (una porción grasa formada fundamentalmente por triacilgliceroles) y azúcar. Las moléculas de triacilgliceroles pueden ordenarse espacialmente y dar lugar a la formación de cristales.

Molécula genérica de triacilglicerol
R1, R2 y R3 son cadenas de ácidos grasos.

Ahora bien, al igual que ocurría con lo átomos de carbono en el diamante y el grafito, la moléculas de triacilgliceroles pueden tener diferentes formas de empaquetarse. Surgen así las diferentes estructuras polimórficas. Del mismo modo que el diamante y el grafito (dos formas polimórficas del carbono) tenían propiedades tan diferentes como el color, la dureza, etc, los polimorfos de los triacilgliceroles poseen diferentes propiedades como el sabor, la textura o el punto de fusión.

Lo más interesante es poder llegar a comprender la importancia que esto tiene a la hora de fabricar, vender y conservar el chocolate. Dentro de los polimorfos que pueden presentar los triacilgliceroles que forman parte de la manteca de cacao, existe uno de ellos que se caracteriza por tener un punto de fusión de 33ºC y que es la forma que se desea obtener siempre en los chocolates que se ponen a la venta. De esta manera, cuando comemos una onza de chocolate, la temperatura de nuestro cuerpo es suficiente para que esta fase se pueda fundir fácilmente en la boca. Por ello existe el arte de los maestros chocolateros, ya que es imprescindible trabajar siempre con el chocolate de modo que cuando solidifique, los triacilgliceroles se ordenen en esta estructura polimórfica.

Sin embargo, existen problemas que hay que tener en cuenta. Cuando el chocolate no se conserva correctamente y se tiene almacenado en lugares poco refrigerados donde puede llegar a fundirse parcialmente, termina por salir una capa blanquecina en la superficie. Esto es el resultado de que los triacilgliceroles de la manteca de cacao cambian su estructura y dan lugar a un nuevo polimorfo. El problema está en que este nuevo polimorfo tiene una temperatura de fusión de 36º, por lo que no se funde tan fácilmente cuando lo comemos y su textura, por lo tanto, no resulta tan agradable. 

Esta es la razón por la que algunas casas de productos de chocolate deciden retirarlos cuando llega el verano y las altas temperaturas. 

Las diferencias impuestas por el orden

Un diamante es para siempre. Alguna vez seguro que habremos oído esta frase. Sin embargo, resulta completamente errónea desde un punto de vista científico. Nos puede sorprender, pero los diamantes, en su composición, son exactamente idénticos que una barra de grafito de las que encontramos en la mina de un lápiz. Tanto el diamante como la mina de grafito son carbono puro. Si tuviésemos un microscopio capaz de ver los átomos del diamante o del grafito encontraríamos que en ambos casos solamente hay átomos de carbono. Resulta por lo tanto sorprendente que dos materiales a los que asignamos un valor tan diferente, sin embargo, estén formado por el mismo elemento químico. Pero volviendo a nuestro microscopio capaz de ver los átomos, alguien observador comprobaría que estos átomos no se disponen de la misma forma.

En el caso del diamante, cada átomo de carbono se rodea de otros cuatro, formando una figura geométrica llamada tetraedro, un ordenamiento que se repite en todas las direcciones del espacio. 

Átomo de carbono central rodeado de otros cuatro
dando lugar a la formación del tetraedro.

Por su parte, en el grafito, cada átomo de carbono se rodea solamente de otros tres átomos en un mismo plano. Esta es una distribución que recuerda a la de un panal de abejas. El grafito está formado por un gran número de estas láminas, que están unidas entre sí por medio de fuerzas intermoleculares de Van der Waals, que son bastante débiles.

Representación superior de una lámina de grafito
(Observar que cada átomo de carbono se rodea en el plano de otros tres).

La distinta disposición espacial de los átomos de carbono tiene consecuencias muy importantes en las propiedades de cada uno de los materiales. Mientras que el diamante es el mineral más duro (número más elevado en la escala de Mohs), es transparente y es un aislante eléctrico. Por el contrario, el grafito es un material relativamente blando, opaco, de color negro y conductor eléctrico en cada una de las bandas de átomos de carbono. Una propiedad muy importante que presenta el grafito como consecuencia de su estructura es que las láminas de átomos de carbono se pueden exfoliar, es decir, deslizar una encima de la otra, ya que las fuerzas que las mantienen unidas no son muy fuertes. Precisamente ésta es la propiedad que se aprovecha en un lápiz. Cuando escribimos, la rugosidad del papel y la presión ejercida es suficiente como para que finas capas de la punta de la mina de grafito se depositen sobre el papel.

La siguiente pregunta que nos podemos realizar es si tanto el grafito como el diamante son igual de estables termodinámicamente. La respuesta es que no y podemos sorprendernos, porque en condiciones de presión y temperatura normales la forma más estable es el grafito. El diamante sólo se forma en condiciones de altas presiones y temperaturas. Por ello, podemos decir que un diamante no es para siempre. Termodinámicamente, la transformación de los diamantes en grafito es un proceso favorecido. Sin embargo, éste es un proceso que transcurre muy lentamente al requerirse un cambio estructural muy acusado como se puede ver en el siguiente vídeo (pasar de la estructura plana del grafito a otra tridimensional en el diamante).

Por ello se dice que el grafito y el diamante son dos formas polimórficas del carbono, es decir, formas en las que se puede presentar un elemento o compuesto que tienen la misma composición química pero distinta estructura.

De este modo hemos podido introducirnos en uno de los puntos más importantes que la cristalografía permite estudiar: justificar que los materiales tienen diferentes propiedades como consecuencia de su diferente estructura.

2014 Año Internacional de la Cristalografía

Debido a las fechas en que el blog inicia su singladura, resulta muy complicado poder glosar todas las actividades que en este año 2014 se han organizado en España y todo el mundo para conmemorar el Año Internacional de la Cristalografía, declarado por la Organización de las Naciones Unidas. El 2014 supone un año muy especial ya que se da una doble efeméride de relevancia. Por un lado, se cumplen 100 años de la entrega del Premio Nóbel de Física a Max von Laue por el descubrimiento de la difracción de rayos X producida por los cristales, lo que daría lugar al inicio del estudio de la determinación estructural de una gran variedad de compuestos cristalinos. Precisamente al año siguiente, 1915, este premio recaería en W. H. Bragg y W. L. Bragg por sus estudios de la difracción de los rayos X por cristales y el desarrollo de leyes muy relevantes en este campo. En segundo lugar, en 2014 se cumplen 50 años de la entrega del Premio Nóbel de Química a Dorothy Crowfoot Hodgkin por la determinación por difracción de rayos X de la estructura de algunas moléculas tan importantes como la penicilina y la vitamina B12.

M. von Laue

W. H. Bragg

W. L. Bragg

D. C. Hodgkin

En el siguiente enlace se puede consultar la página web oficial del Año Internacional de la Cristalografía.

Hay que destacar que el video oficial de introducción al Año de la Cristalografía que se muestra a continuación ha sido ideado y elaborado en España por Juan Manuel García-Ruiz (CSIC) y Javier Trueba (Madrid Scientific Films).

Para cualquiera que quiera profundizar un poco en el mundo de la difracción de rayos X no puede perderse la excelente página del Departamento de Cristalografia y Biología Estructural del CSIC.

Por su parte, la editorial del CSIC ha editado un libro conmemorativo altamente recomendable titulado “A Través del cristal: cómo la cristalografía ha cambiado la visión del mundo”.

A nivel divulgativo para los más jóvenes, en España, hay que destacar que se organizó el concurso “Cristalización en la escuela”. Este concurso constó de dos fases: La primera, regional, donde se seleccionaron a los representantes para la segunda fase, la competición a nivel nacional. Ésta última se celebró el 11 de Mayo de 2014 en Madrid, en la sede del CSIC. Como se puede comprobar en el siguiente enlace, los resultados fueron espectaculares.

Finalmente hay que destacar dos artículos publicados en la revista de Anales de la Real Sociedad Española de Química, que se puede consultar en el sitio oficial de la misma.