Química para poetas

La química es parte del componente de Ciencias Naturales de las pruebas de estado realizadas por el ICFES y dentro de esto, aprender química básica, a través de la comprensión de átomos y moléculas, es el punto de partida que te prepara mejor para validar el bachillerato en un solo examen.

Qué es la química

La química es la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, además, cómo se transforma para convertirse de una sustancia a otra.

Un ejemplo de esto ocurre en nuestro sol donde, cada segundo, cerca de 4 millones de toneladas de hidrógeno se están convirtiendo en helio, produciendo esa luz incandescente que permite la mayoría de la vida en nuestro planeta.

Otro ejemplo ocurre con el ciclo del nitrógeno, en la conversión de amonio en nitrito y luego en nitrato para la fertilización de las plantas.

Todo es química, desde la constitución de las estrellas a cómo funciona tu cuerpo y qué ocurre a nivel microscópico en las células de todo organismo vivo, todo se basa en la química.

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La base de la química son los átomos pero su estudio se centra más que todo en las moléculas. ¿Qué son átomos y moléculas? Ya llegaremos allá.

Qué es el átomo

Los griegos creían que si se trozaba una roca en pedazos, y luego se tomaba uno de esos trozos y se volvía a romper en granos y así sucesivamente, llegaba un momento en el que la materia ya no se podía trozar más. A esa partícula pequeñísima que no se podía dividir la llamaron átomo. La palabra misma viene del griego átomon que viene de combinar (a) que significa «sin» con (tomon), que significa «división», es decir, «indivisible».

Los griegos estaban muy bien encaminados. Tuvieron que pasar casi 2500 años para saber que el átomo sí se podía dividir en trozos aún más pequeños, pero al hacerlo, perdía sus propiedades.

Me explico.

Un trozo de hierro puro tiene algunas propiedades que lo caracterizan como su color, sabor, densidad, cómo reacciona con la electricidad y otros, que lo hacen diferente de otros elementos químicos como el cloro, el aluminio, el nitrógeno y todos los demás.

Si empezamos a separar ese trozo de hierro en trozos cada vez más pequeños. Cada trozo sigue siendo de hierro puro. Se puede llegar a un punto en el que hemos separado el trozo de hierro hasta llegar a un átomo de hierro. Podemos separarlo nuevamente, sin embargo, si lo hacemos, ya no es hierro.

En química se dice que la unidad básica que mantiene las características del hierro y que si se fragmenta, ya no mantiene esas características, es un átomo.

Todo en el universo conocido está hecho de átomos, que combinados forman todas las cosas que vemos y tocamos ya sean sólidos, líquidos, gases o plasma.

Cuáles son las partes del átomo

Comenzando el siglo XIX, por la época en que Simón Bolívar iniciaba sus sueños de libertad, Estados Unidos compraba Louisiana a Francia -duplicando así su territorio- y Napoleón Bonaparte gobernaba en Francia; un científico británico de nombre John Dalton anunciaba el modelo atómico que fue la base de la química moderna.

En su modelo, decía que toda la materia estaba formada por átomos indivisibles y que había átomos diferentes para diferentes tipos de elementos. Pero el modelo de Dalton tenía inconsistencias. No fue hasta casi 100 años después, en 1897 cuando se descubrió el electrón como una de las partes del átomo y pocos años después se descubrió la existencia del protón y después el neutrón.

Hoy es ampliamente aceptado que el átomo está formado por tres tipos de partículas: En el centro está el núcleo, formado por protones y neutrones. Girando sueltos alrededor del núcleo, en la parte más externa del átomo se encuentran las partículas más pequeñas llamadas electrones.

Estos no giran en cualquier lugar. Lo hacen en órbitas muy definidas, como capas y en cada una, cabe un determinado número de electrones. En la primera 2, en la siguiente 8, luego 18, luego 32 y sigue subiendo.

Cada partícula tiene ciertas características en cuanto a su peso y su carga eléctrica.

Protones. Tienen la misma carga eléctrica que los electrones pero su carga es positiva y pesan una pizca menos que los neutrones. La cantidad de protones es la que determina cuál es el elemento químico.

Neutrones. Están unidos a los protones en el núcleo del átomo. Deben su nombre al hecho de que no tienen carga eléctrica, es decir, son neutros. Pesan una pizca más que los protones. A excepción del hidrógeno H, todos los demás átomos tienen al menos un neutrón en su núcleo.

Electrones. Están girando sueltos alrededor del núcleo. Tienen la misma carga eléctrica que los protones pero negativa. Son tan «livianos» que no consideramos su peso pues un protón o un neutrón pesa casi 1.800 veces más que un electrón. Pueden abandonar el átomo para irse a otro átomo vecino.

Un átomo, en su estado natural tiene un número igual de electrones y de protones. Por lo tanto, su carga eléctrica es neutro.

Cada átomo tiene ciertas unidades características.

Número atómico. Es la cantidad de protones en el núcleo del átomo.

Peso atómico. Es aproximadamente la cantidad de protones sumado a la cantidad de neutrones. No se suman los electrones por su peso insignificante.

Para conocer los datos de cada uno de los diferentes átomos que conocemos se recurre a la tabla periódica.

Qué es la tabla periódica de los elementos

Seguramente has visto imágenes como la anterior. Es una Tabla Periódica. Debido a la gran variedad de elementos que hay en el universo, los químicos desarrollaron una manera de organizarlos en forma coherente según sus propiedades químicas.

A continuación te invitamos a abrir el enlace de la Tabla Periódica Dinámica. Vamos a hacer un sencillo ejercicio.

Si ves la tabla, en la columna 15, fila 2, encontramos el elemento N que corresponde al nitrógeno. Fíjate que sobre la N vemos que el número atómico es siete y bajo la N vemos que el peso atómico es 14,007 que redondeamos en 14. Tiene dos electrones en la primera capa y cinco en la segunda para un total de siete. Lo que significa que puede recibir fácilmente otros tres electrones en su segunda capa pues esta permite un máximo de ocho.

Este video ilustra cómo aprender química básica a través de la tabla periódica dinámica.

Qué son los elementos

Hemos hablado de átomos y de elementos. Pero, ¿cuál es la diferencia?

Seguiremos con el ejemplo del hierro. En la Tabla Periódica Dinámica, columna 8, fila 4 lo encuentras. Fe es su símbolo químico. Ya sabemos que un átomo de hierro es la unidad mínima de materia que conserva las propiedades del hierro, mientras que el hierro como elemento está formado por dos o más átomos de hierro. Es decir, una barra de hierro, que tiene millones de átomos, es un elemento.

Un elemento es una sustancia que consiste de un solo tipo de átomo. Por ejemplo, una barra de hierro puro, solo puede contener átomos de hierro. Una lámina de oro puro solo puede tener átomos de oro. Tarea: Busca Au en la Tabla Periódica Dinámica. ¿Cuál es su número atómico? ¿Cuál es su peso atómico?

Por el contrario, tomemos el agua como otro ejemplo. Esta no es un elemento puesto que la forman dos tipos de átomos en lugar de uno. A este tipo de sustancias se les llama moléculas. Recordemos que el agua son dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. De ahí, el símbolo químico que conocemos como H₂O.

Qué son las moléculas

Los átomos son capaces de combinarse entre sí para formar moléculas. Es decir que una molécula es algo compuesto de varios átomos, cuyas características son diferentes de las de los átomos que la conforman.

Por ejemplo la sal de mesa. En química se llama cloruro de sodio -NaCl-, compuesta por un átomo de cloro Cl y uno de sodio Na. El cloro puro es muy tóxico y el sodio puro es una especie de metal.

Evidentemente la sal no es ni lo uno ni lo otro, ilustrando que al combinarse los átomos forman estructuras llamadas moléculas con propiedades totalmente diferentes.

Hay una consideración importante: Algunos átomos se unen con otros iguales, como por ejemplo el de oxígeno O que se une con otro oxígeno para formar O₂. Este es el oxígeno gaseoso que respiramos todos. Lo mismo sucede con el nitrógeno molecular N₂. Otras moléculas se forman por la unión de diferentes tipos de átomos.

Las siguientes imágenes 3D son representaciones no reales de algunas sustancias, que una mejor visualización. Cada esfera representa un átomo. Las blancas son de hidrógeno H, las rojas son de oxígeno O, las azules son de nitrógeno N, las verdes son de cloro Cl y las de color violeta son de sodio Na.

Qué son los enlaces químicos

Para construir moléculas, los átomos tienen que unirse entre sí. Por ejemplo si quiero construir un aminoácido, que es un componente de las proteínas, tengo que juntar elementos como el nitrógeno N, el hidrógeno H el carbono C y el oxígeno O.

Un caso específico de aminoácido sería la glicina, que es el más pequeño de todos y cuya fórmula es NH₂CH₂COOH. Es decir, combino un átomo de nitrógeno, con cinco de hidrógeno, dos de carbono y dos de oxígeno.

En la siguiente imagen de la molécula de la glicina, los átomos son esferas y los enlaces son cilindros. El hidrógeno está representado por las esferas blancas, el oxígeno por las rojas, el carbono por las negras, y el nitrógeno es la esfera azul. Los enlaces están representados por cilindros que unen los átomos. Estos son enlaces covalentes que son fuertes y difíciles de romper, se forman porque los átomos comparten electrones. Si disuelvo glicina en agua, los enlaces covalentes se mantienen y la molécula no cambia.

Usa el ratón para acercarla, alejarla o rotarla. ¿A qué se parece?

Qué son los iones y sus hijos los aniones y cationes

Es muy común que los átomos pierdan electrones. Al fin y al cabo, los electrones están sueltos, girando en sus órbitas alrededor del núcleo. Los más externos no sienten tanta atracción hacia el núcleo y son los más propensos a abandonarlo. Y como los electrones que abandonan un átomo tienen que aterrizar en otro, también es muy común que los átomos ganen electrones.

Cuando un átomo pierde un electrón, tiene más cargas positivas -protones- que negativas -electrones-. Por esa razón, el átomo queda cargado positivamente. Y por el contrario, un átomo que gana electrones queda cargado negativamente.

A esos átomos que pierden o ganan electrones se les llama iones. A los que resultan con carga positiva se les llama cationes y a los de carga negativa se les llama aniones.

Qué mejor manera de aprender química básica que mediante un buen video cortesía de Khan Academy.

Una posdata

Ya te comenté que contrario a lo que se pensó durante casi 2500 años, el átomo sí se puede dividir y sus partes son protones, neutrones y electrones.

Pero, más allá de eso, hay consenso entre los científicos en el sentido de que tanto protones como neutrones, a su vez, también se pueden dividir en partículas aún más pequeñas.

Los físicos las clasifican en:

Fermiones que constituyen la parte de materia de los átomos.

Bosones que constituyen la parte de energía de los átomos.

Los fermiones, incluyen cuarks, neutrinos, el electrón, el muón, y el tau. Los cuarks a su vez se dividen en u, d, s, c, t y b.

Los protones y los neutrones, que son materia, están formados por cuarks. Los protones tienen cuarks u-u-d y los neutrones tienen cuarks u-d-d.

Por su parte, los bosones, no son menos interesantes. Son las partículas de la energía.

Se supone que las cargas con signo diferente (+ con -) se atraen, mientras que la cargas con signo igual (+ con + o – con -), se rechazan. Entonces, ¿a qué se debe que los protones en el núcleo del átomo, a pesar de tener todos carga positiva, se mantengan juntos? Esto se debe a los bosones, que son los responsables de la fuerza nuclear fuerte, que los mantiene unidos. Son bosones el fotón, el gluón y posiblemente el gravitón, que aunque aún no se ha descubierto, su existencia la ha predecido la física.

Pero, tal vez el más interesante, es el llamado Bosón de Higgs o Partícula de Dios. Predicho por la física desde los años 60, hasta hace pocos años fue descubierto. Es una partícula interesantísima pues permite explicar el origen de la materia, es decir, de los fermiones. Los científicos lograron generar una colisión de partículas tan fuerte que produjeron un pequeño Big Bang en el laboratorio y lograron demostrar su existencia.

Tras el hallazgo del Bosón de Higgs, la Ciencia ha encontrado por fin una respuesta «Sigma 3», lo cual significa que es segura en un 99.99999%. Tal y como predice el Modelo Estándar, solo existen 12 tipos de partículas de materia (fermiones) y de sus varias combinaciones surge toda la inmensa y rica complejidad del Universo que observamos.

A los fermiones y bosones se les llama partículas elementales, ya que no existe evidencia de que a su vez estuvieran formadas por otras partículas más pequeñas.

Sin embargo, hay una corriente de físicos teóricos que asegura que estas partículas a su vez están formadas por estados vibratorios de energía llamados «cuerdas» o «filamentos«. (ver teoría de cuerdas) que serían viables si el universo tuviera 10 a 13 dimensiones. Aunque suena muy a ciencia ficción, es un área de estudio para muchos físicos teóricos en la actualidad.

Si quieres mejorar tus fundamentos en Ciencias Naturales debes aprender química básica. Todo esto y mucho más lo encuentras en Objetivo Once, el programa probado con éxito para pasar el examen de validación, con el que 9 de cada 10 estudiantes logra el objetivo, mientras que en el promedio nacional que mide el ICFES, apenas 4 de cada 10 lo logran.

Mucho ánimo y buen genio.

Carlos