martes, 23 de junio de 2020

Una tabla para ordenarlos a todos… - Bernardo Herradón García

9.1
Una tabla para ordenarlos a todos…
Las vidas de las estrellas.





If you want to make an apple pie from the scratch,
must you first invent the universe,…
(Carl Sagan, párrafo inicial del capítulo IX de Cosmos)


Afortunadamente, tenemos a nuestra disposición una buena colección de elementos químicos, compuestos por átomos, con los que podemos crear sustancias químicas (algunas proporcionadas por la naturaleza) con las que fabricamos objetos, desde una sencilla —aunque compleja químicamente— tarta de manzana al más sofisticado artilugio que podamos imaginar, a partir de materiales ya existentes (harina, manzanas, azúcar para la tarta), que están formados por sustancias químicas, que, a su vez, están constituidas por átomos, que son los constituyentes fundamentales de la materia [1].
Toda la materia ordinaria está formada por átomos, que se unen entre sí a través de enlaces químicos. Estos son los responsables de que exista la materia (incluidos los seres vivos), pues sin los enlaces químicos, el universo sería ‘simplemente’ una sopa de átomos.
¿Qué son los átomos? Un átomo es la unidad más pequeña de materia que mantiene su identidad y que no es posible dividir mediante procesos químicos.
Su origen se remonta a la Grecia del siglo V a. C., dónde a algunos filósofos les dio por pensar sobre la constitución de la materia. Ésta puede ser continua o discreta. En el caso de que la materia fuese continua, no había más discusión. Si es discreta, significa que se podía dividir. ¿Hasta qué punto? Hasta llegar a una partícula indivisible, el átomo. El principal impulsor de esta teoría fue Demócrito de Abdera (ca. 460-370 a. C.). Sus ideas no calaron en la comunidad científica-filosófica durante bastantes siglos, aunque algunos destacados filósofos-científicos —Gassendi (1592-1655), Descartes (1596-1650) y Newton (1642-1727), entre otros— eran atomistas convencidos. Sin embargo, todas las teorías atomísticas eran más ideas filosóficas especulativas que hechos científicos probados.
No fue hasta 1803 cuando Dalton (1766-1844), influido por ideas newtonianas, rescató el concepto de átomo y elaboró la primera teoría atómica con cierto fundamento científico, estableciendo uno de los pilares de la química moderna. Su teoría se basó en las leyes cuantitativas de la química que se estaban deduciendo empíricamente desde finales del siglo XVIII, a partir del trabajo riguroso y metódico del gran Lavoisier (1743-1794) [2].
Una de las principales aportaciones de Lavoisier fue la de clarificar el concepto de elemento químico y su distinción de las sustancias químicas compuestas (actualmente, compuestos químicos). Un elemento químico es una sustancia química formada por una única clase de átomos, a diferencia de un compuesto químico, que está formado por más de una única clase de átomos [3].
Pero ¿qué significa ‘clase de átomos’? Esta es una idea fundamental para entender lo que es realmente un elemento químico; pero antes de contestar a esta pregunta, hablaremos un poco de la estructura del átomo.
Aunque la teoría atómica de Dalton tuvo una cierta repercusión, no fue unánimemente aceptada por toda la comunidad científica. El concepto de átomo y cómo estos se unen formando moléculas o especies iónicas, no pudo ser establecido firmemente a lo largo del siglo XIX, debido principalmente a dificultades experimentales.
Los científicos que aceptaban la existencia de átomos, consideraban éstos indivisibles; aunque hubo alguno clarividente, como Helmholtz (1821-1894), que postuló la naturaleza eléctrica de la materia y la ‘atomización de la carga eléctrica’. Para llegar a esta hipótesis, se basó en los brillantes experimentos electroquímicos de Davy (1770-1829) y Faraday (1791-1867), que demostraban la relación entre la materia y la electricidad.
Un hito de la ciencia se produjo en 1895, cuando Thomson (1856-1940), trabajando en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, encontró una partícula cargada negativamente. Esta era más ligera que el átomo más ligero (con una masa unas 2.000 veces menor que la del hidrógeno) y era generada por átomos de distintas clases. Por lo tanto, era una partícula presente en toda la materia. Thomson había dividido el átomo por primera vez y había encontrado el electrón (aunque le llamó ‘corpúsculo’).
En 1911, un discípulo de Thomson, Rutherford (1871-1937), trabajando también en el laboratorio Cavendish supervisó los experimentos que sus colaboradores Geiger (1882-1945) y Marsden (1889-1970) realizaron. Estos experimentos —de los más bellos de la ciencia— consistieron en bombardear una fina lámina de oro con partículas alfa (que son núcleos de helio, cargados positivamente) [4]. Los resultados encontrados demostraron que la mayor parte del átomo es espacio vacío y que prácticamente toda la masa y la carga positiva están concentradas en el núcleo, que es entre 10.000 y 100.000 veces más pequeño que el átomo1.
Con los resultados de Rutherford se pudo plantear el primer modelo atómico con cierto parecido a la realidad. La estructura del átomo es similar a la de un pequeño sistema solar. Está constituido por un núcleo central formado por nucleones, que pueden ser protones (con carga positiva) y neutrones (eléctricamente neutro)2. Alrededor de ellos se mueven (muy rápidamente) los electrones, que son partículas de masa muy pequeña (alrededor de 10-28 gramos) con carga eléctrica negativa (denominada elemental, que es alrededor de 1,6 x 10-16 culombios). La masa del protón y neutrón es similar y bastante mayor que el del electrón (alrededor de 1836 veces).
El número de protones caracteriza a un elemento químico, y define el número atómico de dicho elemento químico. Un elemento químico es una sustancia química que contiene átomos con el mismo número atómico.
Un átomo es eléctricamente neutro, lo que significa que el número de electrones que rodean al núcleo es igual al número de protones. Los núcleos y los electrones se atraen debido a la interacción entre las cargas positivas y negativas. Este hecho contribuye a estabilizar el átomo. Salvo excepciones y en condiciones específicas de laboratorio, los átomos no están aislados, sino que se combinan, a través de enlaces químicos, formando moléculas y especies iónicas. La formación de enlace se hace a través de la donación de electrones o compartiendo electrones. La estabilidad energética del enlace químico es la responsable de que exista la materia.
Toda la materia que nos rodea está formada por átomos, que se puede decir que son los ladrillos con los que se construye la materia. En nuestro planeta, sólo existen 90 clases de átomos (90 elementos químicos), que se ordenan en la tabla periódica de los elementos (ver Figura). Aunque la tabla periódica contiene 118 elementos químicos, los elementos número 43 (tecnecio), 59 (promedio) y todos a partir del 92 (uranio) no se encuentran de forma natural en la Tierra, sino que se han preparado de manera artificial.
La tabla periódica es la mayor aportación de la química a la cultura universal. Es un icono cultural que, incluso, va más allá de la ciencia. Científicamente, la tabla periódica ordena todos los elementos químicos en base a su número atómico (ver Figura). Esta ordenación se realiza en filas o periodos y en columnas o grupos. La tabla es periódica porque las propiedades de los elementos van variando progresivamente y de manera periódica según nos movemos por los las filas y las columnas. De esta manera, podemos predecir las propiedades de las sustancias químicas en base al conocimiento previo de sustancias relacionadas. La tabla periódica proporciona información fundamental para entender el comportamiento de la materia, por eso se ha calificado como la Piedra Rosetta de la Naturaleza [5].


Tabla periódica de los elementos químicos, elaborada en la Real Sociedad Española de Química (RSEQ). En ella se recogen los 118 elementos, cuya existencia se ha probado y asignado nombres y los elementos 119 y 120, que ya se han obtenido en los grandes aceleradores de partículas en los que se generan los elementos super-pesados, estos resultados deben ser confirmados en otros laboratorios.



Notas:
1 Los átomos son muy pequeños (del orden del Angstrom, Å, que es 10-10 metros) y ligeros (del orden de 10-24 gramos).
2 La existencia del protón fue demostrada en el grupo de Rutherford en experimentos realizados entre 1917 y 1920. En este año, Rutherford propuso la existencia de una segunda partícula (neutra) en el núcleo, a la que se denominó neutrón, que finalmente fue descubierto por Chadwick (1891-1974) en 1932. Chadwick era discípulo de Rutherford y también realizó los experimentos en el Laboratorio Cavendish.


Referencias:
[1] B. Herradón, 2011, Los avances de la química, Los libros de la catarata.
[2] I. Asimov, 1985, Breve historia de la química, Alianza editorial.
[3] A. L. Lavosier, 2007, Tratado elemental de química, Crítica.
[4] P. Ball, 2005, Elegant Solutions. Ten Beautiful Experiments in Chemistry, RSC.
[5] E. J. Fernández Garbayo, J. Fernández Cestau, 2019, El alfabeto del universo. La tabla periódica de los elementos, Editorial Tébar Flores.


Bernardo Herradón García.
Doctor en Ciencias Químicas.
Investigador Científico. Instituto de Química Orgánica General, CSIC, Madrid.


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