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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