Juegos de Construcción y materia del Universo

De pequeño me pasaba horas y horas ensimismado con unos juegos de piezas de construcción de la desaparecida marca "TENTE". Seguro que el que tenga ya una cierta edad recordará con nostalgia esta serie de juguetes. Para el que no lo sepa, "TENTE" era una marca de juegos de piezas de construcción similares a "LEGO". El caso es que cada caja de TENTE era para una construcción en concreto (robots, barcos, naves...), pero lo mejor del juego era que te permitía montar muchísimas más cosas diferentes con las mismas piezas. El límite casi estaba en lo que diese de sí tu imaginación. Únicamente con un pequeño número de piezas diferentes podías construir infinidad de cosas distintas. 

La de cosas distintas que podías construir con esto...

¿Por qué os cuento todo esto? Bueno, el caso es que podríamos decir que el Universo es como un inmenso juego de piezas de construcción a partir del cual se construye absolutamente toda la materia contenida en el mismo. Un inmenso juego muchísimo más fascinante que los de TENTE, pues mientras que en éstos había una cantidad apreciable de piezas diferentes entre sí, al Universo le bastan únicamente tres piezas diferentes para formar toda la increíble variedad de materia másica ordinaria.

En esta entrada intentaremos presentar algunas nociones básicas para comprender cómo se las ingenia el Universo en la construcción de todo lo que ves a tu alrededor. Vamos allá.



Toda la materia de los objetos que ves a tu alrededor está hecha de unas diminutas partículas, los átomos: los constituyentes básicos de toda la materia ordinaria. Y los átomos, a su vez, están formados por tres partículas, las tres únicas piezas del gran juego de construcción con las que se forma todo:

- Unas partículas con carga positiva, que llamamos protones, y otras sin carga, denominadas neutrones, que forman ambas el núcleo atómico.

- Y otras partículas con carga negativa, que llamamos electrones, situados alrededor del núcleo.

En los átomos neutros (es decir, en los que la carga global es nula) el número cargas positivas es igual al de cargas negativas, por lo que el número de electrones es igual al de protones. De esta manera las cargas positivas compensan a las negativas.

 

Átomo con núcleo de 3 protones y 3 neutrones; y con 3 electrones alrededor. En el mundo atómico y subatómico la realidad no tiene nada que ver con la que observamos a nuestra escala, por lo que hacer una representación como ésta de los átomos no tiene sentido. Aun así, por labores didácticas, recurrimos a esta representación de los mismos.

Al número de protones de un átomo se denomina número atómico (z) y este número es el que define, el que da lugar, a los diferentes elementos químicos. Es decir, átomos con diferente número de protones en su núcleo son átomos de diferentes elementos químicos. Así, si un átomo contiene un único protón, podremos afirmar sin lugar a dudas que será un átomo de Hidrógeno (H); si contiene dos protones, Helio (He); tres, Litio (Li), y así sucesivamente hasta completar todos los elementos químicos conocidos y recogidos en la Tabla Periódica. 

Tabla periódica de los elementos

De esta manera, a partir de la combinación de únicamente tres partículas diferentes (protones, neutrones y electrones), se obtienen los elementos químicos.

Hemos pasado de 3 partículas a más de cien elementos químicos, pero a la vista de todos está que la variedad de la materia es muchísimo mayor. Pues bien, por combinación de átomos se forman las diferentes sustancias puras, que pueden ser sustancias simples si la combinación se realiza entre átomos del mismo elemento (como por ejemplo el oxígeno que respiramos o metales como el cobre); o compuestos químicos si la combinación se produce entre átomos de diferentes elementos, desde moléculas muy simples formadas por la unión de pocos átomos (como por ejemplo las moléculas de agua), o moléculas más complejas (como por ejemplo las proteínas); hasta compuestos formados por una ingente cantidad de átomos que se agrupan formando redes cristalinas (como por ejemplo los cristales de cloruro de sodio).   


Y por último, mediante la combinación o mezcla entre las diferentes sustancias puras se conforma toda la materia que podemos encontrar en el Universo, dando lugar a las mezclas.

¿Y cómo se combinan los átomos entre sí? ¿Por qué "deciden" unirse para formar sustancias puras? Para responder esta pregunta primero debemos presentar cómo se organizan los electrones dentro de los átomos.

Los electrones de un átomo se organizan situándose en diferentes regiones del espacio en lo que denominamos orbitales atómicos (regiones del espacio donde hay una mayor probabilidad de encontrar a los electrones). Los orbitales atómicos quedan caracterizados mediante una serie de números cuánticos que dependen de su tamaño (número cuántico principal "n"), forma (número cuántico secundario "l") y orientación en el espacio (número cuántico magnético, "m").

Cada orbital tiene un nivel de energía que depende fundamentalmente del número cuántico principal "n". Aunque podemos encontrar alguna excepción, los orbitales con el mismo número cuántico proncipal "n" tienen similar nivel de energía, formando así diferentes "capas electrónicas". Por regla general el nivel de energía de una capa electrónica es mayor cuanto más alejado se encuentra del núcleo atómico. 

Lo podríamos imaginar como una plaza de toros en cuyo centro está situado el núcleo atómico y con los electrones situados en las diferentes gradas, representando cada grada una capa electrónica. Conforme vamos subiendo en las gradas, iríamos pasando a capas electrónicas con un mayor nivel de energía. Además, cada grada de la plaza tiene un número de asientos determinado, esto es, en cada capa se pueden acomodar un cierto número de electrones que nunca puede ser superado. 

De esta manera, los electrones pertenecientes a un átomo se irían acomodando de la siguiente manera: primero llenarían los asientos de la primera grada (la primera capa, de menor energía). Una vez llenos, si el átomo tiene más electrones, se situarían en la siguiente grada (en la segunda capa, de mayor energía) hasta completarla, y así sucesivamente hasta que se acomodasen todos los electrones que contiene el átomo.

Átomo con 28 electrones. Si imaginamos al átomo como una plaza de toros, en el centro del ruedo estaría situado el núcleo atómico, y en las gradas se irían situando los electrones. Así, en la primera grada (correspondiente al primer nivel de energía) se pueden colocar un máximo de 2 electrones; en la segunda grada (el segundo nivel energético), se pueden colocar un máximo de 8 electrones, en la tercera (tercer nivel energético), 18 electrones; en la cuarta (4 nivel de energía), 32 electrones... y así hasta que todos los electrones que contiene el átomo quedan acomodados)

Pues bien, a la capa de electrones más externa, la de mayor energía, se denomina capa de valencia. Y esta capa es la principal responsable de la unión entre los átomos. Veamos por qué.

Los átomos, como todo en el Universo, buscan la mayor estabilidad posible, el estado de mínima energía posible. La cantidad de electrones que se sitúan en la capa de valencia está relacionada con la estabilidad de los átomos: cuando la última capa electrónica queda completa con el máximo número de electrones permitidos para ese nivel, el átomo es especialmente estable. Este hecho es fundamental, pues encierra el fundamento de gran parte de los fenómenos que estudia la química.

La mayoría de los elementos químicos de la tabla periódica no tienen completa de electrones su última capa, la capa de valencia, por lo que los diferentes átomos se unen entre sí para conseguir que su última capa quede completa de electrones, que es la configuración más estable y de menor energía. 

El planteamiento es muy sencillo. Para que la última capa electrónica quede completa hay dos opciones, conseguir los electrones que le faltan o ceder los que hay en esa capa para que de esta manera, al quedar vacía, quede como última capa completa la anterior. El átomo tendrá preferencia por una opción u otra dependiendo del número de electrones que tiene que captar o ceder en los dos casos, de tal manera que tendrá preferencia por la opción en la que este número sea menor.

Cuando átomos de dos elementos con prerencias opuestas se encuentran, no tardan en ponerse de acuerdo: uno necesita electrones, y el otro desprenderse de ellos... !La unión está asegurada! Este tipo de unión se realiza mediante el denominado enlace iónico, formando así los compuestos iónicos. Para entenderlo mejor veremos un ejemplo:

Un átomo de Sodio (Na) se encuentra con uno de Cloro (Cl). El sodio contiene un único electrón en su capa de valencia. Para que su última capa quede completa de electrones tiene dos opciones, ganar siete electrones o perder uno. Parece obvio que le resultará más fácil perder un electrón que ganar siete. Por otro lado, el cloro contiene siete electrones en su capa de valencia, por lo que para conseguir que quede completa también tiene dos opciones, ganar un electrón o perder los siete. Siguiendo con el mismo razonamiento que en el caso del sodio, será más fácil que capte un electrón a que pierda siete. De esta manera si se encuentran átomos de cloro con átomos de sodio, por un lado tendremos a los primeros que quieren captar un electrón cada uno y a los segundos que quieren deshacerse de un electrón cada uno también. ¡Pues perfecto! En la unión, cada átomo de cloro capta un electrón de cada átomo de sodio ¡Y todos contentos!

Al captar un electrón, cada átomo de cloro queda con una carga negativa de más ya que el número de electrones es ahora superior en una unidad al de protones. Y cada átomo de sodio, al ceder un electrón, queda con una carga positiva, ya que el número de electrones es ahora inferior en una unidad al de protones. Los átomos con carga no nula se denominan iónes, concretamente cationes a los de carga positiva y  aniones a los de carga negativa. Como sabemos, las partículas con cargas opuestas se atraen, por lo que aparecen fuerzas electrostáticas que mantienen a los átomos unidos entre sí, formando una red cristalina tridimensional. De esta manera se forman los compuestos iónicos, los sólidos cristalinos.

Estructura cristalina de la sal común (NaCl)

En este caso, uno de los elementos quería ceder electrones y el otro captarlos, pero... ¿qué ocurre cuando ambos átomos quieren captar electrones? ¿quién cede a quién los electrones cuando la preferencia por los mismos es similar?  Pues bien, en este caso los elementos llegan a un acuerdo salomónico: comparten los electrones necesarios. Al este tipo de enlace se denomina enlace covalente, formando así compuestos covalentes. Para comprenderlo mejor veremos un sencillo ejemplo, la formación de la molécula de oxígeno.

La molécula de oxígeno está formada por dos átomos de oxígeno unidos entre sí mediante un enlace covalente. En este caso es obvio que ninguno de los dos átomos tiene una mayor preferencia para captar o ceder electrones, ya que ambos son del mismo elemento químico. El oxígeno contiene 6 electrones en su capa de valencia, por lo que para que ésta quede completa necesita 2 electrones más. Así, cuando dos átomos de oxígeno se encuentran, y dado que ninguno de los átomos va a poder quitarle los electrones al otro, comparten los electrones necesarios para que ambos queden con su última capa completa. Cada átomo de oxígeno comparte dos electrones de su capa de valencia, quedando así sus capas completas.

De esta manera se forman desde moléculas sencillas como el oxígeno, agua, dióxido de carbono... hasta grandes macromoléculas orgánicas.

Mientras que los compuestos iónicos están formados por una red de cationes y aniones que se mantienen unidos mediante fuerzas electrostáticas, las moléculas covalentes son compuestos discretos. En realidad, cuando escribimos la fórmula química del cloruro de sodio (NaCl) hacemos una simplificación que quiere decir que por cada átomo de Na hay un átomo de Cl, estando formado el cristal por una ingente cantidad de átomos de los dos elementos. Sin embargo, en las moléculas covalentes sí que podemos hablar de moléculas propiamente dichas, cada una formada por un número concreto y mucho menor de átomos. Por ejemplo, cada molécula de agua (H2O) está formada por la unión mediante enlace covalente de dos átomos de hidrógeno con uno de oxígeno. Aunque también podemos encontrar redes tridimensionales de infinidad de átomos unidos mediante enlace covalente, formando sólidos covalentes. Por ejemplo, la unión covalente entre átomos de carbono puede formar grafito o diamante.

En el diamante cada átomo de carbono está unido a cuatro más mediante enlaces covalentes

Ya hemos visto como se unen átomos entre sí cuando unos quieren ceder electrones y otros captarlos; y cuando ambos quieren captar electrones; pero nos queda aún un tercer tipo: ¿qué ocurre cuando sólamente se encuentran átomos que tienen gran preferencia por ceder electrones? Es el caso de los metales y al enlace formado se denomina enlace metálico. 

En los metales, todos los átomos del elemento en cuestión quieren "deshacerse" de los electrones contenidos en capa de valencia para conseguir así que su última capa quede completa de electrones. Como todos los átomos quieren lo mismo y no hay posibles receptores de los electrones, los electrones cedidos quedan libres formando una especie de nube en movimiento alrededor de la red de átomos, que quedan cargados positivamente formando cationes. La nube de electrones cargados negativamente alrededor de los cationes le confiere una gran estabilidad a la estructura, que explica las propiedades de los metales. En definitiva, los metales se estructuran en una red de cationes estabilizada mediante una nube de electrones alrededor de los mismos.

    



Y por último queda otro grupo de elementos de la tabla periódica, que sí tienen completa su capa de valencia, son los gases nobles: Helio, Neón, Argón, Criptón, Xenón y Radón. Los gases nobles ya tienen "cubierto su objetivo", no necesitan ni ceder ni captar electrones, y por tanto no necesitan juntarse con otros átomos. La reactividad de los gases nobles es por tanto prácticamente nula.

 

Tanto tú, como yo, como un árbol, como un medicamento sintetizado en un laboratorio, o como una piedra de un remoto planeta... absolutamente toda la materia con masa del Universo está formada de las mismas tres piezas fundamentales (protones, neutrones y electrones). Parece que el Universo tiene bastante más imaginación que nosotros a la hora de jugar con piezas de construcción. Una vez más, "Nuestra imaginación palidece ante la asombrosa realidad del Cosmos". 

Esta entrada participa en el XLIV Carnaval de Química alojado en el blog de Melquíades de @waltzing_piglet.