martes, 29 de diciembre de 2009

TOMÁS UNGER: "CONOZCA LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA"


ÁTOMOS Y MOLÉCULAS

por Tomás Unger
Secció
n Vida y Futuro de "El Comercio", 29 de diciembre de 2009


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En la realidad que todos conocemos, hasta un grano que puede parecer insignificante
tiene mucha importancia. Recordemos cómo y de qué están hechas todas las cosas
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Hemos visto que a la escala de las galaxias nuestro Sistema Solar es un grano de arena, nuestro planeta una partícula microscópica y nuestras vidas parecen breves destellos. Aunque insignificantes a escala cósmica, frente a la estructura básica del universo adquirimos una dimensión gigantesca. Desde las galaxias hasta la arena de nuestras playas, pasando por el aire y los seres vivos, todos constan de átomos agrupados en moléculas.

LOS ÁTOMOS
La unidad básica de la materia es el átomo, cuyo nombre griego significa ‘indivisible’, aunque haciéndolos chocar a grandes velocidades los físicos han demostrado que son divisibles. Los átomos son las partículas que determinan la naturaleza de la materia. Un núcleo de carga positiva y los electrones de carga negativa que lo rodean son la estructura básica del átomo. El más sencillo y abundante en el universo es el de hidrógeno (H), con un solo protón y un electrón.

Desde el más liviano, el H, hasta el más pesado, el Pu (plutonio, que pesa 244 veces más), todos los elementos constan de las mismas piezas; la diferencia está en su número. El átomo da las características propias a cada elemento. Hay unos 100 elementos que se dan en forma natural y desafía la imaginación el pensar que con ellos se pueda tener la variedad de materia que nos rodea. Solo una pequeña parte, 16 elementos* se requieren para construir el cuerpo humano, y de estos unos diez en mínimas cantidades. La razón es que los átomos están combinados, y las posibilidades de combinación son ilimitadas. La combinación de átomos se llama molécula.

Importante. Todos los elementos químicos constan de protones y electrones en sus átomos. La
única difer
encia está en su número. Y es el átomo el que da características propias a cada
elemento. De todos los existentes, al menos 15 elementos son
fundamentales para la vida humana.


LA MOLÉCULA
Molécula en griego significa ‘pequeña masa’. Para imaginar su dimensión, tenemos que remitirnos al tamaño del átomo. Para referencia tomaremos el átomo de carbono (C), el elemento más versátil, esencial para la vida. Una línea de 3 cm contendría 100 millones de átomos de carbono a lo largo por un millón a lo ancho. Si cada átomo midiera un centímetro, la línea sería una pista de 1.000 km de Lima a Piura. El átomo de hidrógeno es algo más pequeño, mientras que el azufre es un 50% mayor, pero todos están dentro de ese orden de magnitud. Por esta razón los átomos no tienen color; son demasiado chicos para reflejar la luz visible.

El color lo da la estructura y posición de las moléculas, que determina la parte del espectro luminoso que absorben o reflejan. La molécula es la combinación de átomos que fija todas las propiedades de la materia, desde el color hasta el olor, sus propiedades físicas y químicas. Esto es válido aun si consta de un solo tipo de átomos. El oxígeno esencial para la vida está formado por moléculas de dos átomos (O2), es inodoro, incoloro e insípido. El ozono es también oxígeno, pero en moléculas de tres átomos (O3), apesta, es azulado y venenoso.

LA ESTRUCTURA
Todo lo que nos rodea consta de “compuestos químicos”, moléculas que combinan átomos, ya sea de un elemento –como el O2 y el O3–o de varios. Esta estructura es la que determina la naturaleza de la materia. La forma en que están dispuestos los átomos tiene infinidad de posibles variantes, y la transposición de uno solo puede convertir una mat eria en veneno, explosivo o alimento. Los átomos se combinan según su estructura, el número de electrones y la disposición de sus órbitas alrededor del núcleo. La unión se produce cuando dos átomos comparten un par de electrones. Algunos pueden compartir electrones con más de un átomo del mismo o de otro elemento. El átomo más versátil es el de carbono, que puede hacer cuatro uniones en gran variedad de formas.

Con excepción de los llamados gases inertes: helio (He), argón (Ar), neón (Ne)**, los demás elementos –con mayor o menor facilidad– forman compuestos. Un ejemplo simple y abundante es el agua. Compuesto de dos átomos de hidrógeno (H) y uno de ox ígeno (O), el agua (H2O) es líquida a temperatura ambiente. Esto se debe a la pequeñez del soli tario hidrógeno y a la gran atracción de los electrones del oxígeno, que hace que las moléculas se agrupen en un líquido móvil en lugar de independizarse como los gases. De no ser así, la vida en nuestro planeta, 71% de cuya superficie es agua, sería totalmente diferente.

MOLÉCULAS DE VIDA
Todo lo que nos rodea son moléculas. La atmósfera que nos rodea es una mezcla de moléculas que, a nivel del mar, nos presiona con una fuerza de 1 atmósfera (1,14 kg/cm2). El 78% del aire son moléculas de nitrógeno (N2), el 1% argón (Ar) y casi todo el resto (21%) moléculas de oxígeno (O2). Hay una pequeña cantidad de otros gases, pero la abrumadora mayoría de moléculas de nuestra atmósfera son nitrógeno y oxígeno, en una proporción aproximada de 4 a 1. Si no fuera por el nitrógeno de dos átomos con una triple unión entre ellos, sumamente estable y reacio a combinarse con otros elementos, no habría vida en la Tierra. Si oxígeno fuera el gas preponderante en la atmósfera, debido a su reactividad, el primer rayo hubiera causado un incendio que habría consumido toda vegetación… y con ella la vida.

Entre los compuestos más simples y esenciales a la vida está el anhidrido carbónico (CO2), también causante del calentamiento global. Este es el gas resultante de la combinación de oxígeno con carbono –combustión– que se produce cada vez q ue quemamos compuestos orgánicos. Es el gas que expiramos, producto del metabolismo de nuestro organismo. El CO2 es el compuesto de menor nivel de energía y las únicas que pueden hacer algo con él son las plantas; gracias a eso existe la vida.

Por el proceso de fotosíntesis (ensamblaje por luz) las plantas, con energía del sol, con el carbono del CO2 y con agua arman los carbohidratos, base de la cadena alimenticia de la vida, y devuelven el oxígeno a la atmósfera. Pero el carbono y el oxígeno tienen muchísimas otras formas de combinarse y, si se añade hidrógeno, las combinaciones son virtualmente ilimitadas. Un anillo bencénico, un hexágono de átomos de carbono con seis hidrógenos, es la base de innumerables compuestos. Otro ejemplo: sustituyendo en dos sitio s los hidrógenos con otras estructuras (tres carbonos, cuatro oxígenos y cuatro hidrógenos) se obtiene aspirina (C9H8O4). Los numeritos solo dan la fórmula, pero la posición de los átomos en la molécula es la que determina sus propiedades físicas y químicas.

EL VACÍO
Si consideramos los millones de compuestos que forman un organismo viviente, y los millones de millones de moléculas que intervienen permanentemente en su fu ncionamiento, volvemos a cifras astronómicas. Los ejemplos de compuestos que hemos dado están en el extremo sencillo del repertorio de la naturaleza. Cualquier proteína que se respeta tiene miles de átomos, y todo organismo viviente consta básicamente de proteínas. Si a esta complejidad añadimos los descubrimientos de la física, nos acercamos de nuevo a la imagen del universo: un enorme vacío.

Como los sistemas solares del universo, los átomos resultan enormes espacios vacíos, con electrones que –como bolitas– dan vueltas a un núcleo de pelotas a cuadras de distancia. Sumados los espacios dentro de los átomos que componen los trillones de moléculas de nuestro cuerpo –como el universo cuyos límites no alcanzamos a ver– somos más del 99% espacio vacío.

*Al menos 15 elementos son indispensables para la vida humana: hidrógeno, carbono, oxígeno, nitrógeno, azufre, fósforo, magnesio, calcio, manganeso, hierro, yodo, sodio, potasio, molibdeno, selenio y, por confirmar, flúor.

**El kriptón (Kr) y el xenón (Xe) también son gases nobles, pero bajo ciertas circunstancias se combinan con el flúor.

1 comentario:

Anónimo dijo...

Interesante articulo, estoy de acuerdo contigo aunque no al 100%:)

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