¿QUÉ SON LOS ÁTOMOS?

Si cortas en partes un diamante (una forma de carbono), cada parte seguirá siendo carbono. Si pudieras hacer divisiones más y más pequeñas de estas partes, al final tendrías un montón de átomos de carbono tan pequeños, que 100 millones puestos en fila se extenderían apenas en un centímetro.

Los átomos, las unidades estructurales básicas de los elementos, están compuestos por partículas todavía más pequeñas

El carbono es un ejemplo de un elemento, una sustancia que no puede separarse en sustancias más simples ni convertirse en otras sustancias por medios químicos ordinarios (no podrías modificar elementos en el laboratorio de química de tu escuela). Los elementos, solos o combinados, forman toda la materia. Los átomos son las unidades estructurales fundamentales de los elementos; cada átomo conserva todas las propiedades de su elemento. Por su parte, los átomos están compuestos de un núcleo central alrededor del cual orbitan electrones.

El núcleo atómico (llamado simplemente “núcleo”) contiene dos clases de partículas subatómicas: protones, con carga positiva, y neutrones, sin carga. Los electrones en órbita alrededor del núcleo son partículas muy ligeras y con carga negativa. En general, los átomos tienen el mismo número de electrones y protones, de modo que son eléctricamente neutros. Noventa y dos tipos de átomos se forman de manera natural y componen la unidad estructural de un elemento diferente. El número de protones del núcleo, el número atómico, es la característica que define a cada elemento.

Por ejemplo, todo átomo de hidrógeno tiene un protón en el núcleo, todo átomo de carbono tiene seis protones y todo átomo de oxígeno tiene ocho; por tanto, el número atómico de estos átomos es 1, 6 y 8, respectivamente. Para equilibrar la carga positiva de los protones hay un número igual de electrones. Cada elemento tiene propiedades físicas y químicas exclusivas, basadas en el número y la configuración de las partículas subatómicas. Por ejemplo, algunos elementos, como el oxígeno y el hidrógeno, son gases a temperatura ambiental; otros, como el plomo, son sólidos extremadamente densos.

Algunos reaccionan fácilmente con otros átomos; otros más permanecen inertes. En la biosfera, casi todos los elementos aparecen en cantidades pequeñas y pocos son esenciales para la vida en la Tierra. En la tabla periódica, los elementos se organizan por su número atómico (hileras o familias) y sus propiedades químicas (columnas o periodos). Cuatro elementos: oxígeno, carbono, hidrógeno y nitrógeno, suman alrededor de 96% del peso del cuerpo humano; en el resto de los organismos, el porcentaje es parecido. Por este motivo, estos elementos a veces se llaman los “ladrillos” de la vida en la Tierra.

Todos los átomos, salvo el hidrógeno, tienen más de un protón en el núcleo. Pero los protones, como tienen carga positiva, se repelen unos a otros.

¿Cómo es que se compactan en el núcleo?

La respuesta está en los neutrones, que actúan como “apaciguadores” entre los protones para que estén unos junto a otros. Los neutrones tienen la misma masa que los protones y todos los átomos, salvo el hidrógeno, tienen neutrones. La masa atómica de un elemento es la masa total de protones, neutrones y electrones (la masa de los electrones es insignificante en comparación con la de protones y neutrones).

Los átomos del mismo elemento tienen a veces un número diferente de neutrones; cuando esto ocurre, los átomos se llaman isótopos de cada uno. La masa atómica de esos elementos es un promedio que tiene en cuenta la abundancia relativa de los isótopos de un elemento. Casi todos los isótopos son estables, pero algunos son radiactivos; es decir, se desintegran espontáneamente, forman otros átomos y liberan energía durante el proceso. Los isótopos radiactivos son herramientas extremadamente útiles para estudiar los procesos biológicos.

Los electrones ocupan regiones específicas llamadas “capas electrónicas” que corresponden a distintos niveles de energía

Los polos iguales se rechazan y los opuestos se atraen. De la misma manera, los electrones, que tienen carga eléctrica negativa, se repelen y son atraídos por los protones con carga positiva del núcleo. Un átomo con muchos protones en el núcleo necesita muchos electrones para compensarlos. Estos electrones orbitan el núcleo atómico en espacios tridimensionales bien definidos llamados capas electrónicas. Para simplificar, dibujamos estas capas como anillos de diámetro creciente alrededor del núcleo. Cuanto más lejos esté una capa electrónica del núcleo, mayor es la energía de los electrones que la ocupan.

Los electrones de un átomo llenan primero la capa más cercana al núcleo y luego ocupan capas de niveles superiores. La capa electrónica más cercana al núcleo atómico sólo puede contener dos electrones, los cuales llevan la menor energía posible. La primera capa es la única en los átomos de hidrógeno y helio. La segunda capa, correspondiente a un nivel de energía superior, puede tener hasta ocho electrones. Así, un átomo de carbono con seis electrones tiene dos en la primera capa y cuatro en la segunda. Observa que los electrones se distribuyen por separado en cuatro regiones conforme llenan una capa exterior; conforme se suman electrones para equilibrar las cargas positivas de núcleos más grandes, los electrones comienzan a formar pares.

Los núcleos y las capas atómicas cumplen funciones complementarias en los átomos. Los núcleos (suponiendo que no son radiactivos) dan estabilidad, mientras que las capas electrónicas permiten interacciones de atracción, llamadas enlaces químicos, con otros átomos; resisten las perturbaciones de las fuerzas del exterior: las fuentes comunes de energía (como calor, electricidad y luz) apenas los afectan. Como el núcleo de un átomo de carbono es estable, sigue siendo carbono aunque forme parte de un diamante, una molécula de dióxido de carbono o un azúcar. Sin embargo, las capas electrónicas son dinámicas, capaces de captar y liberar energía y formar enlaces químicos.

La vida depende de la capacidad de los electrones de captar y liberar energía

Como las capas electrónicas corresponden a niveles energéticos, cuando un átomo se excita por medio de alguna forma de energía como calor o luz, esta energía hace que el electrón salte de una capa electrónica de poca energía a otra más energética. Poco después, el electrón regresa espontáneamente a su capa original y libera energía, muchas veces en forma de luz.

Aprovechamos esta propiedad de los electrones todos los días. Cuando encendemos un foco, la electricidad que fluye por el filamento del foco lo calienta y la energía térmica impulsa a los electrones del filamento metálico a una capa de más energía. Cuando los electrones vuelven a su capa original, emiten en forma de luz la energía que captaron. La vida misma depende de la capacidad de los electrones de captar y liberar energía.