BASES MOLECULARES DE LA VIDA

ESTRUCTURA DE LA MATERIA

EL ÁTOMO

Es la mínima cantidad de materia que se puede dividir por métodos físicos.

El átomo está compuesto por:

ELEMENTO

La mínima cantidad de materia que posee átomos con características o propiedades similares.

Se representan por símbolos químicos que se forman  por una o más letras, la primera mayúscula y la segunda minúscula.

ELECTRONES

Estas partículas se encuentran en la periferia o corteza del átomo, girando a grandes velocidades en siete niveles  y cuatro subniveles de energía. Poseen una masa igual a 1 y carga eléctrica negativa. Se representan por: e^-

Partícula que se halla en el núcleo de todos los átomos. Tiene masaaproximadamente igual a 1836 veces mayor que la de los electrones y carga eléctrica positiva. Se representan por: p⁺  y se conocen como nucleones.

NEUTRONES

Partícula que se halla en el núcleo de todos los elementos. Posee masa aproximadamente igual a la de los protones, pero no tienen carga eléctrica. Por lo general, el número de neutrones que posee un núcleo es superior al número de protones.

Se representan por:  n⁰   y se  conocen como nucleones.

Estudios recientes sobre los protones y  neutrones han determinado que dichas partículas se encuentran  formadas por unas más pequeñas llamadas quarks.

DESARROLLO HISTÓRICO

Se remonta  a la edad antigua, cuando se descubrieron elementos como el oro y la plata, nace la incógnita: ¿De qué  está compuesta la materia?

Cuando se observa una barra de acero a simple vista se ve una superficie lisa, pero si utilizamos un microscopio electrónico podemos comprobar que existen espacios entre sus átomos lo que  da para pensar que la materia es discontinua y no continua como lo habían establecido los estudios realizados  hasta ese momento.

DEMÓCRITO DE ABDEA

En el siglo V a. de C. fue el primero en utilizar la palabra átomo que provine del   griego y significa sin división, expresó una teoría acerca  de la discontinuidad de la materia.

Para Demócrito  los átomos de agua eran suaves y redondos  por eso fluían  suavemente, los del fuego estaban cubiertos de espinas por eso producían quemaduras  que producían mucho dolor. La tierra  tenía átomos dentados y ásperos por eso en ella se encuentran sustancias compactas y duras.

Pero Platón y Aristóteles se oponen y en su lugar plantean la Teoría atómica o de continuidad de la materia.

JOHN DALTON

En 1807 concibió los átomos como partículas indivisibles y sin estructura interna, diferentes en su peso unos de los de otros.  Estas conclusiones fueron base de desarrollo de  la química moderna.

Luego de la teoría atómica de John Dalton se conocieron los experimentos que en 1750 habían realizado los científicos: EUGENE GOLDSTEIN Y WILLIAM CROOKE, acerca de los:

RAYOS CATÓDICOS                                                       

Estos científicos se ocuparon de estudiar el comportamiento de las cargas eléctricas  para lo cual utilizaron tubos al vacío, o sea tubos a los que previamente se les había extraído el aire, aplicaron altos voltajes a un disco metálico  o electrodo  conectados a los extremos de ellos  con un electrodo negativo o cátodo y otro positivo o ánodo.

Las observaciones hechas fueron las siguientes:

- Cuando el voltaje era suficientemente alto se podían observar  rayos o ráfagas que iban del polo (negativo) o cátodo al  polo positivo o (ánodo).

- Al colocar un trozo metálico o lámina delgada en la trayectoria del haz de luz, éste se colocaba al rojo vivo, lo que indicaba la presencia de gran cantidad de energía.  

Estos comportamientos  característicos permiten concluir que las partículas poseen:

- Masa y carga eléctrica.

- En cuanto al comportamiento del rayo catódico siempre será el mismo así se   cambie el metal del cual está constituido el cátodo.

- Las partículas encontradas se les denominaron electrones.

J.J. THOMPSON

Premio Nobel en 1906 venía realizando observaciones del comportamiento de los rayos catódicos, ante los campos eléctricos y magnéticos. En los tubos de descarga colocó una placa fluorescente de sulfuro de cinc, estos experimentos lo encaminaron al descubrimiento no solo del electrón sino de otras partículas con carga eléctrica positiva, o sea opuesta a los electrones  y con una masa  1840 veces mayor; estas partículas las conocemos hoy como protones.

En los experimentos de Thompson  la placa representaba las fuerzas del campo eléctrico, y el magnético por el imán. Éstas se neutralizan mutuamente para hacer que la trayectoria de los rayos catódicos (electrones) sea recta hasta alcanzar el centro de la pantalla detectora. 

Además de estos experimentos, J.J. Thompson propuso un modelo atómico que consiste en una esfera cargada positivamente y dentro incrustadas las partículas negativas o electrones.

ERNEST RUTHERFORD                                                    

Este científico nacido en Nueva Zelanda (1871 – 1908)  fue discípulo de J.J. Thompson en  Cambridge, se considera el iniciador de la física nuclear. Logró por primera vez la desintegración del átomo. Recibió el premio Nobel en 1908. Considera el átomo con un núcleo donde encontramos los protones con carga eléctrica positiva y una periferia  con electrones con carga eléctrica negativa.

Paralelamente a las investigaciones realizadas por J.J. Thompson y Ernest Rutherford se realizaban los del químico francés Henry Becquerel en 1896 quien se dedicó a observar la capacidad de los cuerpos de captar los rayos de luz y convertirlos en rayos luminosos de una longitud de onda o alcance más amplio.

La  experiencia se extendió hacia la experimentación en elementos como el torio y el radio estudiado por los esposos:  Pierre y Marie Curie, a estos se les denominó radiactivos por emitir radiaciones más penetrantes que la luz visible. Las observaciones hechas sirvieron para comprobar que las emisiones radiactivas del radio estaban compuestas por tres rayos diferentes a los cuales se denominaron: alfa (), beta (), gamma ()   .

PARA RECORDAR:

• Para estudiar el átomo se crearon las teorías atómicas entre sus representantes están:
• Demócrito que estudió sus formas.
• John Dalton  los concibió como partículas  indivisibles.
• J.J. Thompson propuso el modelo de la esfera cargada positivamente incrustadas partículas negativas o electrones.
• Los rayos catódicos son partículas cargadas negativamente o electrones.
• Ernest Rutherford mejoró el modelo de Thompson y lo concibió con un núcleo con partículas positivas o protones y neutras o neutrones y una periferia donde se encontraban los electrones o partículas negativas.
• La radiactividad hace referencia a los rayos alfa (), beta () y gamma () que emiten algunos elementos.

NIELS BOHR                                                                   

En 1913 el físico danés modificó el modelo atómico de Rutherford y explicó sus deficiencias.

El modelo atómico de Bohr mantiene la estructura elíptica del modelo de Rutherford, considera un núcleo y los electrones girando en niveles de energía. A medida que los electrones se alejan del núcleo su energía aumenta, así como los niveles de energía los cuales se representan con la letra n . Se consideran siete niveles de energía designados por números así: 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7. O con letras mayúsculas: K, L, M, N, O, P, Q. Este modelo atómico tiene las siguientes consideraciones:

• Si un electrón pasa de un nivel alejado del núcleo a uno más cercano entonces emite energía. Por ejemplo: Cuando un electrón  pasa del tercer nivel  o sea  n = 3, al segundo nivel: n = 2, ocurre éste fenómeno.
• Si el electrón pasa de un nivel inferior a uno superior entonces absorbe energía. Por ejemplo: El paso de un tercer nivel:  n = 3, a un cuarto nivel n =4
• Cuando el electrón se nueve en un mismo nivel su energía es constante.

En cada nivel de energía girarán o lo ocuparán un número determinado de electrones el cual está limitado a un máximo (p) y se expresa  mediante la fórmula:

Para obtener el número máximo de electrones que soporta un nivel de energía  reemplazamos n por  los niveles de energía del 1 al 7. Así:

Si  realizamos la sumatoria del máximo de electrones por cada nivel nos da un total de 280 electrones y si observamos la tabla periódica no existe un elemento que posea 280  electrones girando en los siete niveles de energía. Por eso se ha establecido un número real de electrones que existe  en cada nivel de energía cuya sumatoria es igual a 104 y está de acuerdo con la cantidad de electrones de los 112  elementos clasificados en la tabla periódica.

SOMMERFELD                                                            

La mayor parte de las ideas de Bohr fueron reemplazadas y perfeccionadas entre los años 1916 – 1926 por científicos como: los alemanes Sommerfeld y Werner Heisemberg, el francés Louis Broglie y el austriaco Erwing Schroedinger aportan ideas al modelo atómico de los orbitales.

IDEAS FUNDAMENTALES

• Los electrones no sólo son partículas materiales sino que se comportan como partícula y como onda, o sea que su comportamiento es dual o doble.
• Es imposible establecer dónde y en qué lugar se mueve el electrón, lo único que podemos averiguar es la probabilidad  dónde se puede encontrar en un momento dado.
• El espacio donde se mueve un electrón se denomina "orbital"  y se designan por las letras  minúsculas: s,  de sharp que en inglés significa "definido", p de la designación  "principal", d  de "difuso" y f de "fundamental".

        En cada orbital existe un máximo de dos electrones.

• De acuerdo con los orbitales que existen,  los electrones se desplazan en los planos que le corresponde a cada orbital. Por ejemplo:

                                     MODELO ATÓMICO ACTUAL    

Si bien los aportes de Rutherford  lograron avances dentro de la estructura atómica, queda sin explicar la forma como los átomos absorben (reciben)  y emiten (dan) energía. El físico danés Niels Bohr aclara ciertos cambios  energéticos, pero para su comprensión total,  es necesario conocer otros fenómenos como:

ESPECTROS ELECTROMAGNÉTICOS

Para comprender los espectros electromagnéticos debemos ocuparnos primero de:

La luz: es una onda electromagnética, puede viajar a 300.000 Km/sg en el vacío, si lo hace en una sustancia transparente su comportamiento es:

• Colores oscuros y densos:  absorben más luz
• Colores claros y menos densos: absorben menos luz

Un ejemplo, la ropa negra no se debe usar en clima calientre por que tiene la propiedad de absorber la luz de los rayos solares y producir mucha calor. El caso contrario la ropa de colores claros absorben menos luz y van a permitir  que se esté más fresco y cómodo.

TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA

La teoría de la  conservación de la materia  que dice: " La energía no se crea ni se destruye  sino que se transforma"

Esto es fácil de observar cuando la energía radiante, es decir, la luz del Sol se transforma en energía química en los procesos fotosintéticos.

Para analizar su  constitución  se creó la Teoría ondulatoria de la luz.

Normalmente observamos la luz como una forma continua o lo que denominamos un haz, cuando en realidad es la suma de pequeños paquetes o unidades de energía conocidas como fotones o cuantos de luz.

Por esto se dice que la luz es una  radiación electromagnética que se propaga a alta velocidad. Por ejemplo, los colores poseen diferentes longitudes de onda, así como también diferente energía, en el caso de los rayos X y gamma sus energías son tan altas que sus espectros no son visibles al ojo humano.

  CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS  

En el Primer Congreso Internacional de Química que tuvo lugar en la ciudad de KARLSRUHE ,  Alemania, el científico italiano Stanislao Canizzaro presentó un modelo novedoso de clasificación. Allí se encontraba Dimitry Mendeleiev y enseguida propuso que los elementos químicos se ordenaran de acuerdo con el número atómico.

PERIODICIDAD QUÍMICA

Dimitry  Mendeleiev  al organizar los elementos conocidos en orden creciente descubrió que algunas propiedades se repetían. Por ejemplo: el helio (He) de número atómico =  ( Z = 2), el neón ( Ne ) de Z = 10, el argón ( Ar ) de Z = 18 y el kriptón de Z = 36 eran muy parecidos, ya que todos en su último nivel de energía presentaban 8 electrones a excepción del neón. Esta característica les confería la propiedad de no formar enlaces químicos con otros elementos de la tabla periódica, por ello, se les denominó gases nobles.

También observó que los elementos litio (Li), sodio (Na) y potasio (K) reaccionan  violentamente con el agua (H₂ O),  eran buenos conductores de la electricidad y poseían un brillo especial.

Estas observaciones y otras le permitieron a Mendeleiev agruparlos en un sistema que denominó Tabla Periódica.

Un ejemplo de periodicidad lo encontramos en los elementos: berilio (Be), magnesio (Mg) y calcio (Ca).

Podemos observar que todos los elementos  poseen dos electrones en su último nivel de energía, por eso pertenecen al grupo II A y sus propiedades químicas se repiten.

En 1864 John Alexander Newlands  obtuvo suficientes datos como para colocar   todos los elementos conocidos en orden creciente, de acuerdo con su masa se podían  colocar en conjunto de ocho elementos. Este razonamiento se hizo teniendo como base el comportamiento de las notas musicales. Desafortunadamente en este sistema también existían errores por que eran más los elementos que no cumplían que los que cumplían la norma.

En 1870 el químico alemán Lothar Meyer publicó lo que sería el fundamento de la clasificación  moderna de los elementos químicos, pues Meyer estableció el volumen de los átomos de los elementos enfrentados a sus pesos atómicos y fue  así como colaboró con el principio de la periodicidad química.