Átomos y moléculas

Los átomos y moléculas son los bloques fundamentales que constituyen toda la materia en el universo. Un átomo es la unidad más pequeña de un elemento químico. Cuando se combinan, forman moléculas, que son las partículas más pequeñas de una sustancia con sus propiedades químicas y físicas intactas. Estos conceptos son esenciales para entender no solo la composición de todo lo que nos rodea, sino también las reacciones y procesos que ocurren a nivel molecular. Desde la formación de compuestos simples hasta las complejas interacciones en sistemas biológicos. La comprensión de los átomos y moléculas ha permitido avances significativos en campos como la medicina, la tecnología y la industria, transformando nuestra capacidad para manipular y utilizar la materia de formas innovadoras y útiles en la vida cotidiana.

¿Qué es un átomo?

Un átomo es la unidad más pequeña que constituye la materia y a su vez, contiene propiedades de un elemento químico. Los átomos son microscópicos, se calcula que tienen un tamaño de 100 pm, es decir, 10mil millonésima parte de un metro. El átomo se caracteriza también por tener 4 propiedades claras: masa, tamaño, niveles de energía y la interacción eléctrica entre los protones y electrones.

A pesar de ser tan pequeños tienen una estructura definida, está compuesto por un núcleo y uno o varios electrones. El núcleo, a su vez, está compuesto por protones y neutrones, que también son llamados nucleones; típicamente, la cantidad de protones y neutrones es similar y esta carga define el tipo de átomo.

Los neutrones no tienen carga eléctrica, los protones tienen carga eléctrica positiva y los electrones (que son los que van unidos al núcleo) tienen una carga negativa. Cuando un átomo tiene la misma cantidad de protones y electrones, se considera que es un átomo eléctricamente neutro; en cambio, cuando un átomo tiene mayor cantidad o menor cantidad de protones que electrones, se le llama ion, cuando la carga es positiva se denomina catión y cuando la carga es negativa se llama anión.

Algunos ejemplos son el hidrógeno, que además es el más simple de todo el universo; este elemento está compuesto por 1 electrón y 1 protón. El carbono, por ejemplo, posee 6 electrones y 6 protones; a su vez, 4 de los electrones se ubican en la capa más externa y son los capaces de formar enlaces con otros átomos para formar moléculas. El oxígeno es otro ejemplo, se encuentra conformado por 8 electrones, 8 protones y 8 neutrones.

¿Qué es una molécula?

Una molécula es la unión de dos o más átomos y es la partícula más pequeña que conforma una sustancia, una molécula cuenta con propiedades químicas y físicas. Los átomos que conforman una molécula pueden ser iguales o diferentes.

Por ejemplo, la molécula de agua está conformada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. O el caso del oxígeno que está conformada por dos átomos de oxígeno. En el caso de las moléculas que están conformadas por dos se llaman diatómicas; además del agua están las moléculas del nitrógeno de aire o del cloro gaseoso. Una molécula puede estar conformada por mínimo dos átomos, pero existen moléculas conformadas por cientos de ellos; por ejemplo, la molécula de la clorofila que tiene 137 átomos.

Adicionalmente, existe algo que se conoce como movimiento molecular. Resulta que las moléculas se encuentran en constante movimiento, produciendo unas vibraciones que se generan por tensión o flexión.

Asimismo, las moléculas pueden presentar carga eléctrica o ser neutras, cuando presentan carga se les conoce como ion-molécula. Por ejemplo, el agua que está conformada por 3 átomos (2 de hidrógeno y 1 de oxígeno) tiene una carga parcial negativa por parte del oxígeno y dos cargas parciales positivas por parte del hidrógeno; lo que hace que tenga una estructura de carácter dipolar.

¿Cuál es la diferencia entre átomo y molécula?

En términos generales, los enlaces químicos en los átomos son ausentes, en cambio, en las moléculas están presentes. Un enlace químico es la fuerza que une a los átomos para formar compuestos químicos. Otra diferencia es que los átomos están compuestos por protones, neutrones y electrones y las moléculas están compuestas por átomos iguales o diferentes.

Adicionalmente, un átomo está siempre unido a otro elemento por lo que no pueden existir de manera individual. En cambio, una molécula sí puede existir de forma individual. Por ejemplo, existe una molécula de agua, molécula de glucosa, molécula de carbono, molécula de hidrógeno, entre otras.

Historia del descubrimiento de los átomos y moléculas

El concepto de átomo, como la partícula más pequeña e indivisible de la materia, tiene sus raíces en la antigua Grecia. Filósofos como Demócrito (siglo V a.C.) propusieron la idea de que toda la materia estaba compuesta por pequeñas partículas indivisibles a las que llamó “átomos”. Sin embargo, esta fue una idea filosófica sin base experimental y no se desarrolló científicamente hasta muchos siglos después.

La Teoría Atómica de Dalton

El verdadero avance en la teoría atómica no ocurrió hasta el siglo XIX con el trabajo de John Dalton. En 1803, Dalton formuló la primera teoría atómica moderna, que establecía que los átomos eran las unidades fundamentales de la materia y que cada elemento estaba compuesto por átomos de un solo tipo, todos con la misma masa y propiedades.

Dalton también sugirió que los compuestos se forman cuando los átomos de diferentes elementos se combinan en proporciones fijas. Esta teoría fue fundamental para el desarrollo de la química moderna.

El descubrimiento del Electrón: J.J. Thomson

A finales del siglo XIX, se hicieron nuevos descubrimientos que revelaron que los átomos no eran indivisibles, como Dalton había propuesto. En 1897, J.J. Thomson descubrió el electrón, una partícula subatómica con carga negativa, mediante sus experimentos con tubos de rayos catódicos. Este descubrimiento demostró que los átomos estaban compuestos de partículas más pequeñas, lo que llevó al modelo del “pudín de pasas”, en el que Thomson sugirió que los átomos consistían en electrones incrustados en una “masa” positiva.

El Modelo Nuclear de Rutherford

En 1911, Ernest Rutherford, un estudiante de Thomson, llevó a cabo su famoso experimento de dispersión de partículas alfa, en el cual bombardeó una lámina de oro con partículas alfa. Observó que algunas partículas rebotaban hacia atrás, lo que era inesperado si el modelo de Thomson fuese correcto. A partir de este experimento, Rutherford propuso un nuevo modelo atómico, en el cual la mayor parte de la masa del átomo y toda su carga positiva se concentraban en un pequeño núcleo central, mientras que los electrones orbitaban alrededor de este núcleo, similar a cómo los planetas orbitan el sol.

El Modelo Atómico de Bohr

Posteriormente, en 1913, Niels Bohr refinó el modelo de Rutherford al introducir la idea de que los electrones orbitan el núcleo en niveles de energía discretos. Según Bohr, los electrones podían saltar de un nivel de energía a otro, emitiendo o absorbiendo energía en forma de luz. Este modelo ayudó a explicar ciertos comportamientos de los átomos que no podían ser comprendidos con los modelos anteriores y fue un paso clave en el desarrollo de la mecánica cuántica.

La mecánica cuántica y el modelo actual

Finalmente, el modelo atómico evolucionó aún más con la introducción de la mecánica cuántica en la década de 1920. Científicos como Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg desarrollaron un marco teórico que describía los electrones no como partículas que orbitan en trayectorias definidas, sino como ondas de probabilidad. Este modelo cuántico es el que prevalece hoy en día y permite un entendimiento más preciso de la estructura y comportamiento de los átomos.

Aplicaciones prácticas de los átomos y moléculas en la vida cotidiana

El conocimiento de los átomos y moléculas no solo es fundamental para la comprensión teórica de la materia, sino que tiene aplicaciones prácticas en muchas áreas de nuestra vida cotidiana. Desde la medicina hasta la tecnología y la industria, estos conceptos se utilizan para mejorar nuestra calidad de vida y desarrollar nuevas soluciones a problemas complejos.

Medicina: diagnóstico y tratamiento

En el campo de la medicina, el conocimiento de los átomos y moléculas es esencial para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Una de las aplicaciones más comunes es la imagen por resonancia magnética (IRM). Este método utiliza campos magnéticos y ondas de radio para alinear los átomos de hidrógeno en el cuerpo y crear imágenes detalladas de los órganos y tejidos internos. La IRM permite a los médicos detectar tumores, lesiones y otras afecciones sin necesidad de cirugía invasiva.

Otro ejemplo es el diseño de fármacos, que se basa en la comprensión de las interacciones moleculares entre medicamentos y sus objetivos en el cuerpo, como proteínas o ácidos nucleicos. Al conocer cómo ciertas moléculas afectan el comportamiento de los átomos en el cuerpo, los científicos pueden desarrollar tratamientos más efectivos y personalizados para enfermedades como el cáncer y las infecciones virales.

Tecnología: nanotecnología

La nanotecnología es una rama de la ciencia que manipula la materia a nivel de átomos y moléculas para crear materiales y dispositivos con propiedades únicas. Esta tecnología tiene aplicaciones que van desde la fabricación de componentes electrónicos hasta la medicina.

Por ejemplo, en la electrónica, la nanotecnología permite la creación de transistores y circuitos más pequeños y eficientes. Esto ha sido crucial para el desarrollo de dispositivos móviles y computadoras más potentes y compactos. En el ámbito médico, los nanomateriales se utilizan para entregar medicamentos directamente a las células afectadas, minimizando los efectos secundarios y aumentando la eficacia del tratamiento.

Industria: fabricación de nuevos materiales

En la industria, el conocimiento de la estructura atómica y molecular es clave para el desarrollo de nuevos materiales con propiedades mejoradas. Por ejemplo, el grafeno, un material compuesto por una sola capa de átomos de carbono, ha revolucionado el mundo de la ciencia y la ingeniería debido a su alta resistencia, flexibilidad y conductividad eléctrica. Estas propiedades hacen que el grafeno sea ideal para aplicaciones en baterías de alta capacidad, pantallas flexibles y materiales compuestos ultra ligeros y resistentes.

Otro ejemplo es la creación de polímeros avanzados que se utilizan en la fabricación de textiles, plásticos y envases. Los polímeros son largas cadenas de moléculas repetitivas que se pueden diseñar para tener características específicas. Por ejemplo, resistencia al calor, flexibilidad o durabilidad, lo que los hace indispensables en una amplia gama de productos de consumo y aplicaciones industriales.