El Cedazo

En el mundo hay diferentes materiales y diferentes sustancias. Hasta un niño de kindergarden^[1] puede diferenciar entre un yogur y una pintura de cera, aunque luego se lleve las dos cosas a la boca. La pregunta es, ¿qué les hace diferentes? ¿Por qué la madera es madera, el oro es oro, y el whisky es whisky?

La respuesta filosófica es que los materiales tienen unas propiedades que detectamos con nuestros sentidos (o con aparatos más o menos sofisticados que luego interpretan nuestros sentidos), y estas propiedades son diferentes de un material a otro. Cuando hablamos de propiedades nos referimos a una cantidad casi infinita de posibilidades: color, olor, sabor, reaccionabilidad química, respuesta a la radiación, densidad, calor específico, solubilidad… Nosotros hacemos un acto de fe cuando pensamos que un material tiene las mismas propiedades si se encuentra en las mismas condiciones. ¡Vaya sorpresa si el agua, de repente, decidiese volverse roja!

Las propiedades pueden ser de dos tipos. Hay propiedades intensivas, que no dependen de la cantidad de materia que estamos midiendo, como la viscosidad o el punto de ebullición, y propiedades extensivas, que sí dependen, como la masa, la carga o la energía. Podemos clasificar las materias en función de las propiedades intensivas, porque una sustancia va a tener siempre las mismas propiedades intensivas en las mismas condiciones, repito, por acto de fe.

Los químicos siempre hemos estado muy interesados en conocer qué pasa si mezclas dos sustancias, pero también nos ha interesado el proceso inverso, que es conocer en qué sustancias puras se descomponen las mezclas. Esta investigación es la que llevó a encontrar los elementos de la tabla periódica. Aunque la tabla periódica sigue en expansión, los elementos nuevos son “fabricados” por el hombre y no se encuentran en la naturaleza.

A un material (léase “esta piedra tan rara que me ha traído mi primo el geólogo”, o “esto que tengo tras mezclar esos dos líquidos”) se le pueden aplicar procedimientos físicos, como destilarlo o someterlo a un campo magnético, y procedimientos químicos, que se basan en añadir otra sustancia y ver qué pasa.

En general, un material puede ser una sustancia pura o una mezcla. Una mezcla es… bueno, pues una mezcla de sustancias puras. Dependiendo de si las propiedades intensivas son constantes o no, hablamos de mezclas homogéneas, como las disoluciones, o de mezclas heterogéneas.  En las mezclas homogéneas las propiedades intensivas son constantes, es decir, tenemos la misma temperatura, densidad, color, etc, en todo el material, como por ejemplo en un colacao completamente disuelto, o en una estatua de bronce. En una mezcla heterogénea podemos, sin embargo, distinguir trocitos de material que tienen unas propiedades de otros trocitos que tienen otras, como pasa en el granito, o en un colacao con grumos (¡qué rico!).

Así, una mezcla, sea homogénea o heterogénea, se puede separar en las sustancias puras que lo componen mediante métodos físicos como destilación, filtrado… Un material es una sustancia pura si no se puede descomponer con métodos físicos, aunque sí se pueda modificar con reacciones químicas.

Entonces, si tenemos una sustancia pura, vamos a intentar descomponerla con métodos químicos. Si se consigue descomponer en más de un elemento se le llama compuesta. Si solo se obtiene un elemento, pues la sustancia química es un elemento químico y punto, encantados de la vida.En los orígenes de la química no se sabía cuántos elementos químicos había, y no era una mala postura el pensar que muchos elementos eran considerados así porque aún no se había conseguido descomponerlos, pero en realidad eran compuestos formados por varios elementos.

Ten en cuenta que, en todos estos procedimientos, los elementos que constituían el material^[2] no han modificado su estructura. Puede que hayan ganado o perdido algo, o que su entorno se haya modificado, pero siguen siendo el mismo elemento que eran antes. Que los átomos de un elemento pasen a ser de otro elemento es alquimia, y hubiera maravillado a San Alberto Magno.

Pero se puede hacer.

San Alberto Magno, maravillado.

De momento, hemos encontrado 114 elementos. Y digo de momento porque los físicos siguen intentando crear más, básicamente empotrando átomos de otros elementos entre sí a velocidades altísimas, para que estos átomos se asocien formando otro elemento. ¡Alquimia! La pena es que necesitamos energías muy altas para alcanzar esas velocidades, por lo que no es práctico intentar convertir el plomo en oro (se puede, en realidad, pero hay que gastar mucho más dinero de lo que cuesta comprar el oro)^[3]

Fíjate que he dicho los físicos, y no los químicos. Esto sucede porque los elementos que quedan por “descubrir” son los más pesados y más grandes, de forma que son casi imposibles de encontrar en la naturaleza y, vaya, tenemos que crearlos nosotros.

Creo que no te estoy descubriendo nada nuevo, si eres lector de divulgación científica, si te digo que  todos los elementos están compuestos por átomos. Un átomo está compuesto por protones, que tienen carga positiva, neutrones, que no tienen carga, y electrones, que tienen carga negativa. Estos, a su vez, están compuestos por otras cosas, pero no vienen al caso, porque no van a afectar a su comportamiento en el mundo habitual. Los protones y los neutrones están pegados en el núcleo, y los electrones, que son lo más interesante desde el punto de vista químico, están danzando a su alrededor.

La posición de los electrones es algo tan importante, tan importante, que es imposible de saber. A lo máximo que podemos aspirar es a tener una idea de la probabilidad de encontrar a los electrones, y así pintar un degradado con las zonas en las que suele estar el electrón.  Esto nos lo da una ecuación matemática muy complicada que se llama la ecuación de función de onda, o ecuación de Schrödinger. Esta ecuación tiene muchas soluciones (ya he dicho que es muy complicada), que nos dan los orbitales. Para lo que nos interesa, los orbitales son como las casas donde viven los electrones. Son casas un poco particulares, porque se solapan entre sí, pero es la mejor metáfora que he escuchado.

Ecuación de Schrödinger (qué miedo)

No te preocupes, no vamos a meternos a analizar esta ecuación, ¡para eso están los físicos cuánticos!

Entonces, los electrones se van a disponer en un átomo en unas casas, siguiendo unas reglas. La primera es que las casas más cercanas al núcleo son más lujosas, y los electrones, que son unos pijos de la leche, quieren vivir con el máximo elitismo posible. La segunda es que los electrones pueden compartir casa, pero las leyes de urbanismo electrónico prohíben que vivan más de dos electrones en la misma casa. Es decir, podemos tener casas vacías, casas con un electrón y casas con dos electrones, pero no casas con tres, cuatro, o más.  Lo interesante de esto es que los electrones pueden mudarse de casa, cambiar de átomo, irse por su cuenta, e incluso arrejuntar dos casas de dos átomos distintos y hacerse un loft estupendo. Para todo esto hace falta energía, pero en algunos casos el balance de energía es favorable y los átomos se quedan tan felizmente. Pero esto, en otra ocasión.

Así, recapitulando, un átomo está compuesto por protones, neutrones y electrones.

El número de protones es lo que nos dice qué elemento es. Así, el hidrógeno tiene un protón, el carbono tiene seis, y el protactinio tiene 91. Esto define al elemento. Nosotros vemos un átomo perdido por ahí, contamos sus protones, y le enchufamos la etiqueta del elemento.

El número de neutrones más el número de protones es el número másico, y es, por decirlo de alguna forma, lo que pesa un átomo. Un elemento puede tener una cantidad variada de neutrones, pero la estabilidad de las diferentes configuraciones varía. A estos átomos con diferentes números de neutrones les llamamos los isótopos de un elemento. Así, imagínate que tienes dos átomos de carbono (que sabes que son de carbono porque tienen seis protones) y ves que uno tiene seis neutrones y otro tiene siete. En ese momento, corres a por tu máquina de etiquetar y les llamas, respectivamente, carbono doce^[4] y carbono trece.^[5] Así de fácil.

En general, los diferentes isótopos son bastante difíciles de distinguir, y en las reacciones químicas se suelen comportar igual. Esto ocurre así porque los causantes de las reacciones químicas son los electrones, y las obras que hacen en sus casas. Si el número de electrones es igual al de protones, tenemos un átomo neutro, pues las cargas positivas se igualan a las negativas. Si tenemos más electrones que protones tenemos un ion negativo (o anión) y si tenemos más protones que electrones tenemos un ion positivo (o catión).  Piensa que en función de la diferencia entre el número de electrones y el de protones hay aniones con una carga negativa, con dos, con tres… y lo mismo para los cationes, pero con cargas positivas.

El próximo día, veremos cómo son las casas de los electrones, es decir, sus orbitales, y hablaremos de qué es la configuración electrónica… ¡Hasta entonces!

1. En España se le suele llamar “Jardín de infancia” o “Guardería”. [↩]
2. Spoiler: los átomos [↩]
3. Aunque si sigue la burbuja del oro igual hay que replanteárselo… [↩]
4. 6 protones y 6 neutrones dan 12. [↩]
5. 6 protones y 7 neutrones, total 13. [↩]

The ¿De qué están hechas las cosas? – (II) Mezclas, sustancias y elementos by Diego Santodo, unless otherwise expressly stated, is licensed under a Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Spain License.