Los átomos están compuestos por un núcleo, con protones y neutrones, y por unos electrones dando vueltas a su alrededor. Recuerda que el número de protones es lo que le da nombre al átomo, por lo tanto podemos hablar de “núcleos de helio” o “nucleos de platino”. Alrededor del núcleo danzan los electrones.

Los electrones se sitúan en “casas” que hemos llamado orbitales. Los orbitales son las respuestas matemáticas a una ecuación de mecánica cuántica, y, en la práctica, son bastante pocos, pero muy importantes en química, porque nos explican cuáles son las reglas del juego.

Los orbitales vienen dados por tres números cuánticos, llamados n, l, s, que los definen.  Esto no lo digo yo, lo dice la mecánica cuántica desarrollada durante el siglo XX.

El número cuántico n se relaciona con la distancia media entre el núcleo y el electrón, y toma valores enteros entre 1 y infinito, teóricamente, aunque en la práctica sólo llega hasta 8. Es decir, orbitales con números n bajos estarán cerca del núcleo, y orbitales con n altos estarán lejos de él.

El número cuántico l indica la forma de los orbitales, y toma valores desde 0 hasta (n-1). Este número nos da el número de puntos donde el electrón no está nunca, llamados nodos. Los diferentes valores de l conducen a formas con nombre, así hablamos de orbitales “s”, para 0, orbitales “p”, para 1, y siguiendo con la cuenta, orbitales “d”, “f”, “g”, “h”… Los orbitales “s” tienen forma de esfera, los “p” son dos esferas achatadas, una especie de 8 tridimensional, y el resto son más complicados todavía.

Orbitales atómicos. A mayor número cuántico, más complejos son.

El número cuántico m nos indica hacia dónde se orientan estas formas, y va desde –l  hasta +l, es decir, hay 2l+1 valores de m para cada valor de l. Así, hablamos de orbitales “p_x”, “p_y”, y “p_z”. Estos orbitales son “degenerados”… pero no como el Imperio Romano. La degeneración quiere decir que tienen la misma energía.

Hay un cuarto número cuántico, el espín. Como ya adelantamos en el capítulo anterior, en cada casa pueden vivir hasta dos electrones. Pues bien, el espín es el número cuántico que nos diferencia a estos dos electrones.

Entonces, para aclararnos: Tenemos tres números cuánticos que definen un orbital, y uno más que caracteriza a cada uno de los dos electrones que pueden vivir en ese orbital. La distancia del orbital al centro del átomo nos lo da n. La forma del orbital nos lo da l. Y la orientación del orbital nos lo da m.

Pero claro, a nosotros lo que nos interesa es dónde van a estar viviendo los electrones. Los átomos son muy vagos, entonces van a poner los electrones lo más cerca que puedan del núcleo, pero también quieren ponerlos en una forma que les sea cómoda. Esto se manifiesta en una norma municipal llamada el “principio de Aufbau”, que significa literalmente “principio de construcción” en alemán, y que expresó por primera vez Niels Bohr.

El principio de Aufbau se relaciona con dos reglas anteriores. Una es el principio de exclusión de Pauli, que dice que ningún electrón en el átomo puede tener la misma combinación de números cuánticos que otro. El otro es la regla de Hund, que dice que no puede haber dos electrones en el mismo orbital si hay orbitales con la misma energía sin habitar. Esto es una consecuencia  de la degeneración de los orbitales que tienen el mismo n, el mismo l, y diferentes m. La energía de los orbitales nos la da la regla de Madelung, o regla del serrucho, que muy convenientemente nos indica cuál es el orden por el que tenemos que llenarlos. Esta regla se cumple en la mayoría de los casos, pero hay alguna excepción.

Regla de llenado de orbitales, basada en el Principio de Aufbau.

Así, juntando todo, comenzamos a llenar orbitales. Primero, el de menor energía, el 1s, con dos electrones. El orbital 1s tiene n igual a 1, y l igual a 0, y como no tiene degeneración, ponemos los dos electrones sin tener que pensar más.

El siguiente en energía es el 2s. Misma de antes.

El siguiente en energía es el 2p, que tiene tres orbitales degenerados, uno mirando hacia x, otro mirando hacia y, y otro mirando hacia z.

Los tres ochos ortogonales entre sí.

Así, ponemos un electrón en uno cualquiera, porque tienen la misma energía. El siguiente electrón lo metemos en uno de los otros dos, porque la regla de Hund nos prohíbe ponerlo con el otro. El tercero, en el que queda.

Como ya tenemos todos los orbitales de la misma energía con un electrón, podemos ponerlos a compartir casa, y así llenaremos hasta un total de 6 electrones.

Si hacemos esto, sucesivamente, llegamos a algo como:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶7s²5f¹⁴6d¹⁰7p⁶

Esto de ahí arriba, cortado hasta el número de electrones del átomo, es lo que se llama configuración electrónica, y es la base de la tabla periódica.

Hay una serie de configuraciones electrónicas que son muy estables, que son las configuraciones “de capa llena”. Esto ocurre debido a que los orbitales se sitúan simétricamente. Si miras a la derecha de la tabla periódica, encontrarás la columna de los gases nobles, que son los átomos que tienen esta configuración electrónica, siendo neutros. Estas configuraciones son las más estables, y el resto de elementos van a reaccionar entre sí para intentar alcanzar estas configuraciones, que son:

He: 1s² Ne: 1s²2s²2p⁶ Ar: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ Kr: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶ Xe: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶ Rn: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶

Estas configuraciones son tan características que se utilizan en ocasiones para simplificar la notación, sustituyendo los orbitales interiores por el gas noble del que son característicos, y sólo escribiendo los exteriores. Así, por ejemplo, el Ar se escribe como:

[Ne]3s²3p⁶

Para el próximo día, haremos una introducción a las diferentes variantes del enlace químico, que es lo que permite a los elementos alcanzar la configuración estable de gas noble.

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.

¿Más química? No solo está haciendo Pedro un apasionante trabajo contándonos los elementos que hay y dónde nos los encontramos, sino que Alex Girón está explicándonos detalladamente cómo funciona la tabla periódica, y qué compuestos hay. Mi humilde aportación en relación a lo que están haciendo esos dos genios es explicar química de una forma más de andar por casa, y ver por qué las cosas tienen las propiedades que tienen.

Los químicos presumimos de que todo es química. Hay química en el aire que respiras, en los yogures que comes de postre, en el tren que te lleva a trabajar y hay química también en la ropa que llevas puesta. Sin embargo, no hay química en todo; el hecho de que cuando tiras de la cadena el agua se escape por las tuberías no lo puede explicar la química, y tampoco puede explicar por qué el jefe que el otro día te gritaba hoy está arrepentido y te tiene en un altar.

Sin embargo, esto es una serie de química, y te quiero explicar por qué estudiamos la química, para qué nos vale y por qué nos interesa.

La química nos permite entender de qué están compuestas las sustancias, y qué diferencia hay entre una sustancia y otra. ¿Por qué los cristales se rompen con una pedrada y en cambio los ladrillos no? ¿Por qué si tiro un cañonazo a una pared de ladrillos se rompe, pero si se lo tiro al agua veo cómo se hunde sin que el agua se rompa? ¿Por qué las cosas son de colores distintos? ¿Por qué un anillo de hierro se oxida y uno de oro no? ¿De qué está compuesta la atmósfera, y por qué tiene esas propiedades? Esto se explica por la composición de los materiales; a diferente composición, los materiales van a tener propiedades diferentes, y eso nos lo explica la química.

Sin embargo, no sólo nos vale con saber qué elementos químicos hay en una estructura para saber las propiedades que van a tener. Necesitamos también conocer la estructura, es decir, como están “enganchadas” entre sí las partículas que lo forman. Seguro que tú, inteligente lector, te has preguntado muchas veces, ¿por qué algunos plásticos son transparentes y otros no, y por qué unos son duros y otros blandos, si están hechos a partir de más o menos lo mismo? ¿Por qué hay animales que pueden andar sobre el agua? ¿Por qué el aceite forma bolitas sobre el agua? Todo esto se explica por la estructura de las sustancias, y esto es especialmente importante en el caso de la bioquímica, que es la química de las cosas vivas como tú y como yo. A diferente estructura, los materiales tienen propiedades diferentes, y eso nos lo explica la química.

Pero, sin duda, lo más útil de la química es que explica las reacciones químicas. Las reacciones químicas son transformaciones de unas sustancias en otras. Esto suena a magia, pero es algo que haces siempre que vas a la cocina a prepararte unas salchichas. Unas cosas se transforman en otras, y eso lo usamos también para construir cosas en la industria. Además, las reacciones químicas biológicas explican por qué tienes resaca después de beber vino, entre otras cosas interesantes. ¿Adivinas cuál es la ciencia que estudia las reacciones químicas? La química, obvio.

Por eso la química es tan fabulosamente interesante, y por eso quiero contarte un poco de qué va. En el siguiente capítulo, si te parece, hablamos de cómo clasificamos los materiales.