ÁTOMOS EN MOVIMIENTO *

1.1 INTRODUCCIÓN

1.2 LA MATERIA ESTA HECHA DE ÁTOMOS

1.3 PROCESOS ATÓMICOS

1.4- REACCIONES QUÍMICAS

1.1 INTRODUCCIÓN

Es r a z o n a b l e p r e g u n t a r p o r q u é no nos e s p o s i b l e p r e s e n t a r l a f í s i c a

d e f i n i e n d o l a s l e y e s b á s i c a s en l a p r i m e r a p á g i n a y a c o n t i n u a c i ó n

m o s t r a r s u s a p l i c a c i o n e s en t o d a s l a s c i r c u n s t a n c i a s p o s i b l e s , t a l como

l o hacemos e n l a g e o m e t r í a E u c l i d e a n a , en l a c u a l e s t a b l e c e m o s unos

ax iomas y l u e g o hacemos t o d a c l a s e de d e d u c c i o n e s . No, r«o nos e s dado

h a c e r l o , s i m p l e m e n t e p o r q u e aún no conocemos t o d a s l a s l e y e s b á s i c a s :

e x i s t e una f r o n t e r a de i g n o r a n c i a e n e x p a n s i ó n . Además, po rque e l

e n u n c i a d o c o r r e c t o de l a s l e y e s de l a f í s i c a i n v o l u c r a c i e r t a s i d e a s

poco f a m i l i a r e s , p a r a cuya c o m p r e n s i ó n e s n e c e s a r i o r e a l i z a r un i n t e n s o

e n t r c r iamien to p r e p a r a t o r i o aun p a r a a p r e n d e r e l s i g n i f i c a d o de l a s

pa labreas . No, no e s p o s i b l e h a c e r l o de e s a manera . S ó l o nos e s dado

h a c e r l o p a s o a p a s o .

Toda p o r c i ó n o p a r t e de l a n a t u r a l e z a como un t o d o , e s s i e m p r e s ó l o

una aprox imac íé tn a l a v e r d a d c o m p l e t a , o l a ve rdad c o n ^ l e t a t a l como l a

conocemos . En e f e c t o , t o d o l o que sabemos e s una c i e r t a forma de

a p r o x i m a c i ó n , p u e s saJb&mos qu& <:í<in n o sab&rrvos tcxiízs l a s l e y e s . P o r l o

que , l a s c o s a s deben a p r e n d e r s e s ó l o p a r a d e s a p r e n d e r s e de nuevo, o más

c o r r e c t a m e n t e , p a r a s e r c o r r e g i d a s .

El p r i n c i p i o de l a c i e n c i a , s u d e f i n i c i ó n q u i z á s , e s l a s i g u i e n t e :

I q x j&r i / íc tzc íón tie totdo c o n o c i m i e n t o e s e l e x p e r i m e n t o . El e x p e r i m e n t o

e s e l ú n i c o j u e z de l a " v e r d a d " c i e n t í f i c a . P e r o , ¿ c u á l e s l a f u e n t e d e l

A d a p t a c i ó n d e l pr imer c a p i t u l o d«l famoso texto CONrERENCIAS I>E r i S l C A , de Feynman-Le igh ton -Sands .

\oo l . ^ % 6 ^ >

conocimiento? ¿ De dónde provienen las leyes que tian de ser verificadas?

El experimento mismo ayuda a producir las leyes, en cuanto qt^ nos

proporciona pistas. Pero también es necesaria la imagincu: ión para crear

generalizaciones a partir de las pistas - adivinar los maravillosos,

simples p»ero extraños patrones que subyacen debajo de todas ellas, para

luego exp>erimentar de nuevo y chequear si hemos adivinado correctamente.

Dijimos que las leyes de la naturaleza son aproximadas: que primero

htallamos las leyes "erróneas" y luego las correctas. Pero, ¿qué cosas

pueden tiacer erróneo un experimento? Primero, de una manera trivial: si

algo que uno no nota funciona mal en el aparato. Pero ósto puode

remediarse fácilmente haciendo chequeos continuos. Así que sin pararle

muchas bolas a estos detalles menores, ¿cómo es posible que los

resultados de un experimento sean erróneos? Solamente siendo imprecisos.

Por ejemplo, la masa de un objeto parece no cambiar nunca: un trompo en

rotación tiene el mismo peso que en reposo. De esta manera se inventó

una "ley": la masa es constante, independiente de la rapidez. Esa "ley"

es ahora incorrecta. Se encuentra que la masa crece con la velocidad,

pero cambios apreclables de la masa requieren velocidades cercanas a la

de la luz. Una ley "verdadera" es: si un objeto se mueve a una rapidez

menor de 300 Kilómetros por segundo, su masa es constante en una parte

en un millón. De esta manera aproximada la ley es una ley correcta. Uno

puede pensar que en la práctica las nuevas leyes IKJ marcan una

diferencia significativa. Claro que si y no. Para velocidades ordinarias

podemos olvidarnos de ellas y utilizar la ley simple de la constancia de

la masa como una buena aproximación. Pero para velocidades altas

estaremos equivocados y, a mayor velocidad, mayor será nuestro error.

Finalmente, y es del mayor interés, / i l o s ó / i c a i m e n t e estcan¿>s

c o m p l e t a m e n t e etfuivoccLcios con una ley aproximada. Aun un pequeño candió

de la masa afecta nuestra imagen global del mundo. Esto es algo muy

peculiar a la filosofía, o a las ideas, detrás de las leyes. Aun un

efecto pequeño requiere cambios profundos de nuestras ideas.

Así, ¿cuál es nuestra iioagen global del mundo?

1.2 LA MATERIA ESTA FORMADA DE ÁTOMOS

Si por algún cataclismo fuese destruido todo el conocimiento

científico y solamente pasara una frase a la nueva generación de

creaturas, ¿cuál sería la frase que contendría la mayor información en

el menor número posible de palabras? Yo creo que sería la h i p t b t e s i s

a t t í imica Co el h e c h o atómico, o como a bien tengáis llamarlo), que t oc i a s

l a s c o s a s e s t Á n / o r m a d a s de ktomos - pecfxteñas p a r t i c u l a s c?te deamjbtdlan

mox/iéndose i n c e s a n t e m e n t e de a<fxA. p a r a allá, a t r a y é n d o s e mufua/nente

cuando l a d i s t a n c i a e n t r e e l l a s e s pecftiefia. p e r o r e p e l i é n d o s e cxxando s e

t r a t a de c o m p r i m i r l a s una c o n t r a o t r a . Esa frase, verán ustedes,

contiene una e n o r m e cantidad de información acerca del mundo, si se la

contenqsla con un poco de imaginación y pensamiento.

Para ilustrar el poder de la idea atómica, supongamos que disponemos

de uria gota de agua de medio centímetro de diámetro. Si la miramos de

cerca no vemos otra cosa que agua - agua suave y continua. Incluso si la

observamos magnificada a través del mejor microscopio óptico disponible

- unas dos mil veces más grande - aun así la gota sólo tendría unos diez

metros de diámetro, casi el tamaño de una habitación grande, y si la

observamos de cerca, veríamos agua relativamente suave, pero de vez en

cuando veríamos pequeños objetos de forma parecida a una pelota de

fútbol gringo nadando de aquí para allá. Muy interesante. Estos son los

paramecios. En este punto puede uno desear quedarse mirando la ondulante

celia y el cuerpo en contorsión de los paramecios y no continuar el

proceso de magnificación, excepto quizás para aumentar aún más el tamaño

del paramecio y observar su interior. Este es el objeto de la biología,

pero, por ahora lo dejamos y miramos el material de la gota misma,

aumentando nuevamente su tamaño otras dos mil veces. Ahora la gota de

agua se extiende unos veinte Kilómetros, y si la miramos bien de cerca

vemos algo así como un hormiguero, algo que ya no presenta una

apariencia continua, sino una cosa parecida a un estadio lleno de gente

visto de lejos. Intrigados por este hormiguero, decidimos agrandarlo

doscientas cincuenta veces más y observamos algo parecido a lo que se

rmjestra en la figura 1.1. Esta es una representación del

agua magnificada mil millones de veces, pero

idealizada en varios aspectos. En primer lugar,

las partículas están dibujadas en forma simple

con bordes bien definidos, lo cual es

incorrecto. En segundo lugar, se han

esquematizado en un arreglo bidimensional,

i- i cuando ellas ciertamente deambulan en tres

dimensiones. Nótese que existen dos clases de "ponqjas" o círculos para

representar los átomos de oxigeno Cías negras) y el hidrógeno Cías

blancas), y que cada oxígeno tiene dos hidrógenos ligados a él. CCada

pequeño grupo de un oxígeno con sus dos hidrógenos se denomina una

molécula). El dibujo es aún más idealizado en cuanto que las partículas

de la naturaleza vibran y colisionan continuamente, rotando unas

alrededor de las otras y contorsionándose. Hay que imaginarse una

situación más dinámica que estática. Otra cosa que no es posible

representar en un dibujo es el hecho de que las partículas están como

"pegadas entre si ", es decir, que se atraen mutuamente. Por otra parte,

las partículas no se penetran unas a otras. Si dos de ellas de apretujan

demasiado, se repelen.

Los átomos tienen un radio de 1 ó 2x10 cm. Y 10 cm se denomina

un Angstrom Cxm nombre más), así que el radio atómico es de 1 ó 2

Angstrom CA). Otra manera de recordar su tamaño es la siguiente: si se

agranda una manzana hasta adquirir el tamaño de la tierra, los átomos de

la manzana tendrían aproximadamente el tamaño de la manzana original.

Imaginemos ahora esta gran gota de agua en la cual, a pesar del

continuo zigzaguear de sus partículas, éstas se mantienen unas junto a

otras y la gota conserva su identidad. El agua mantiene su volumen: no

salta en pedazos debido a la atracción mutua entre las moléculas. Ahora

bien, el movimiento de agitación lo representamos como el calor: cuando

aumentamos la temperatura, aumenta el movimiento. Si calentamos agua, la

agitación crece y crece también el volumen entre los átomos y, si el

calentamiento continúa llega el momento en que la atracción entre las

moléculas ya no es suficiente para mantenerlas juntas y vuelan en todas

direcciones separándose unas de otras. Desde luego, ésta es la raanera

como producimos vapor a partir del agua líquida - calentándola; las

partículas se escapan debido al aumento de movimiento.

En la figura 1.2 tenemos una representación del

vapor. Esta representación falla en un aspecto:

a la presión atmosférica ordinaria puede haber

Q|^ solamente unas pocas moléculas en todo un cuarto

^5 entero, y ciertamente en la figura no habría

tantas como tres. La mayoría de los rectángulos

del tamaño del de la figura no contendría

• '- - ninguna - sólo por no dejarlo en blanco hemos

dibujado dos y media. Ahora bien, en el vapor observamos las moléculas

'«-p.r

c a r a c t e r í s t i c a s más n í t i d a m e n t e que en e l agua l í q u i d a . Por s i H^JI i c i dad ,

l a s m o l é c u l a s s e han d i b u j a d o con un á n g u l o de 120 e n t r e e l l a s . En

r e a l i d a d e l á n g u l o v a l e 105°3* y l a d i s t a n c i a e n t r e e l c e n t r o de un

h i d r ó g e n o y e l c e n t r o de un o x í g e n o e s 0 . 9 5 7 A, de manera que conocemos

e s t a m o l é c u l a s u f i c i e n t e m e n t e b i e n .

\\\\\\\\\\\\\ n

^' P

Veamos ahora cuáles son algunas de las propiedades del vapor de agua

o cualquier otro gas. Las moléculas, separadas unas de otras, rebotan

contra las paredes. Imagínese una habitación con unas IOO pelotas de

tenis rebotando ininterrumpidamente en todas direcciones. Cuando chocan

con una pared la empujan, lo que quiere decir que el gas ejerce una

fuerza a empellones que nuestros sentidos C no habiendo sido aumentados

nosotros mismos mil millones de veces) perciben como un e m p u j e p r o m e d i o .

Para cor^finar un gas es indispensable ejercer una presión. La figura 1.3

muestra un recipiente usual para contener gases,

un cilindro provisto de un pistón. Ahora bien,

como por el momento no nos importa la forma de

las moléculas de agua, por sin^licidad las

dibujamos como pequeños puntos; cosas que

deambulan en todas direcciones. Son tantas las

moléculas que golpean simultáneamente el pistón

^'V •* empujándolo hacia arriba, que nos vemos obligados

a presionarlo hacia abajo para impedirle que suba. CUsualmente decimos

que ejercemos una p r e s i t í i n , la cual definimos como la fuerza ejercida por

unidad de área). Es claro que la fuerza es proporcional al área, pues si

aumentamos el área del pistón manteniendo constante el número de

moléculas por centímetro cúbico, aumentará el número de choques con el

pistón en la misma proporción que el aumento de área.

Ahora, si duplicamos el número de moléculas en el recipiente, esto

es, duplicamos la densidad, y suponemos que cada molécula tiene la misma

velocidad que antes, es decir, mantenemos constante la temperatura;

entonces, en una buena aproximación, el núinero de colisiones también se

duplica, y como cada ur a de ellas es tan "energética" corao las

anteriores, la presión es proporcional a la densidad. Si tenemos en

cuenta la verdadera naturaleza de la fuerza entre los átomos, podemos

esperar una pequeña disminución de la presión debido a la atracción

entre los átomos, y un pequeño aumento debido al volumen finito que

ocupan. Sin embargo, si la densidad es suficientemente baja para que n o

haya demasiados átomos, con una excelente aproxi mae liíjn, la ^r*e?t6>\ **

p r o p o r c i o n a l a l a densidtxd.

También podemos observar lo siguiente: si aumentamos la temperatura

sin cambiar la densidad del gas, es decir, si aumentamos la velocidad de

los átomos, ¿qué le ocurriría a la presión? Los átomos golpearán más

fuerte pues se estarían moviendo más rápidamente, y además golpearán

más a menudo, así que la presión aumenta. Vea Ud. qué simples son las

ideas de la teoría atómica.

Consideremos otra situación. Supongamos que movemos el pistón hacia

adentro, así que los átomos se con^rimen lentamente en un espacio más

pequeño. ¿Qué ocurre cuando un átomo golpea un pistón móvil?

Evidentemente gana velocidad en el choque. Ud puede comprobarlo

fácilmente haciendo rebotar una bola de pin-pon con una raqueta en

movimiento, la bola rebota a una velocidad mayor que aquella que tenía

en el instante inmediatamente antes de chocar con la raqueta. CUn caso

límite es cuando la raqueta golpea una bola quieta, la bola ciertamente

gana velocidad). De esta manera los átomos quedan más "calientes"

después de golpear el pistón que antes de hacerlo, y todos ellos ganan

velocidad. Lo que significa que cuando comprimimos un g a s l e n t a m e n t e , l a

t e m p e r a t u r a d e l g a s axÁmenta. Así que, bajo una c o m p r e s i t í m lenta, la

tennperatura axjimenta, y bajo una e x p a n s i ó n lenta la temperatura

d i s m i n u y e .

Regresemos a nuestra gota de agua y miremos las cosas en otra

dirección. Supongamos que disminuímos la temperatura de lá gota.

Supongamos además que las moléculas disminuyen su deambular

continuamente. Sabemos que existen fuerzas de atracción entre los

átomos, de modo que al cabo de un rato no estarán en condiciones de

deambular tan fácilmente. La figura 1.4 ilustra lo que ocurrirá a

teiiq>eraturas muy bajas: las moléculas se

empaquetan formando un nuevo patrón que es

h i e l o . El diagrama es equivocado en cuanto es

bidi mensional, pero es cualitativamente

correcto. El punto interesante es que c a d a k t o m o

ocupa u n l-ugczr d e f i n i d o en el material,

formándose una estructura rígida interconectada,

tal que si de alguna manera sostenemos los

átomos de uno de los extremos de la estructura y

halamos del otro extremo a Kilómetros de distancia Cen nuestra escala

magnificada), la estructura se resiste a nuestra tentativa de ronqíerla,

lo que no ocurre con el agua líquida en la cual la estructura se ro tnpe

debido a la gran agitación de los átomos que deambulan en todas

direcciones. La gran diferencia entre los sólidos y los líquidos radica

en que en un sólido los átomos están ordenados en un cierto tipo de

estrin. •'o-a. Mamada e s t r u c ttjira c r i s t a l i n a , y no están dispuestos al azar

aun a grandes distancias; la posición de los átomos en un extremo del

cristal queda determinada por la posición de los millones de átomos en

el oti o extremo del cristal. La figura 1.4 muestra una ordenación

inventada pai a el hielo, y a pesar de poseer muchas de las

características correctas, no es la verdadera ordenación. Uno de los

aspectos correctos es que muestra la simetría hexagonal. Si la figura se

rota 120 alrededor de su eje, el dibujo resulta igual. Esta simetría da

cuenta del aspecto de seis caras de los copos de nieve. Otra cosa que

podemos observar en la figura es porqué el hielo se contrae cuando se

derrrite. La ordenación cristalina característica del hielo muestra

muchos "huecos", y cuando la estructura se desmorona, los "huecos"

pueden ser ocupados por moléculas. La gran mayoría de las sustarícias

s i m p l e s , a excepción del agua y el metal de tipos de imprenta, se

d i l a t a n cuando se funden, debido a que los átomos están imjy conq^actos en

el cristal sólido y al fundirse requieren mayor espacio para su

agitación.

Ahora bien, aunque el hielo posee una estructura cristalina

"rígida", su temperatura puede cambiar, es decir, el hielo tiene calor.

¿Qué es el calor del hielo? Los átomos no están quietos, se agitan y

vibran. De manera que, aunque el cristal posee un orden definido, una -

estructura definida, los átomos vibran "en su sitio". A medida que ^ n

aumentamos la tenderatura, la amplitud de la vibración se va haciendo >

cada vez más grande, hasta que finalmente se salen de su lugar, dando ^

origen a la f u s i ó n . A medida qv» disminuímos la temperatura, la ^

vibración se hace cada vez menor hasta que, en el cero absolut-o, existe

una cantidad de vibración míndma pero no nula. C Aun en el cero absoluto

existe vibración). La cantidad mínima de movimiento que puede tener no

es suficiente para fundir una sustancia con una excepción: el Helio. En

el Helio solamente decrecen los movimientos atómicos lo máximo posible,

pero aun en el cero absoluto hay suficiente movimiento para impedir la

congelación. El helio, aun en el cero absoluto, no se congela, a menos

j

que la presión se haga tan grande que los átomos se aplasten entre sí

Si aumentamos la presión podemos solidificarlo.

1.3 PROCESOS ATÓMICOS

Ya hemos hablado suficientemente de la descripción de los

sólidos, los líquidos y los gases desde el punto de vista atómico; sin

embargo, la hipótesis atómica también sirve para describir p r o c e s o s , así

que veamos algunos de ellos. El primer proceso a mirar está asociado

con la superficie del agua. ¿Qué ocurre en la superficie del agua?

Hagamos eJ proceso un poco más conq^l icado pero más realístico -

imaginando que la superficie del agua está rodeada de aire. La figura

1.5 representa la superficie del agua y el aire que la rodea. Tal como

antes vemos las moléculas de agua que forman el

cuerpo líquido, per^o ahora vemos además la

superficie del agua. Encima de ella «ncontraraps

una gran cantidad de cosas: en primer lugar

aparecen las moléculas de agua en forma de

vapor, e l v a p o r d e a g u a , siempre presente encima

de la superficie de agua liquida. CExiste un

.WJ-... «.„..p.r-¿«j.it .» .1 fccfc estado de equilibrio entre el vapor de agua y el

í<"3' i s agua que describiremos luego). Además

encontramos otras moléculas - aquí dos átomos de oxígeno se unen para

formar una molécula de oxígeno, allá dos átomos de nitrógeno que hacen

lo mismo para formar una molécula de nitrógeno. El aire consiste casi en

su totalidad de nitrógeno, oxígeno, algún vapor de agua y cantidades

menores de dióxido de carbono, argón y otras cosas. Así que sobre la

superficie del agua existe un gas, el aire, que contiene algún vapor de

agua. ¿Cjué sucede entonces en este cuadro? Las moléculas en el agua

sienpre están deambulando de aquí para allá. De vez en cuando una de las

moléculas de la superficie resulta golpeada más fuerte que lo usual y es

expulsada. Es i]iq>osible observar ésto en la figura pues ésta es algo asi

como una foto instantánea de lo que realmente ocurre, pero podemos

imaginar que otra molécula de la superficie acaba de ser golpeada y

vuela fuera. De esta manera el agua desaparece molécula a molécula, y si

tapamos el recipiente encontramos que al cabo de un rato habrá muchas

moléculas de agua entre las moléculas de aire. De tiendo en tiempo, una

de estas moléculas de vapor vuela hacia abajo y queda atrapada de nuevo.

Vemos así que lo que parece ser una cosa muerta y poco interesante - un

vaso de agua que ha estado allí tapado quizás durante veinte años -

realmente contiene un fenómeno dinámico e interesante que sucede

incesantemente. Ante nuestros ojos, nuestros crudos ojos, nada parece

estar cambiando, pero si pudiéramos ver las cosas magnificadas mil

millones de veces, observaríamos una imagen continuamente cambiante:

moléculas que abandonas la superficie y moléculas que regresan a ella.

^Porqué no vemos cambio alguno? Si tantas moléculas salen como

entran, a la larga "no sucede nada". Si quitamos la tapa y soplamos el

aire húmedo reemplazándolo con aire seco, el número de moléculas que

salen es el mismo que antes, pues ésto depende de la agitación en el

agua, pero el número de ellas que regresa se reduce drásticamente debido

a que ya hay menos moléculas de agua encima de ella. Así que salen más

que las que entran, y el agua se evapora. Si se desea evaporar agua,

basta prender el ventilador!

Aqui existe algo más: ¿Cuales moléculas salen del agua? Una

molécula sale debido a una acumulación accidental extra de energía por

encima de la normal necesaria para escapar a la atracción de sus

vecinas. Por lo tanto, ya que las que salen tienen más energía que el

valor promedio, las que quedan tienen menos movimiento promedio que el

que tenían antes, y de esta manera el líquido se enfría a medida qv» se

evapora. Por supuesto que cuando una molécula pasa del aire al agua hay

una gran atracción súbita a medida que la molécula se aproxima a la

superficie. Esto acelera la molécula que entra y da como resultado una

generación de calor. De modo que las que salen quitan calor, y las que

entran lo generan. Por supuesto que cuando no existe evaporación neta no

pasa nada - el agua no cambia de temperatura. Si soplamos el agua para

mantener un exceso continuo en el número de las que se evaporan,

entonces el agua se enfría. Sopla la sopa si deseas enfriarla!

Desde luego que los procesos recién descritos son más complicados

que lo que hemos i radicado. No solamente el agua pasa al aire, sino que

de vez en cuando una de las moléculas de oxígeno o nitrógeno entra y se

"pierde" el la masa de moléculas de agua, y el agua contendrá aire. Si

retiramos el aire del recipiente, las moléculas salen más rápido que lo

que entraron produciendo burbujas. Esto es bastante peligroso para los

buzos, como ustedes saben.

Pasemos a otro proceso. En la figura 1.6 representamos, desde un

punto de vista atómico, un sólido disolviéndose en agua. ¿Qué ocurre

cuando arrojamos un cristal de sal al agua? La sal «s un sólido, un

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cristal, un patrón organizado de "átomos de sal". La figura 1.7 es una

ilustración de la estructura tridimensional de la sal común, cloruro de

sodio. Estrictamente hablando, el cristal no está, formado de átomos,

sino de lo que denominamos iones. Un ión es un átomo con unos pocos

electrones de más ó que ha perdido algunos. En un cristal de sal

encontramos iones de cloro Cátomos de cloro con un electrón de más) y

iones de sodio Cátomos de sodio a los que les falta un electrón). Los

iones se mantienen unidos unos a otros en la sal sólida por atracción

eléctrica, pero al colocarlos en el agua encontramos que, debido a las

atracciones del oxigeno negativo y el hidrógeno positivo por los i ornes,

algunos de ellos se liberan. En la figura 1.6 vemos un ión de cloro

separándose y otros átomos flotando en forma de iones. Esta gráfica fue

hecha con algún cuidado. Note, por ejemplo, que los hidrógervas de las

moléculas de agua están más próximos a los iones de cloro, mientras que

los oxígenos están más cercanos a los iones de sodio, debido a que el

sodio es positivo y el oxígeno del agua es negativo. ¿Podríamos decir,

en base a la figura, si la sal está disolviéndose en agua o está

cristalizándose? Por supuesto que no, pues mientras algunos átomos

abandonan el cristal otros átomos se le reúnen. El proceso es

ciertamente dinámico, al igual que el proceso de la evaporación, y

depende de si existe más o menos sal en el agua que la cantidad

necesaria para el equilibrio. Entendemos por equilibrio aquella

situación en la cual la rata de salida de los átomos es igual a la rata

de regreso de los mismos. Si hubiera poca sal en el agua, serían más los

Í O

átomos que abandonan que los que regresan, y la sal estaría

disolviéndose en el agua. Si, de otro lado, hubiese demasiados "átomos

de sal", serían más los que regresan que los que abandonan, y la sal

estaría cristalizándose.

De paso, mencionemos que el concepto de urja m o l é c u l a de una

sustancia es sólo aproximada y existe únicamente para cierta clase de

sustancias. fi.s claro que en el agua tres átomos se unen entre sí, lo que

no es tan claro en el cloruro de sodio sólido; en este último caso se

tiene un ordenamiento de iones de cloro y sodio en un patrón cúbico. No

existe una manera natural de agruparlos como "moléculas de sal".

Regresemos a nuestra discusión de solución y precipitación; si

aumentamos la temperatura de la solución, aumenta la rata de átomos que

abandonan, y también se aumenta la rata de átomos que llegan. Resulta

difícil predecir en qué dirección se realiza el proceso, es decir, si el

sólido se disuelve más o se disuelve menos cuando se aumenta la

tennperatura. La gran mayoría de los sólidos se disuelven más, pero

muchos se disuelven menos.

1.4 REACCIONES QUÍMICAS

En todos los procesos descritos hasta ahora, los

átomos y los iones no cambian de compañeros,

pero existen circunstancias en las cuales los

átomos cambian de combinación dando origen a,

moléculas nuevas. Esto se ilustra en la figura

1.8. Un proceso en el cual ocurre un

reordenamiento atómico se denomina una r e a c c i t t m

e^-uímica. Los demás procesos hasta aquí descritos

se denominan procesos físicos, mas no existe una frontera clara entre

unos y otros CA la naturaleza no le importa qué nombre les asignemos,

ella simplemente continúa haciéndolo.) La figura representa carbono

ardiendo en oxígeno. En el caso del oxígeno, dos átomos se unen

fuertemente. C ¿Porqué no se juntan tres o cuatro? Esta es una de las

características peculiares de los procesos atómicos. Los átomos son muy

especiales: les agradan ciertas compañías, degustan ciertas direcciones,

etc. En todo caso, dos átomos de oxígeno forman, satisfechos y

contentos, una molécula de oxígeno.) Se supone que los átomos de

í l

carbono están en un cristal sólido, Cque bien puede ser grafito o

diamante). Una de las moléculas de oxígeno puede acercarse al carbón y

cada uno de sus átomos "agarra" un átomo de carbono y sale volando en

una nueva combinación — "carbono-oxígeno"- que constituye una molécula

del gas llamado monóxido de carbono, bautizada con el nombre químico CO.

La cosa es simple: las letras "CO" son una representación de esa

molécula. Pero la atracción del carbono por el oxígeno es mucho mayor

que la atracción del oxígeno por el oxígeno ó el carbono por el carbono;

así que en este proceso el oxígeno puede llegar con poca energía, pero

al urtirse al carbono con gran estruendo y violencia puede liberar una

gran cantidad de energía de movimiento, energía cinética. Esto es, desde

luego, t y u e m a n obtener calor de la combustión de oxígeno y carbono.

Ordinariamente el calor se tiene en forma de movimiento molecular del

gas caliente, pero en ciertas circunstancias puede ser tan enorme que

genera luz. Así es como se obtienen las l l t xmas .

Además, el monóxido de carbono puede no quedar totalmente

satisfecho. Le es posible atraer otro oxígeno, y así generar una

reacción mucho más complicada en la cual el oxígeno se combina con el

carbono, y simultáneamente ocurre una colisión con una molécula de

monóxido de carbono. Un átomo de oxígeno podría unirse al "CO" y formar

una molécula conquesta de un carbono y dos oxígenos, que representamos

COz y llamamos dióxido de carbono. Si quemamos carbón con poco oxígeno

en una reacción bastante rápida Ccomo por ejenn:>lo, en el motor de un

carro, en donde la explosión ocurre tan rápidamente que no hay tiempo

suficiente para fabricar dióxido de carbono), se forma una cantidad

considerable de monóxido de carbono. En muchas reacciones se libera una

gran cantidad de energía, produciéndose explosiones, llamaradas, etc.,

dependiendo de las reacciones. Los químicos han estudiado estas

reacciones de los átomos, y han encontrado que toi±a s u s t a n c i a e s u n

c i e r t o t i p o de com¿>inezcit5n de k tomos .

Para ilustrar esta últin» idea, consideremos otro ejeraplo. Si

entramos en un campo senderado de violetas en flor, sabemos cuál es "ese

olor". Se trata de una clase de molécula, o combinación de atoraos, que

se ha abierto camino hasta nuestras narices. Antes que nada, ¿cómo llegó

hasta nuestras narices? Eso es relativaente sinqile. Si el olor es una

clase de molécula que deambula en el aire de aquí para allá, expuesta a

ser chocada, bien pudo accidentalmente haber ido a parar a nuestras

narices. Esa molécula es un pedazo desamparado de materia en medio de un

í e

a(sv o. urolci&s

tumulto de otras moléculas que se mueven a empellones vagando sin rumbo

definido, y bien pudo haber sido que ese pedazo de materia haya ido a

parar a nuestras narices.

Ahora bien, los químicos son capaces de analizar moléculas tales

cono el olor a violetas, analizarlas y decirnos cual es el ordenamiento

exacto de los átomos en el espacio. Por ello sabemos que la molécula de

dióxido de carbono es recta y simétrica: 0-C-O. Aún para los

ordenamientos mucho más conn>lejos que existen en química, uno puede

mediante un largo y minucioso trabajo detectivesco encontrar la

distribución de los átomos. La figura 1. Q es una representación del aire

en la vecindad de una violeta; de nuevo encontramos nitróger»o, oxígeno

y vapor de agua en el aire. C¿Porqué vapor de

agua? Porque la violeta es húmeda; todas las

plantas transpiran.) Sin embargo, también

notamos la presencia de un "monstruo" compuesto

W /Q _y **® átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno

I ^ ^ ^ ^ É dispuestos en un orden especial. Es una

ordenación mucho más compleja que el dióxido de

carbono. Desafortunadamente no podemos

representar gráficamente todo lo que

químicamente sabemos acerca de ella, pues el ordenamiento preciso de los

átomos ocurre en tres dimensiones, mientras que nuestra representación

es bidimensional. Los seis carbonos forman un anillo no plano sino

"arrugado". Todos los ángulos y distancias son conocidos. Además del

anillo de seis carbonos existe una "cadena" de carbonos colgados en el

extremo, con un oxígeiio en seguiKio lugar desde el extremo, tres

hidrógenos unidos a un carbono, dos carbonos y tres hidrógenos juntos

allí, etc. . . ciertamente es una ordenación demasiado coi^leja.

¿Cómo descubre el químico cuál es la combinación? El mezcla

botellas llenas de sustancias y, si se torna rojo, éso le dice que se

trata de un hidrógeno y dos carbonos, pero si se torna azul, se trata de

algo totalmente diferente. Este es uno de los trabajos detectivescos más

fantásticos que se se haya hecho nunca - la química orgánica -.

Resulta, de hecho, que en el olor de las violetas existen tres

moléculas ligeramente diferentes, que se diferencian sólo en la

ordenación de los átomos de hidrógeno.

Un problema de la química es bautizar una sustancia. Er»contrar un

S,iy !.<>

Í 3

1 ' ^

1 H

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í * . 5 " j - í *•« « >"•. >-. p T . i . * \ t . . c / . - . $

0¿- r o >s Ou,

nombre para una forma! , de manera que podamos saber qué es. El nombre

debe indicar no sólo la forma, sino también que

allí hay un átomo de oxígeno, allá uno de

hidrógeno - exactamente de qué átomo se trata y

dónde está localizado. Resulta fácil apreciar

que los nombres químicos deben ser con^lejos

para poder ser completos. El nombre de la cosa

representada en la figura 1.10, en su forma más

conqjleta para dar cuenta de su estructura, es

4-Ca, 2, 3, 6 tetrametil-5-ciclo-hexanil) -3-butono-

2-ona. Se puede apreciar las razones para usar nombres tan largos. No

es que los químicos traten de ser misteriosos o parecer oscuros, sir»o

que tratar de describir las moléculas en palabras es un problema

extremadamente difícil.

¿Cómo sabemos que los átomos existen? Mediante uno de los trucos

que mencionamos anteriormente: asumimos su existencia y, resultado tras

resultado confirmamos la asunción, es decir, las cosas suceden tal como

si los átomos existiesen. Además, existen evidencias algo más directas,

tal como la siguiente: los átomos son tan pequeños que no es posible

obsevarlos aun a través del microscopio electrónico. Ahora, si los

átomos están siempre moviéndose, digamos en el agua, e introducimos un

"balón grande", más grande que los átomos, el balón enjaezará a moverse

en todas direcciones - al igual que ocurre en el juego de "la pelota de

viento", en el que dos equipos enn>ujan una gran pelota . Los jugadores

la empujan en direcciones diferentes y la pelota deambula en una forma

irregular. Asimismo le debe ocurrir al "balón grande" inmerso en el agua

debido a los choques desiguales de uno y otro lado. Si miramos a través

de un buen microscopio observamos unas diminutas partículas Ccoloides)

en agitación permanente como resultado del bombardeo continuo de los

átomos. Este es el llamado movimiento Browniano, el cual podemos

observar cuando un rayo de luz penetra en una habitación algo empolvada.

La estructura cristalina es otra evidencia de la existencia de los

átomos. En muchos casos la estructura deducida mediante el análisis de

rayos X concuerda con las "formas" espaciales que exhiben los cristales

naturales. Los ángulos entre las distintas caras concuerdan, dentro de

segundos de arco, con los ángulos deducidos a partir de asumir que un

U n a p e l o t a d e c a u c h o r e c u b i e r t o de cuero , de aproximadamente l . B m de d i á m e t r o .

Í 4

cristal está formado por "capas" de átomos.

Toda cosa está formada por átomos. Esta es la hipótesis clave. Por

ejen^jlo, la hipótesis más importante de toda la biología es que todo lo

que hacen los animales, lo hacen los átomos. En otras palabras, no hay

nada que los seres vivientes hagan que no pueda entenderse desde el

punto de vista de que ellos están hechos de átomos que actúan según las

leyes de la física. Esto no se conocía desde un comienzo: fue necesario

experimentar y teorizar para llegar a esta hipótesis, pero hoy en día es

aceptada, y constituye la teoría más útil para producir nuevas ideas en

el canq>o de la biología.

Si un pedazo de acero o un trozo de sal, que consisten de átomos

unos junto a otros, pueden tener propiedades tan interesantes; si el

agua - que no es otra cosa que esos "gl obi tos", miles de miles de una

misma cosa sobre la tierra - puede formar ondas y espuma, y producir

ruidos torrenciales y extrañas figuras cuando corre sobre cemento; si

todo ésto, toda la vida de una corriente de agua, no es sino una pila de

átomos, c u Á n t o mÁs n o e s p o s i b l e ^ Si en lugar de arreglar los átomos en

un modelo definido, repetido siempre de nuevo, una y otra vez, o incluso

formando pequeños montoncitos de complejidad igual al olor a violetas

hacemos un arreglo que sea s i e m p r e d i f e r e n t e de un sitio a otro, con

muchos tipos de átomos colocados en diversas formas, continuamente

cambiantes, sin repetirse, ¿cuánto más maravilloso podrá ser el

confortamiento de ese objeto? Es posible que esta cosa que camina

frente a ustedes, de un lado para otro, hablándoles, sea un montón de

esos átomos en un arreglo muy complejo, tanto que su mera conqslejidad

hace vacilar la imaginación acerca de lo que es capaz de hacer? Cuando

decimos que somos una pila de átomos, no queremos decir que somos

m e r a m e n t e una pila de átomos, pues un arreglo no repetitivo de átomos

bien puede tener las posibilidades que ven ante ustedes frente al

espejo.

n 9

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