Introducción al átomo

en la mayoría de los temas hay que avanzar bastante antes de entrar a la parte filosófica e interesante del mismo pero en química comenzamos desde el inicio con lo que podemos decir es la parte filosófica más interesante de todo el tema y esa es el átomo la idea del átomo como lo imaginaban los filósofos de la antigüedad y ustedes pueden buscar a los diferentes filósofos que reflexionaron primero al respecto ellos decían que si comenzábamos a cortar algo no se una manzana y seguíamos cortando esta manzana de esta manzanita rica y la vamos a ir cortando en pedazos cada vez más pequeños hasta que eventualmente llegamos a un pedazo tan pequeño que ya no podemos cortarlo más y estoy segura de que muchos de estos filósofos tomaron sus cuchillos y trataron de hacerlo y seguro pensaron que quizás si tuvieran un cuchillo más filoso podrían seguir cortando así que es una construcción totalmente filosófica la cual francamente en muchos sentidos no es demasiado diferente de cómo conocemos al átomo él es en realidad una abstracción mental que nos permite describir mucho de las observaciones que vemos en el universo pero de cierta manera esos filósofos decían que en algún momento llegaríamos a la parte tan pequeña de la manzana que ya no podríamos cortar o dividirla más y a esto le llamaron átomo y esto no sólo se aplica para las manzanas decían ellos esto se cumplía para cualquier sustancia o cualquier elemento que encontrábamos en el universo y por eso usamos la palabra átomo que viene del griego indivisible aunque ahora sabemos que el átomo sí puede dividirse aún cuando no es algo trivial hacerlo no es la parte más pequeña que conocemos de la materia ahora sabemos que el átomo está compuesto de otras partículas fundamentales y permítanme escribirlas así que tenemos al neutrón y en un momento escribiré cómo todas forman parte de la estructura del átomo el protón y tenemos electrones y es posible que ya estén familiarizados con esto si es que han visto viejos vídeos de proyectos atómicos verán que se ve algo así voy a tratar de dibujar uno tendrán esto en el centro y estas cosas dando vueltas alrededor más o menos así que tienen órbitas que se ven así la emoción general detrás de este tipo de dibujos nucleares y estoy segura que todavía se ven en algún laboratorio de defensa o algo así es que tenemos en el centro el núcleo del átomo y sabemos que el núcleo tiene neutrones y protones y veremos con más detalle sobre cuantos neutrones y protones tienen los diferentes elementos y alrededor aquí usaré la palabra órbita aunque en dos minutos veremos que esta palabra es incorrecta incluso la imagen mental que nos da no refleja la realidad de lo que hace un electrón pero la idea antigua era que teníamos estos electrones que giran en órbita alrededor del núcleo de manera similar a como la tierra y los planetas giran alrededor del sol aunque se ha demostrado que eso no es lo que sucede realmente en el átomo cuando veamos mecánica cuántica aprenderemos por qué esto no funciona así y cuáles son las contradicciones que surgen cuando se trata de modelar un electrón como un planeta girando alrededor del sol pero este es más o menos la idea original y francamente pienso que es es la forma más popular de imaginar un átomo yo mencioné que el átomo era interesante filosóficamente porque pues porque la forma actual que tenemos de ver al átomo comienza a desdibujar la línea entre nuestra realidad física y todo lo que hay en el mundo que es en realidad información en realidad no existe algo así como materia pura o partículas puras de la manera en que las definimos en nuestra vida cotidiana para mí una partícula es como un granito de arena lo puedo tomar y tocar mientras que una onda podría ser como el sonido puede ser como un cambio de energía en el tiempo pero aprenderemos especialmente cuando veamos mecánica cuántica que todo esto se confunde conforme nos acercamos a la escala del tamaño de un átomo de cualquier manera ya les había comentado que esa es una manera incorrecta de imaginarse a el átomo cuál es la manera correcta resulta que esta imagen realmente no es una imagen solo es una representación así que una pregunta interesante es cómo podemos obtener la imagen de un átomo que la mayoría de las longitudes de onda de luz son mucho más grandes que el tamaño de un átomo y todo lo que observamos en la vida es debido a la luz reflejada pero de pronto cuando trabajamos con un átomo la luz reflejada es demasiado grande o demasiado tosca como instrumento para observar a la toma esta es una representación de un átomo de helio un átomo de helio tiene dos protones y dos neutrones o al menos este átomo de helio tiene dos protones y dos neutrones y la forma de representar el núcleo aquí es que estos dos rojos yo supongo que son los protones y los púrpuras son neutrones a mí me parece que el púrpura es un color neutro y estos se encuentran en el centro de este átomo y esta cosa borrosa alrededor son los dos electrones que tiene el átomo de helio quizás se puede ganar o perder un electrón pero estos son dos electrones y ustedes me pueden decir oye cómo que esta cosa borrosa pueden ser dos electrones esto parece que está embarrado alrededor del átomo y es aquí donde se comienza a poner filosóficamente interesantes no se puede describir la ruta del electrón alrededor del núcleo con la idea tradicional de la órbita como la de los planetas alrededor del sol resulta que con un electrón no se puede conocer su momento y su ubicación al mismo tiempo solo podemos conocer la distribución de probabilidad de en donde podría estar y la forma de representar esto es este borrón que es más oscuro en donde es más probable que se encuentre el electrón y más claro donde es menos probable que aparezca pero realmente el electrón podría estar en cualquier lugar o estar aquí donde está completamente blanco que es un lugar con una probabilidad realmente baja así pues esta función en donde podría encontrarse un electrón se le llama orbital orbital no confundir con órbita recuerden que una órbita es algo así como venus alrededor del sol y eso es algo que nos resulta muy fácil de imaginar pero un orbital es en realidad una función de probabilidad matemática que nos dice dónde es más probable que encontremos un electrón más al respecto cuando veamos mecánica cuántica aunque esto no será durante estos vídeos introductorios se química sin embargo es muy interesante verdad el comportamiento de un electrón es tan bizarro tan extraño a esta escala que llamarlo incluso partícula es erróneo se le llama partícula pero no es una partícula en el sentido que le damos en la vida cotidiana es una cosa que ni siquiera podemos decir en donde está podría estar en cualquier lado de esta parte borrosa más adelante veremos que estas zonas borrosas pueden tener formas distintas conforme agregamos más y más electrones a un átomo para mí esto da pie a problemas filosóficos de qué es la materia o sobre cómo vemos las cosas y cómo son en realidad o qué tan reales son al menos con lo que nosotros definimos como realidad bueno no quiero ponerme demasiado filosófica con ustedes pero toda la noción de electrones y protones están relacionadas con la noción de carga ya hemos hablado de esto antes cuando aprendimos acerca de la ley de colom pueden revisar los vídeos de la ley de colom en la lista de vídeos de física es que un electrón tiene una carga negativa un protón que a veces se escribe así tiene una carga positiva y un neutrón no tiene carga lo cual era algo bastante tentador en el modelo original de un electrón si decimos estas son las cargas positivas digamos que dos neutrones y dos protones como los que tienen un átomo de ella tendremos cargas positivas y aquí afuera tendremos algunas cargas negativas las cargas opuestos se atraen y si estas cosas tienen algo de velocidad la suficiente velocidad pues podrían orbitar alrededor así como los planetas giran alrededor del sol pero ahora sabemos que aunque esto es parcialmente cierto que mientras más lejano está el electrón del núcleo este tendrá más energía potencial es decir este querrá acercarse al núcleo pero debido a la mecánica a nivel cuántico éste no hará algo sencillo como moverse en una ruta así como lo haría un cometa alrededor del sol eso tiene este comportamiento tipo 1 en donde se tiene esta función de probabilidad que la describe pero mientras más lejano esté el orbital este tendrá más potencial veremos más al respecto en futuros vídeos de todas maneras cómo podemos saber de qué elementos se trata he hablado mucho sobre aspectos filosóficos pero como sé que esto es helio es por el número de neutrones que tiene por el número de protones o por el número de electrones la respuesta está en el número de protones si conocemos el número de protones en un elemento sabremos de qué elementos se trata el número de protones se define como el número atómico digamos que algo tiene cuatro protones como sabemos qué elemento es si no lo hemos memorizado lo podemos buscar en la tabla periódica de los elementos la cual veremos mucho durante esta serie de vídeos así que buscamos el elemento con cuatro protones y vemos que es el berilio justo acá este número atómico que vemos aquí arriba es literalmente el número de protones y esto es lo que hace la diferencia entre un átomo y otro si tenemos 15 protones tendremos fósforo si tenemos 7 protones tendremos nitrógeno si tenemos mucho tendremos oxígeno esto es lo que define a un elemento ahora veremos más adelante qué sucede con la carga y todo eso o que pasa cuando ganamos o perdemos electrones pero eso no cambia el elemento con el que estamos trabajando esto nos lleva a una pregunta obvia cuántos neutrones y electrones tenemos si un átomo tiene carga neutra significa que tiene el mismo número de electrones digamos que tengo carbono cuyo número atómico es 6 digamos que es un número de masa atómica es 2 qué significa esto bueno estamos diciendo que esta es una partícula neutra un átomo neutro por lo tanto el número atómico del carbono que es 6 nos dice exactamente el número de protones que tiene si yo fuera dibujar un modelo aquí que para nada va a ser exacto le dibujar y a 6 2 3 4 5 6 protones en el centro y el peso de dichos protones si cada protón es una unidad de masa atómica oiea veremos que es una fracción muy pequeña de un kilogramo aproximadamente 1.6 por 10 a la menos 27 kilogramos el cual es un número muy muy pequeño de hecho es casi imposible de imaginar al menos para mí esto me dice la masa de todo un átomo completo de carbono de este átomo de carbono en particular y de hecho esto puede cambiar de átomo de carbono a otro átomo de carbono y es esencialmente la masa de todos los protones más todos los neutrones cada protón tiene una masa atómica de 1 en unidades demás autómicas cada neutrón tiene una masa atómica unitaria así que esto es en realidad el número de protones y el número de neutrones en este caso tenemos 6 protones por lo que también debemos tener 6 neutrones se es neutrales +6 protones nos da 12 y dónde están los electrones dijimos que es neutro así que el protón tiene la misma carga positiva que los electrones tienen como carga negativa en este átomo neutro tenemos 6 protones por lo que también tendremos 6 electrones y permíteme dibujar dijimos que tiene 6 neutrones aquí en el núcleo si fuéramos a dibujar electrones podría dibujar un borrón aquí pero si queremos visualizar lo mejor yo diría que aquí tenemos 6 electrones alrededor que se mueven de forma impredecible de la manera que lo describe la función de probabilidad lo interesante de esto es que la mayor parte de la masa del átomo se encuentra aquí quizás ya se dieron cuenta de que el número de masa atómica se refiere a la masa del núcleo del átomo e ignora la masa de los electrones esto se debe a que la masa de un protón es igual a 1.836 electrones a la masa de 1836 electrones así que pensar en la masa del átomo para propósitos prácticos es pensar en la masa del núcleo el átomo ahora ustedes pueden ver esta tabla periódica aquí y decir bueno nos dan el número atómico aquí arriba el número atómico del oxígeno es 8 significa que tiene 8 protones el número atómico del silicio es 14 tiene 14 protones y qué es esto de aquí arriba veamos al carbono aquí tiene un 12 puntos 0 107 ese es el peso atómico del carbono permítanme escribirlo peso atómico del carbono es 12.00 107 qué significa esto significa que el carbono tiene 6 protones y un remanente y el remanente 6.010 7 neutrones acaso hay algún tipo de fracción de neutrón no significa que si promediamos todas las versiones diferentes que hay del carbono en el planeta si obtuvieron es el promedio del número de neutrones basados en la cantidad de los diferentes tipos de carbono este es el número que obtendríamos resulta que el carbono tiene dos formas principales la más común y la principal que encontraremos es el carbono 12 6 protones y 6 neutrones y después tendremos otro isótopo de carbono un isótopo es el mismo elemento pero con diferente número de neutrones otro isótopo de carbono es carbono 14 el cual es mucho más escaso en el planeta si promediamos estos y no me refiero a un promedio directo pues tendríamos carbono 13 el peso atómico sería 13 pero si le damos mayor al primero ya que existen mayor cantidad de la tierra prácticamente el carbono 12 es casi todo el carbón que podemos encontrar en el planeta pero hay otro poquito de este otro carbono si los promediar amos en relación a su abundancia el promedio sería este así que la mayor parte del carbono que existe su peso promedio en unidad de masa atómica serán 12 puntos 0 10 7 pero la idea de un isótopo es interesante recuerden que cuando cambiamos neutrones no cambiamos el elemento fundamental se obtiene una versión diferente del mismo elemento un isótopo del mismo elemento así que ambas versiones de isótopos son carbonos quiero dejar el vídeo con lo que pienso que es la idea más genial detrás de los átomos y es la cosa filosófica más interesante de estos en este tamaño relativo tenemos a los electrones que representan unas cosas muy pequeñas de la masa del átomo 11 entre 2000 de la masa del átomo son electrones e incluso es difícil describir a los electrones como partículas ya que no podemos saber exactamente en dónde están qué tan rápido se están moviendo solo tienen esta función de probabilidad por lo que la mayor parte del átomo se va a encontrar en el núcleo y esto es lo interesante si dijéramos que este es mi átomo digamos que tengo dos átomos que se encuentran unidos mutuamente si yo me preguntara qué tanto de esto es materia y cuando digo materia me refiero a un concepto muy abstracto porque estamos hablando del núcleo es cierto debido a que el núcleo es donde se encuentra toda la masa toda la materia resulta que eso es una fracción infinitesimal del volumen del átomo incluso el volumen del átomo es difícil de definir ya que el electrón puede aparecer prácticamente en cualquier parte pero si vemos el volumen como el lugar en donde es más probable que encontremos al electrón o donde tengamos un 90% de probabilidad de encontrarlo entonces el núcleo ocupa en la mayoría de los casos un 1 entre 10.000 partes del volumen si piensan en ello cuando miran un objeto con sus manos o las paredes oa su computadora el 99.99 por ciento de ellos espacio libre es nada es vacío si tuvieran creo que podríamos llamar las partículas o algo ultra pequeñas la mayor parte de ellas a través serían las cosas que podemos ver así que esto nos lleva a pensar qué es lo que mantiene nuestra realidad qué es lo que queda y esto es un hecho no una teoría si vemos los bloques básicos de cualquier cosa a nivel atómico la mayoría de lo que hay en el átomo es espacio libre y vacío podríamos atravesarlo limpiamente si pudiéramos reducirnos a esa escala esta imagen de un átomo de helio aquí dice que esto mide un centímetro esta es la escala del núcleo del átomo de helio cierto un centímetro y esto de aquí es un armstrong y resulta que un astro mide 100 mil ciento metros sólo para darnos una idea de la escala una acción es 1 por 10 a la menos 10 metros así que un átomo mide aproximadamente un astro en este caso el núcleo del helio es una fracción aún es pequeña una entre 100.000 partes así que si tuviéramos digamos que helio líquido el cual se obtiene enfriando mucho el helio si lo observamos la mayoría de esto sería espacio libre si ven una barra de hierro la gran gran gran mayoría de este es espacio libre y ni siquiera estamos hablando de que tal vez existe espacio libre dentro del núcleo de eso hablaremos en el futuro pero para mí eso hace que mi imaginación explote ya que la mayoría de las partes de las cosas que vemos no son en realidad sólidas están compuestas de espacio vacío pero lucen sólidas por la forma en que la luz se refleja en ellas o por las fuerzas que los repelen pero realmente no hay nada que se pueda tocar la mayoría de lo que existe en ese espacio vacío y es aquí donde me despido nos vemos en el siguiente vídeo