Naturaleza corpuscular

Desde los inicios de la Química como una ciencia formal, la idea de que la materia tiene naturaleza corpuscular ha estado presente el aparato conceptual del conocimiento.  El 1804 el químico inglés John Dalton, propuso la teoría atómica en la cual reincorpora el concepto de átomo propuesto por leucipo y Demócrito 2200 años antes, en la cual la naturaleza de la materia es discreta, esto significa que todo objeto material con el que interactuamos se compone a su vez de otros objetos minúsculos esenciales, llamados átomos según la idea de que estos al ser la base material de todo lo observado, no eran divisibles. 

En la idea básica de Dalton, para cada elemento químico existe una única partícula sólida e indivisible, con masa y volumen específicos, y con un símbolo característico que lo representa y sirve para explicar la composición de las sustancias compuestas. Esta idea permitió establecer las bases de la estequiometría, área de la química que explica las relaciones cuantitativas de la composición de las sustancias puras.

Casi al mismo tiempo, Amadeo Avogadro para explicar el comportamiento de los gases y las relaciones volumétricas de gases producidos en las reacciones químicas, sugiere la existencia de las moléculas como partículas constituyentes de las sustancias. 

Posteriormente Arrhenius en 1884, estudiando la naturaleza eléctrica de las disoluciones acuosas propone la existencia de los iones, como partículas cargadas responsables del transporte de la corriente eléctrica, idea que Faraday 50 años antes habia planteado en el estudio de la electrólisis del agua.

Con base en la idea de moléculas, desde la física se enuncia la teoría Cinético-Molecular a partir de la cual, todos los cuerpos se componen de partículas en movimiento, a partir de la cual se dio una explicación física-matemática a muchas propiedades como la Temperatura y la presión, entre otros, y a fenómenos como la difusión, la compresión, etc.

Ya sobre finales del siglo XIX el estudio de la interacción de la radiación y las sustancias, evidencia la existencia de partículas constitutivas del átomo, Thompson en 1898 propone la existencia del electrón, en 1913 Rutherford descubre la evidencia del protón y en 1932 Chadwick descubre el neutrón.

En la actualidad y con el desarrollo científico de la física, entendemos que la materia se constituye de una gran variedad de partículas subatómicas,  que explican la existencia y comportamiento de protones y neutrones,  en lo que se conoce como Modelo Estándar de la Física de Partículas. 

Desde la Química, de la idea de Dalton mantenemos que para cada elemento existe una partícula representativa o átomo con masa, volumen y número atómico específicos. Cada átomo se conforma de número fijo y único de protones (número atómico), puede contener diferentes números de neutrones, y bajo condiciones de neutralidad eléctrica tiene igual número de electrones. 

La distribución de las partículas en el átomo ha sido ampliamente discutida desde el descubrimiento del electrón, y desde entonces se desarrollaron diferentes modelos de estructura atómica siendo el modelo mecano-cuántico el que ha sido aceptado por la comunidad científica y es el actualmente usado para explicar el comportamiento del átomo sus propiedades e interacciones. Por el momento es suficiente con entender que el átomo comprende dos regiones:

§  Núcleo atómico: De un diámetro del orden de 1 fm, concentra el 99.99% de la masa del átomo, y contiene los protones y los neutrones. La carga eléctrica del núcleo es positiva.  El número de protones en el núcleo atómico es denominado número atómico (Z) y representa la identidad de cada elemento.

§  Densidad electrónica: Región del espacio de un diámetro que oscila entre el 0.1 nm y 1 nm, en el cual se encuentran los electrones moviéndose a altas velocidades. La estructura electrónica esta mediada por la energía de los electrones, diferenciándose dos grupos de electrones: electrones del core o electrones internos que presentan alta estabilidad energética y los electrones de valencia, responsables de las interacciones entre átomos en lo que se denominan enlaces químicos.

Cuando los átomos interactuar entre si mediante enlaces por medio de sus capas electrónicas de valencia, forman las partículas que conocemos como moléculas, las cuales puede ser de múltiples formas y configuraciones.  Pueden formarse moléculas de un número definido de átomos, pueden formarse moléculas como cadenas de cientos, miles o incluso millones de átomos, conocidas como moléculas poliméricas y moléculas que forman redes ordenadas o cristalinas.

Macro y Micro: Número de Avogadro

Cuando hablamos de los átomos y pensamos en su tamaño, se nos dificulta dimensionar la diferencia de escala entre un objeto de la vida real y un átomo que constituye dicho objeto, por lo cual se nos hace necesario plantear un ejemplo que nos ilustre esta diferencia, hablemos del silicio electrónico:

El silicio electrónico, es la materia prima para la construcción de los microprocesadores que hacen parte de los ordenadores, celulares y demás dispositivos electrónicos que hacen parte de nuestra vida cotidiana. El material silicio electrónico está constituido solo de silicio sólido, Si(s), el cual, a su vez, se constituye de átomos de silicio que se unen entre formando una estructura compacta (ver) de geometría cúbica centrada en las caras. En solo 1.0 g de silicio electrónico hay aproximadamente 21500 trillones (millones de millones) de átomos de silicio, número que se hace muy grande de manejar si lo escribimos completo 21500000000000000000000. Peor aún, si no podemos ver directamente a los átomos, menos podremos contarlos (¡no nos alcanzaría el tiempo!, necesitamos más de 50000 veces la edad del universo, suponiendo que contamos uno cada segundo). Esto es una consecuencia del extremadamente pequeño tamaño de los átomos. Es por esto que en química usamos el concepto de "paquete" de partículas para referirnos a estas cantidades de manera más práctica, y por esto usamos el concepto de mol.

Un mol de partículas es un paquete que contiene una cantidad de partículas igual al número de Avogadro, esto es, 6.02214076 x 1023, esto es aproximadamente 602214 trillones de partículas. Este número de partículas tiene equivalencia directa con la masa de las sustancias puras a través del concepto de masa molar (masa de 1 mol de partículas de la misma sustancia), por ejemplo, un mol de moléculas de agua tiene una masa de 18.02g, lo que nos muestra una vez más la gran diferencia dimensional entre pensar en átomos y moléculas y en la vida cotidiana, o en otras palabras entre lo molecular y lo molar.

Modelos Químicos

Dado que el tamaño de los átomos y las moléculas están por fuera de nuestra capacidad visual, recurrimos a modelos gráficos y fisicomatemáticos, que nos ayudan a imaginar y comprender la naturaleza corpuscular de la materia, su comportamiento y estructura, usando imágenes, geometrías, ecuaciones o conceptos físicos para representar átomos, moléculas, electrones, enlaces, gases, líquidos, sólidos, etc. 

Podemos decir que en la química hemos desarrollado tres niveles conceptuales para construir modelos: 

§ El modelo molecular corpuscular: Permite entender conceptos como átomo, molécula, polímero, cristal, estado de agregación, mezclas, propiedades físicas, leyes de los gases, entre otros. 

§ El modelo molecular estructural:  Se usa para describir y explicar la topología y geometría molecular, los mecanismos de reacción, y las propiedades físicas con mayor detalle.

§ El modelo cuántico del átomo: Se usa para describir explicar la estructura interna del átomo, las propiedades electrónicas de las sustancias elementales, explicar las las propiedades estructurales, químicas y físicas de las sustancias puras.

Modelo molecular corpuscular

En el modelo molecular corpuscular representamos a una sustancia conformada por un conjunto de partículas como esferas duras con tamaño y colores característicos. Normalmente estas partículas pueden representar átomos o moléculas, o segmentos de moléculas.

Representación de moléculas

Una molécula es la asociación mediante enlace químico de dos o más átomos, y representa la unidad material de una sustancia pura. Según la cantidad de átomos, podemos hablar de moléculas discretas, moléculas poliméricas y redes moleculares. Las moléculas discretas son aquellas que tienen un número fijo de átomos, las moléculas poliméricas se caracterizan por contener cientos, o miles de átomos enlazados formando largas cadenas lineales o ramificadas, y las redes moleculares son redes tridimensionales de átomos, ordenadas según un patrón geométrico específico. En estos casos debido a la presencia de enlaces entre los átomos en una molécula, esto es representado por los átomos tangenciales, o usando el modelo molecular estructural se representan los enlaces entre átomos como líneas o cilindros delgados.

Un caso particular de ciertas sustancias compuestas y las sustancias simples metálicas, es el de las redes iónicas, en las cuales los átomos de los elementos constitutivos están cargados eléctricamente, lo que se conoce como iones.

Estados de Agregación Molecular 

Sabemos que los objetos materiales constituidos de sustancia puras y mezclas de estas. A su vez las sustancias puras están constituidas de sustancias elementales, y estas se componen de átomos característicos.

Con el modelo molecular corpuscular podemos entonces representar las sustancias en sus formas macroscópicas, según se agregan los miles de trillones de átomos que existen en un cuerpo material.

Los átomos y las moléculas interactúan entre si mediante las interacciones eléctrica, mediada por las condiciones de temperatura y la presión. La composición y la estructura interna de las moléculas determina la intensidad de las interacciones eléctricas.

Actividad: Practica tu lectura sobre este tema realizando el crucigrama que encontrarás haciendo clic aqui.