Te decía que la tabla periódica está compuesta por algo más de cien elementos. No son muchos. O sí. Déjame que te cuente cómo se distribuyen estos elementos en la materia que encontramos a nuestro alrededor para que puedas hacer por ti mismo una valoración sobre si son muchos o pocos. Partamos de la certeza de que sólo somos capaces de catalogar una parte muy pequeña de la materia que existe en el Universo. De hecho, sólo el 4% del Universo está compuesto de materia ordinaria. A esta materia se le denomina también materia bariónica. El nombre procede de los bariones, el nombre genérico que reciben las partículas subatómicas más pesadas, y cuyos elementos más representativos son el protón y el neutrón. Te lo cuento sólo por si lo ves así escrito en algún lado y te sorprendes. El resto del Universo, lo que no es materia ordinaria, es materia oscura (un 23%) y energía oscura (un 73%). No las confundas, porque no son lo mismo, aunque no entraré a diferenciarlas porque lo considero fuera de foco. Lo único relevante a efectos prácticos de esta lectura, es que esta parte del Universo nada tiene que ver con la materia ordinaria, esto es, con los átomos y los elementos químicos de la tabla periódica. Esto te muestra lo poquísimo que conocemos nuestro Universo. Quedémonos pues dentro de la parte conocida. Dentro de ese pequeño porcentaje de materia ordinaria que existe en el Universo y que contiene a nuestro planeta Tierra.
En el Universo conocido, el elemento más común de toda esa materia ordinaria es el Hidrógeno que constituye más de sus tres cuartas partes, seguido por el Helio que prácticamente es el resto. A partir de aquí aparecen proporciones muchísimo más pequeñas (por debajo del 0,1%) de Oxígeno, Carbono, Nitrógeno, Neón, Hierro, Silicio, etc. Pero que sepas que prácticamente todo en el Universo es Hidrógeno y Helio. Curiosamente los elementos más simples de la tabla periódica. ¿Curiosamente? En nuestro planeta Tierra la cosa cambia bastante. Por ejemplo, te diré que el 99% de los organismos conocidos contienen mayoritariamente cuatro de los elementos químicos de la tabla periódica: Carbono, Oxígeno, Hidrógeno y Nitrógeno. También te digo que en la corteza terrestre el Oxígeno supone casi la mitad de la materia, siendo el Silicio el elemento que ocupa el segundo lugar en abundancia, ya que casi la mitad de los minerales terrestres contienen sílices. Por eso hay tanto.
Ahora ya puedes hacer tú mismo una valoración de si son muchos o pocos. Te habrás dado cuenta de que, aunque existen más de un centenar de elementos, la materia se constituye mayoritariamente a partir de sólo unos pocos. Y, como estos pocos están por todos lados, el resto difícilmente se encuentra. Son muy escasos. Por ejemplo, el último de los elementos químicos de la tabla periódica es el Oganesón (a la hora de escribir estas líneas, ojo, porque la tabla periódica se considera una representación en constante construcción). El Oganesón es un gas noble cuyo descubrimiento se anunció en 2006, aunque la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) no lo incorporó a la tabla periódica hasta el pasado 30 de diciembre de 2015 tras las oportunas comprobaciones. Es el elemento más pesado observado hasta el momento. Tiene 118 protones, 118 neutrones y 118 electrones. Ahí es nada. El átomo de Oganesón es radiactivo y altamente inestable. Su vida media es menor de un milisegundo, algo que hace prácticamente imposible echarle el ojo.
Hablemos algo sobre esta inestabilidad. Un elemento químico es inestable cuando no “aguanta” solo en la naturaleza y tiende a desaparecer. O, mejor dicho, a convertirse en otras cosas. Aunque hay 118 elementos químicos conocidos, sólo 92 de ellos se encuentran en la Tierra de manera natural. El resto se encuentran formando parte de alguna molécula que les proporciona estabilidad. Una estabilidad que no encuentran por sí solos. Un átomo puede ser inestable porque lo es su núcleo o porque lo es su estructura electrónica. El primero de los casos aplica en aquellos átomos cuyo número atómico es alto. Si el núcleo es inestable, éste se romperá dando lugar a núcleos más pequeños y estables en un fenómeno que se denomina radiactividad. Si, por el contrario, lo que es inestable es la corteza electrónica, el átomo no se desintegrará en núcleos más pequeños, sino que buscará su “encaje” con otros átomos que le proporcionen esa estabilidad. Se juntará con otros átomos formando otro tipo de sustancias, en agrupaciones llamadas moléculas.
Ya que te he presentado al Oganesón, sigamos con él. El Oganesón es un gas noble. Su inestabilidad se debe a su alto número atómico, y no a su estructura atómica. Porque los gases nobles, que están ubicados en la última columna de la tabla periódica, son elementos muy estables. Les gusta ser lo que son. Están bien solos y, por lo tanto, no buscan otros átomos para combinarse con ellos. Empecemos por el más pequeño de todos ellos. El Helio (He) tiene número atómico Z=2. Si lo representamos con la notación que explicábamos en el capítulo anterior sería 1s2. El siguiente gas noble es el Neón (Ne) que con Z=10 puede escribirse 1s2 2s2 2p6. Y así seguiríamos con el Argón, el Kriptón, el Xenón, el Radón y nuestro reciente amigo el Oganesón. Los gases nobles, en general, son el orgullo de los elementos químicos. Todos ellos muy contentos de tener su último nivel energético completo. Con ocho electrones. Siguiendo las directrices de la llamada regla del octeto, que determina que el átomo es estable en el momento en que su última capa contiene esos ocho electrones. Bueno. Menos el Helio, cuyo último nivel estará completo con sólo dos electrones. En la siguiente figura los verás todos representados.
Analicemos ahora la búsqueda de este ideal por parte de aquellos elementos químicos que no han tenido la suerte de ser “nobles”. Gases nobles, quiero decir. Aunque debes saber que el nombre de gases nobles proviene precisamente de su tendencia a no mezclarse con la “plebe”, es decir, con el resto de los elementos químicos. Debido a esta “no reactividad” ante el resto de los elementos también se les llama gases inertes. No se inmutan, vamos.
Por ejemplo, el Flúor (F) tiene un número atómico Z=9 con siete electrones en su último nivel n=2, que estaría completo si apareciese un electrón más. Utilizando la notación que nos permite ver los subniveles energéticos, sería 1s2 2s2 2p5. Del párrafo anterior sabemos que le molaría ser como el Neón (Ne). Así que su comportamiento natural, para alcanzar la estabilidad deseada, será aquél que le permita adquirir un electrón. Y, ¿eso cómo se hace? ¿Cómo se consigue un electrón? ¿Hay un mercado de electrones? Aguanta el genio que ahora te cuento. Hablemos primero del Sodio (Na). El Sodio es una sustancia alcalina que tiene un número atómico Z=11. En el capítulo anterior hablamos incluso de su notación por niveles y subniveles energéticos, y te dije que era 1s2 2s2 2p6 3s1. Y como ya estarás pensando, parece que le sobra algo. Efectivamente. Un electrón. ¡Qué casualidad! Así que tenemos, por un lado, un elemento químico, el Flúor, al que le falta un electrón para ser el más guay de la fiesta, y por el otro, al Sodio, que no sabe dónde meter un electrón para convertirse en lo mejor del barrio. Pues parece sencilla la solución. ¿Y si el Sodio cediese su electrón al Flúor?
Lo cierto es que los metales alcalinos, grupo al que pertenece el Sodio, y los halógenos, grupo al que pertenece el Flúor, son bastante afines, y suelen encontrarse juntos en la naturaleza. Dios los crea y ellos se juntan. Y se juntan a través de lo que se denomina un enlace iónico. Este nombre proviene de que, si un átomo pierde o gana un electrón, adquiere carga. Recuerda que los átomos son neutros. Este cambio de carga convierte a los átomos en lo que se denomina iones. Si el átomo pierde un electrón (en nuestro ejemplo el Sodio), adquiere carga positiva y se convierte en un catión. Un catión es un ión con carga positiva. Na+. Si lo gana (en nuestro ejemplo el Flúor), su carga se volverá negativa y se convertirá en un anión. Un anión es un ión con carga negativa. F-. Por eso, el enlace que se forma cuando estos dos átomos se juntan, se denomina enlace iónico. Porque une dos iones. Un anión y un catión. En nuestro ejemplo el compuesto resultante de la unión por enlace iónico de un átomo de Flúor y otro de Sodio es el fluoruro de sodio, que encontrarás en tu pasta de dientes. El fluoruro de sodio es muy útil para evitar la caries dental pues endurece las capas externas del esmalte y mejora la resistencia a la desmineralización de los dientes.
Pero el fluoruro de sodio no es un átomo. Es una molécula. Una molécula formada por la unión de dos átomos. Uno de flúor y otro de sodio. Las moléculas son combinaciones estables de átomos que se producen porque dos o más átomos se unen formando una sustancia diferente. Te pongo otro ejemplo de molécula formada por enlaces iónicos. El agua. La composición del agua es H2O. Esto quiere decir que una molécula de agua está formada por dos átomos de Hidrógeno unidos a un átomo de Oxígeno. El agua no es ni Hidrógeno ni Oxígeno. Aunque esté compuesta por ellos. Es una sustancia diferente. Para explicarte su unión, fíjate que al Oxígeno (Z=8) le faltan dos electrones para tener la estructura estable de un gas noble (la del Neón). Esos dos electrones que le faltan se los toma prestados a dos átomos de Hidrógeno, pues cada uno de ellos tiene sólo un electrón. Y así se forman dos enlaces iónicos entre el átomo de Oxígeno y cada uno de los átomos de Hidrógeno.
Los enlaces iónicos son las uniones de átomos más fuertes que existen. Pero no son las únicas. Existen otros tipos de enlaces que se producen entre átomos para la obtención de moléculas. El enlace covalente es otro tipo de unión. Una unión más débil que la que genera un enlace iónico. Se da entre elementos que tienen muchos electrones en su última capa. Los llamados no metales. Por ejemplo, el Flúor o el Oxígeno. Por eso las moléculas de Flúor (F2) o las de Oxígeno (O2) tienen sus dos átomos unidos por enlaces covalentes. La “debilidad” de este tipo de enlace proviene de que las moléculas que se forman con su ayuda no tienen todos los electrones que debieran, sino que alguno de ellos es compartido por los átomos que lo forman.
Fíjate en la figura. Los dos átomos de Flúor que se unen para formar la molécula de Flúor están “contentos” porque consideran que tienen 8 electrones cada uno de ellos. Si esto fuese cierto, debería haber 16 electrones en total. Pero si los cuentas, verás que sólo hay 14. Dos de ellos son infieles y reparten su “amor” entre dos átomos distintos.
Al entender cómo se unen los átomos, sabes algo más de la estructura de la materia. Tienes ya una idea de cómo éstos se enlazan para dar lugar a compuestos diferentes, que tendrán unas características particulares derivadas de su unión. Pero todavía no te he contado todo. Existe un tercer tipo de enlace, que además es el que me permitirá llevarte hasta el objetivo final de este capítulo que no es otro que enseñarte cómo se genera la electricidad. Se trata del enlace metálico. El enlace que hace que los átomos de un metal puedan formar moléculas. Déjame que te lo explique con un ejemplo.
Supongamos un átomo que tiene pocos electrones en su capa más externa. Por ejemplo, un átomo de Cobre (Cu) que es buen conductor de la electricidad. Este átomo tiene sus 29 electrones distribuidos según los niveles energéticos que se ven en la figura.
En el dibujo he representado sólo los niveles energéticos, abstrayéndote ahora de la complejidad de los subniveles. Como puedes observar, hay 2 electrones en la primera capa (n=1), esto es, la menos energética y la más estable. En el segundo nivel (n=2) hay 8 electrones, 18 en el tercero (n=3) y, por último, un único electrón en el nivel n=4 que es el menos estable de todos. Ese último electrón se denomina también electrón de valencia. Se llaman electrones de valencia a los electrones que se encuentran en el último nivel energético del átomo. En el caso del átomo de cobre sólo hay un electrón de valencia. El zinc, cuyo número atómico es Z=30, esto es, el elemento químico que tiene un electrón más que el cobre, tendrá dos electrones de valencia. Que te suene el término, por si lo ves escrito en algún libro o por si yo mismo lo vuelvo a utilizar. Nada que ver con la ciudad, con la comunidad autónoma o con la luna.
Pues bien. Si este átomo de cobre se junta con otros átomos de cobre, se formará una estructura muy compacta que se denomina “empaquetamiento compacto de esferas”. Algo muy simétrico y muy bonito desde una perspectiva puramente geométrica. Lo puedes ver en Internet si te pica la curiosidad. Estas “esferas” las constituirán no sólo el núcleo del átomo, sino también todos los electrones que están en sus capas internas. Las que están completitas de electrones. Quedando, de esta manera, sólo un electrón fuera de ese empaquetamiento. En la figura te represento lo que podrían ser esas dos partes: el núcleo y sus capas internas completas de electrones, por un lado, y el solitario electrón de valencia, por otro.
Desde el punto de vista físico, y pensando sólo en la conducción de la electricidad, la estructura de “compactación de esferas” provoca una densidad de átomos muy alta. Y esto genera que aparezcan muchos electrones libres (los del último nivel energético) que, liberados de su átomo original, se juntan para formar una especie de nube. Una nube de electrones que juntos dan la sensación a cada átomo del metal, que tiene su último nivel completo. Una ficción similar a la que vimos en el enlace covalente, pero mucho más exagerada, porque ocho electrones provocan en ocho átomos la sensación de que todos pertenecen a cada uno de ellos. Una poligamia digna de mención. El enlace metálico es un enlace fuerte. No tanto como el enlace iónico, pero fuerte. Al estar los átomos tan cercanos unos de otros, interaccionan sus núcleos junto con sus nubes electrónicas, empaquetándose en las tres dimensiones. Los electrones libres son los responsables de que los metales presenten una elevada conductividad eléctrica y térmica, ya que se pueden mover con facilidad si se ponen en contacto con una fuente eléctrica. Pero… ¿cómo es esto? ¿Cómo se genera el movimiento de los electrones?
La electricidad tiene que ver con electrones que están en movimiento. Que viajan entre dos puntos, y que transmiten “algo” que provoca ciertas reacciones en los elementos por los que transitan. Por ejemplo, si la electricidad atraviesa una bombilla, provocará que ésta ilumine. Si atraviesa un motor, hará que éste se ponga en marcha. A mi todo esto me suena a que los electrones son capaces de provocar que cierta energía pase desde un lugar a otro. Que ese “algo” que transmiten al moverse es energía. Pero antes de explicártelo tengo que volver a hablarte de los imanes. Concretamente quiero que recuerdes lo que te conté sobre la atracción entre cargas de distinto signo y la repulsión de las cargas iguales. Imagina que somos capaces de acercar a nuestro átomo de cobre algo con una carga positiva. Una carga positiva alta, conseguiría despegar el electrón de valencia de su átomo original. Ese electrón, que saldría del átomo, sería un electrón libre. Y al salir del átomo de cobre, éste se convertiría en un ión adquiriendo carga positiva. Sería un catión, que podríamos escribir como Cu+ denotando esa carga positiva resultante de la salida del electrón, que en su lugar ha dejado un “hueco”. Imaginemos ahora que, al lado de este átomo convertido en catión, hubiese otro átomo de cobre. El electrón, que está solito en su último nivel energético, podría verse atraído por ese hueco. Más que por el hueco, se siente atraído por la carga positiva que tiene el ión Cu+. Así que se moverá, reconvirtiendo en átomo de cobre el ión, y transformando su átomo originario en un nuevo catión de cobre. Supongamos, ya para terminar, que la fila de átomos de cobre es muy larga. Que forma una hilera. Un hilo de cobre del espesor de un solo átomo. Si acercásemos una carga positiva a un extremo provocaríamos una circulación de electrones hacia esa carga positiva. Y si en vez de tener un espesor de un átomo, el cable fuese más ancho, el flujo de electrones sería mayor. Cuantos más electrones, más intenso será el flujo. Un flujo de electrones que no es otra cosa que la corriente eléctrica. ¡Eureka!
La corriente eléctrica se mide en Amperios, que son los Culombios por unidad de tiempo. ¡Qué mal suena eso de los Culombios! Los Culombios no son más que una unidad de medida de la carga eléctrica. Su nombre se debe al físico francés Charles-Augustin de Coulomb. Y su medida establece que 1 Culombio es igual a 6,241509 x 1018 veces la carga del electrón. Así que, para generar 1 Amperio, deberían circular por un punto más de 1.000.000.000.000.000.000 electrones durante un segundo. Para que te hagas una idea de qué supone un Amperio, la corriente eléctrica que hay en los enchufes de tu casa tiene un amperaje de entre 25 y 40 Amperios. Esto te puede dar una idea del número de electrones que se mueven por los cables que conectan tu microondas o tu nevera a la red eléctrica a través del enchufe. Muchos.
Pero olvídate ya de todas estas medidas y de todos estos números. No te líes. Yo sólo quería que supieses que la corriente eléctrica mueve muchos, muchos, muchos electrones. Ahora bien. El hecho de que sean muchos no quiere decir que viajen a altas velocidades. Lo cierto es que viajan muy lentos. A una velocidad algo inferior a un milímetro por segundo. Pero, si esto es así… ¿por qué se enciende la luz inmediatamente al pulsar el interruptor? La respuesta está, precisamente, en la altísima densidad de electrones que hay en cada punto del cable. Y es que están tan juntos que se empujan unos a otros. Piensa en un tubo que has llenado de canicas hasta rebosar. Si metes una más por uno de los extremos, saldrá otra por el extremo opuesto. Por muy largo que sea el tubo. El movimiento de los electrones lo puedes imaginar como algo similar. Están tan pegados unos a otros, dentro de esa nube, que el movimiento de uno de ellos en un extremo del cable provocará movimientos en el resto, estén éstos donde estén, siempre que estén en el cable.
Te resumo todo lo hablado hasta el momento para que no te me pierdas. Para generar corriente eléctrica debemos acercar una carga positiva a un elemento químico que tenga electrones libres en potencia. Elementos químicos que pierden electrones con facilidad. Estos elementos son los metales. Los mejores conductores son la plata y el oro, pero su escasez, que los hace “preciosos”, desaconseja su uso para la conducción de la corriente. Saldría carísimo que todos los cables que conducen electricidad en el mundo fuesen de oro. O de plata. Es por esa razón que son de cobre, elemento mucho más abundante en nuestra corteza terrestre. Y por lo tanto mucho más barato. La inevitable ley de la oferta y la demanda. En cualquier caso, el cobre es un buen conductor. No es el mejor, pero es bueno. Su composición química es la que permite que los electrones se desprendan de sus átomos para dar lugar a una corriente eléctrica. Una composición en la que la última capa tiene pocos electrones. Ni que decir tiene que, si esta última capa de electrones está llena o casi llena, será muy difícil generar corriente eléctrica. En la tabla periódica encontramos el cobre, la plata y el oro todos juntos. En la zona de los metales de transición. Si nos vamos muy a la derecha dentro de la tabla, esta característica conductora desaparece de los elementos químicos, pues la tendencia no es a liberar electrones, sino a capturarlos. El azufre, el cloro o el oxígeno son ejemplos de no metales, que tienen tendencia a capturar electrones, por lo que no serán buenos conductores. Serán materiales aislantes. Otro metal que actúa como un buen conductor es el aluminio que, aunque es sólo un 63% tan buen conductor como el cobre, su ligereza lo hace interesante en el mundo de la aviación en particular y la aeronáutica en general. Tienes que pensar que cualquier cosa que se meta en un avión o en un coche de carreras tiene que pesar poco. Ya lo anticipó Julio Verne allá por el 1865. Para poder mandar su “nave” de la tierra a la luna utilizó este metal que, en palabras del presidente del Baltimore Gun-Club, Impey Barbicane, posee “la blancura de la plata, la inalterabilidad del oro, la tenacidad del hierro, la fusibilidad del cobre y la ligereza del vidrio”.
Nos toca entrar ahora en cuál es el mecanismo que hace que esos electrones se muevan. Decíamos que, para conseguirlo, tendríamos que acercar a uno de los extremos del metal una carga positiva suficientemente alta como para atraer los electrones. Y una carga negativa en el otro extremo para recoger los electrones de nuevo. Esto es el esquema básico de una pila o de una batería. O hablando de manera más genérica, de un generador. En el próximo capítulo hablaremos sobre este tipo de elementos que son capaces de transformar energía que puede encontrarse en la naturaleza, como por ejemplo la energía química, en energía eléctrica que es, al fin y al cabo, la que provocará el movimiento de los electrones y que dará lugar a la electricidad.
Próximo capítulo: La pila