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Átomos y moléculas

Tu cuerpo —incluidos tus sistemas, órganos, tejidos y células—, así como absolutamente todo lo tangible que te rodea —los bosques, los océanos, el aire, el agua, el sol, los planetas, el sistema solar— y, básicamente, ¡el universo entero está hecho de átomos! Todo aquello que percibes, en cada instante dentro y fuera de ti, es el resultado de todas las formas posibles en que se organizan los átomos de los 118 elementos químicos. 

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Tu cuerpo —incluidos tus sistemas, órganos, tejidos y células—, así como absolutamente todo lo tangible que te rodea —los bosques, los océanos, el aire, el agua, el sol, los planetas, el sistema solar— y, básicamente, ¡el universo entero está hecho de átomos! Todo aquello que percibes, en cada instante dentro y fuera de ti, es el resultado de todas las formas posibles en que se organizan los átomos de los 118 elementos químicos.

Estos átomos están constantemente interactuando y agrupándose para formar las moléculas que dan lugar a absolutamente toda la materia que existe. Esto significa que estamos constituidos por las mismas unidades fundamentales que todos los demás seres vivos: como otros mamíferos, las plantas y las bacterias... ¿Cómo es esto posible? ¡Vamos a verlo!

  • En este artículo estudiaremos las unidades fundamentales de la química: los átomos y las moléculas.
  • Aprenderemos cómo se clasifica la materia, según su constitución, composición y estado de agregación.
  • Definiremos qué son los átomos y las moléculas, y exploraremos sus características
  • También veremos cómo interactúan los átomos para formar moléculas.
  • Finalmente, aprenderemos sobre las fórmulas químicas, que son la forma en que representamos las moléculas.

Clasificación de la materia

El universo está constituido esencialmente por materia y energía. La materia es todo aquello que tiene forma y peso, y se puede observar y medir.

Recordemos que la química estudia la estructura, composición y propiedades de la materia, así como sus transformaciones y el comportamiento de la energía implicada en estas.

En química, la materia es el conjunto sustancias que constituyen la realidad que percibimos. A su vez, la materia tiene masa, que ocupa una cantidad de espacio denominada volumen.

La materia puede clasificarse de muchas formas, aunque tradicionalmente la clasificamos en función de su composición, su estado de agregación o su constitución. Veamos a continuación de qué tratan cada una de estas clasificaciones.

Composición

En la naturaleza, podemos encontrar la materia en forma de sustancias puras y mezclas:

  • Sustancias puras: Son aquellas conservan su composición química y que no pueden ser separadas por métodos físicos. Estas, a su vez, se clasifican en elementos (materia fundamental compuesta por átomos del mismo tipo que no puede reducirse) y compuestos (materia constituida por dos o más elementos diferentes).

  • Mezclas: Son el resultado de la combinación de dos o más sustancias. Las mezclas pueden ser homogéneas, también denominadas disoluciones (con una composición uniforme; es decir, que solo presentan una fase, y cuyas propiedades macroscópicas no varían en toda la muestra. Las disoluciones están conformadas por un soluto y un disolvente) o heterogéneas, también llamadas simplemente mezclas (formadas por partículas que no pueden mezclarse uniformemente, sus propiedades macroscópicas varían según la ubicación en la mezcla).

Puedes explorar a profundidad cada uno de estos conceptos. Para conocer más sobre los compuestos y mezclas homogéneas, visita Propiedades Macroscópicas de Compuestos Moleculares y Disoluciones.

Estado de agregación

Los estados de agregación de la materia son las distintas fases en las que podemos encontrar la materia.

Cada uno de estos está determinado, en gran medida, por la temperatura y presenta características particulares. Existen 3 estados fundamentales de la materia: gaseoso, líquido y sólido.

  • Gases: Asumen la forma y el volumen del recipiente que los contiene y sus moléculas tienen un movimiento aleatorio y rápido. Como las partículas de gas están repartidas en el recipiente, son muy compresibles cuando se aplica presión. En este estado de la materia, los gases vibran y pueden moverse libremente en direcciones aleatorias.

  • Líquidos: Tienen un volumen fijo. No tienen una forma definida como los sólidos; en cambio, adoptan la forma del recipiente en el que se encuentran. Sus moléculas tienen un movimiento aleatorio, aunque no es tan rápido y de larga distancia como las de los gases. Esto se debe a que el espacio vacío entre las moléculas de los líquidos no es tan grande. Como los líquidos tienen espacios vacíos pequeños entre las moléculas, son ligeramente compresibles.

  • Sólidos: Tienen una forma y un volumen definidos. Sus moléculas están muy juntas, por lo que no pueden moverse libremente y no se pueden comprimir. Las partículas de los sólidos tienen posiciones fijas, por lo que solo pueden vibrar en su lugar.

Algunas clasificaciones reconocen un cuarto estado denominado plasmático o plasma, que es un estado fluido semejante a un gas, cuyos átomos están ionizados; es decir: poseen carga eléctrica. El plasma fue descubierto y descrito en 1879 por el físico inglés William Crookes, y su nombre fue acuñado en 1929 por el físico y químico Irving Langmuir en 1929. Desde entonces, el plasma ha sido de gran interés, tanto por sus características y propiedades únicas como por sus aplicaciones tecnológicas.

El plasma se encuentra de forma natural en el espacio exterior; hace parte de cuerpos celestes (como el sol y las estrellas), de regiones interplanetarias e interestelares (como las nebulosas intergalácticas), y de fenómenos como los vientos solares. En el planeta Tierra podemos encontrar plasma en algunas capas de la atmósfera (como la ionosfera), en las auroras y los vientos polares y en los rayos que provocan las tormentas eléctricas.

¡El plasma es, de hecho, el estado de agregación de la materia más abundante en el universo!

En Estados de agregación de la materia podrás aprender mucho más sobre los gases, los líquidos y los sólidos

Constitución

Las unidades primordiales que constituyen la materia son los átomos y las moléculas. Los átomos, de un mismo elemento o de diferentes elementos, se unen mediante fuerzas de atracción para formar agregados denominados moléculas. A continuación, veremos qué son los átomos y las moléculas y cómo se clasifican, así como varios ejemplos.

¿Qué son los átomos?

Todo en el mundo está formado por pequeñas partículas llamadas átomos. Los átomos son tan diminutos, que su radio es de solo 0,1 nm; es decir, 100.000.000 veces menos que un centímetro.

El átomo es la partícula más pequeña que compone un elemento químico y que conserva todas sus propiedades. Por ejemplo: su estado físico, su forma de reaccionar y de crear enlaces químicos.

  • Los elementos son unidades que no pueden descomponerse más, ni convertirse en otras sustancias mediante las reacciones químicas típicas.

Esto significa que las características de todos los átomos de un elemento son las mismas.

Un átomo de oxígeno, por ejemplo, no puede descomponerse en más pequeños sin perder las características del oxígeno.

Estructura de los átomos

Aunque los átomos son las unidades elementales más pequeñas, están formados por componentes mucho más pequeños conocidos como partículas subatómicas. Estas se organizan en dos partes principales:

  • El núcleo: Constituido por los protones cargados positivamente y los neutrones eléctricamente neutros.

  • La corteza: Una nube de electrones cargados negativamente que rodean al núcleo.

Las cargas eléctricas opuestas de las partículas subatómicas unen los electrones al núcleo, lo que da al átomo cierta estabilidad estructural.

¡Esta es la estructura fundamental de un átomo! Un átomo de Nitrógeno, a manera de ejemplo, para ser más exactos.

Neutrones

Los encontramos en el núcleo del átomo. No están cargados y tienen una masa relativa de 1.

Protones

Los encontramos en el núcleo, tienen carga positiva y, al igual que los neutrones, tienen una masa relativa de 1.

Electrones

Los encontramos en las envolturas, orbitando alrededor del núcleo. Tienen carga negativa y su masa relativa es despreciable en comparación con el núcleo (1/1840).

A excepción del hidrógeno (H) (que tiene un protón, un electrón y ningún neutrón), todos los átomos tienen estas tres partículas subatómicas.

La masa de un protón es de, aproximadamente, 1,67 x 10-27 kg. Sin embargo, solemos medir su masa utilizando la escala del carbono-12. Un átomo de carbono-12 tiene una masa de 12 y una masa de protón de, aproximadamente, 1.

Los neutrones son justo lo que su nombre indica: partículas neutras. También tienen una masa relativa de 1.

En los átomos de un mismo elemento, el número de neutrones puede ser diferente. Cuando esto ocurre, llamamos a estos átomos isótopos.

La abundancia en la naturaleza de los isótopos de un mismo elemento suele variar considerablemente, así como su estabilidad (radioactividad).

Por último, tenemos los electrones. Los electrones son partículas cargadas negativamente con una masa de 9,11 x 10-31 kg, o una masa relativa de 1/1840, en la escala del carbono-12. Los electrones no se encuentran en el núcleo junto a los protones y los neutrones. En su lugar, se encuentran en niveles de energía que orbitan alrededor del núcleo.

El núcleo está densamente poblado de protones y neutrones, por lo que constituyen la mayor parte de la masa del átomo. Por otro lado, los electrones son tan ligeros que se consideran insignificantes a la hora de determinar la masa atómica.

La masa atómica (A) es la masa de un átomo, expresada en unidades de masa atómica (u).

Se puede calcular sumando la masa de los protones y neutrones de un átomo. La masa atómica de un elemento también puede determinarse buscando la masa media de todos sus isótopos.

Un átomo tiene un número variable de partículas subatómicas. El número de protones de un átomo corresponde a un elemento concreto y se denomina número atómico.

El número atómico (Z) es el número de protones del átomo. Nos indica a qué elemento pertenece el átomo. Cada elemento tiene su propio número atómico.

Si quieres profundizar más sobre estas características de los átomos, visita Isótopos y número másico.

Ejemplos de átomos

Los ejemplos que se presentan a continuación ilustran los átomos de los isótopos más abundantes de cada elemento; es decir, los átomos con el número de protones más frecuente.

Ten presente la relación entre el número de protones y el número atómico (Z), y entre el número de protones, neutrones y la masa atómica (A).

Veamos la estructura de los átomos del segundo y tercer elemento de la tabla periódica, el hidrógeno (Z=2) y el helio (Z=3).

  • El helio (He) es un gas noble, el segundo elemento de la tabla periódica y, por lo tanto, el segundo elemento más ligero después del hidrógeno (H). Posee dos protones y dos neutrones en su núcleo y dos electrones orbitando a su al rededor.
  • El Litio es un metal alcalino, que ocupa el tercer puesto entre los elementos de la tabla periódica, de lo cual podemos deducir que tiene 3 protones en su núcleo.

Ahora veamos los átomos de dos de los elementos más importantes, sin los cuales ni la naturaleza ni los seres vivos (tal y como los conocemos) podrían existir: el carbono y el oxígeno.

El siguiente diagrama muestra un átomo de carbono-12 y el oxígeno-16; los isótopos más abundantes y unos de los más estables del carbono y el oxígeno, respectivamente.

A medida que avanzamos en la tabla periódica, el número atómico y, en consecuencia, el número de protones, neutrones y electrones que contienen los átomos, aumenta.

Si te fijas detenidamente, el fósforo (P) es un ejemplo de que un átomo cuyo isótopo más abundante no es aquel que tiene el mismo número de protones y electrones. ¿Lo has visto?

  • ¡Este átomo solo tiene 15 protones y 16 neutrones! Su nombre es fósforo-31.
  • Mientras que el azufre-32 con 16 protones y 16 neutrones es el isótopo más abundante de este elemento.

Ya sabes cómo se clasifica la materia, qué son los átomos y las partículas subatómicas. Entonces, ¿Qué sucede cuando dos o más átomos se combinan?: ¡se forman una molécula! Sabiendo la gran cantidad de elementos químicos que hay, ¡imagina la gran variedad de moléculas que pueden formarse a partir de estos!

Hay mucha más información sobre los elementos químicos en Cronología de los elementos químicos y Sistema Periódico.

Ahora, exploremos en detalle las moléculas.

¿Qué son las moléculas?

Una molécula es la porción mínima de una sustancia que conserva sus propiedades químicas y físicas. Cada molécula es un sistema constituido por un conjunto átomos organizados y enlazados.

Estos átomos pueden ser de un mismo elemento o de elementos diferentes, en cuyo caso se denominan compuestos.

Todos los compuestos son moléculas, pero no todas las moléculas son compuestos. Si una molécula está formada solo por oxígeno, ¡no puede ser un compuesto!

A continuación, veremos algunos ejemplos de moléculas de interés clasificadas en función del número de átomos que las componen.

Ejemplos de moléculas:

Moléculas según el número de átomos

Diatómicas

Son aquellas que están formadas únicamente por dos átomos. En la naturaleza, existen únicamente 7 moléculas diatómicas formadas por un mismo elemento.

Obsérvalas en el siguiente gráfico, donde verás, además, tres ejemplos de moléculas diatómicas formadas por átomos de dos elementos diferentes.

Triatómicas

Son moléculas constituidas por tres átomos de un mismo o de distintos elementos.

Entre las moléculas triatómicas vitales se encuentran el agua, la sustancia más abundante en los seres vivos; el dióxido de carbono, un componente fundamental del proceso de fotosíntesis; y el ozono, que protege a la litosfera de los rayos UV emitidos por el sol.

Poliatómicas

Podríamos hablar de moléculas tetraatómicas, pentaatómicas, y así sucesivamente; pero, hay una manera más práctica de hacerlo:

Las moléculas formadas por varios átomos se conocen, de forma general, como moléculas poliatómicas.

Las moléculas poliatómicas pueden ser tan pequeñas como el amoníaco (con cuatro átomos) y el metano (con cinco átomos), o tan grandes como las proteínas y el ADN, cuyos átomos pueden llegar a contarse en miles o millones. A continuación, puedes ver algunos ejemplos de moléculas poliatómicas:

Después de ver muchos ejemplos de moléculas, probablemente te estés preguntando ¿Qué representan esas líneas entre los átomos? ¿Qué mantiene unidos a los átomos de una molécula? Lo sabrás a continuación.

Enlaces químicos

Para alcanzar una mayor estabilidad, en términos de su energía, los átomos se unen a otros mediante fuerzas de atracción que forman enlaces. Cada enlace representa un par de electrones.

Como habrás observado en los ejemplos de moléculas vistos anteriormente, los átomos establecen uno, dos y hasta tres enlaces entre sí. Estos enlaces se conocen como simples, dobles y triples. Los mecanismos mediante los cuales se formarán estos enlaces determinan si son covalentes o iónicos.

Covalentes

A los electrones que orbitan en la capa externa, la zona más periférica de la corteza, se les conoce como electrones de valencia. Los enlaces covalentes se forman entre dos átomos de elementos no metales, mediante el solapamiento de algunos de sus electrones de la capa externa. En definitiva, un enlace covalente es un par de electrones de valencia compartidos. Sin embargo, estos electrones no siempre se comparten de forma uniforme; de este modo, los enlaces covalentes pueden ser apolares (no polares) o polares.

  • Un enlace covalente apolar es un enlace en el que el par de electrones se comparte por igual entre los dos átomos enlazados.
  • Un enlace covalente polar es aquel en el que el par de electrones se comparte de forma desigual entre los dos átomos enlazados, por lo que uno de los átomos adquiere una carga parcial positiva y el otro adquiere una carga parcial negativa.

Iónicos

Un enlace iónico es una atracción electrostática entre iones de carga opuesta, que se forman cuando un átomo transfiere electrones a otro. Este tipo de enlace se forma, específicamente, entre un ion metálico con carga positiva y un ion no metálico con carga negativa, debido a la transferencia de electrones del metal al no metal.

Los iones son átomos o moléculas formadas por átomos que han ganado o perdido uno o más electrones para formar una partícula cargada.

En un sentido estricto, los iones no son moléculas, sino compuestos iónicos formados por una agregación de partículas cargadas. Puedes profundizar en este tema en especial visitando Enlace iónico.

Fórmulas químicas

Aunque las moléculas son más grandes que los átomos, su tamaño sigue siendo tan microscópico que no podemos observarlas directamente. Es por esto que, para poder estudiar aspectos como el comportamiento, la estructura o la función de las moléculas, los científicos e investigadores las representan a través de fórmulas químicas.

Una fórmula química es un conjunto de símbolos químicos que representan los elemento en una molécula o compuesto y expresan la proporción o el número de átomos de cada uno de estos. Algunos tipos de fórmulas muestran, además, los enlaces entre los átomos o grupos de átomos y su estructura.

No todas las moléculas se pueden representar de todas estas maneras; por tanto, la representación de las moléculas según ciertos tipos de fórmulas son o no las mismas. Existen varios tipos de fórmulas químicas:

  • La fórmula empírica muestra la proporción más simple de números enteros de los átomos de cada elemento presente en un compuesto o molécula.

  • La fórmula molecular, o condensada, muestra el número de átomos de cada tipo en un compuesto o molécula.

  • Las fórmulas semidesarrollada y desarrollada muestran cada átomo y enlace dentro de una molécula, excepto los enlaces C-H en el caso de las fórmulas semidesarrolladas.

  • La fórmula esquelética, o esqueletal, es la representación más abreviada de la estructura de una molécula. Estas fómulas no muestran los átomos de carbono e hidrógeno, ni los enlaces entre estos, pero sí los demás grupos de átomos de las moléculas.

Cabe mencionar que existen otras representaciones más complejas, como lo son las fórmulas estructurales, las fórmulas o diagramas de Lewis y las estructuras 3D.

¿Tienes curiosidad? No dudes en echarle un vistazo a Modelos de Lewis y Teoría de Repulsión de los Pares Electrónicos de la Capa de Valencia (TRPECV).

Átomos y moléculas - Puntos clave

  • La materia se puede categorizar, entre muchas formas, según su constitución, composición y estado de agregación.
  • En función de su composición, la materia se divide en:
    • Sustancias puras: que a su vez se clasifican en elementos y compuestos.
    • Mezclas: que pueden ser heterogéneas u homogéneas (disoluciones).
  • Según su estado de agregación, la materia se encuentra en estado sólido, líquido o gaseoso. También, existe un cuarto estado llamado plasma, en el que la materia se encuentra en una fase similar al de un gas, pero sus partículas están ionizadas.
  • Los átomos son las partículas más pequeñas que componen un elemento químico. Los átomos poseen:
    • Núcleo: constituido por protones (con carga positiva) y neutrones (con carga neutra).
    • Corteza: constituida por una nube de electrones, con carga negativa, que orbitan al rededor del núcleo.
  • El número atómico (Z) de un elemento es igual al número de protones en el núcleo de sus átomos.
  • La masa atómica (A) corresponde a la suma de la masa de los electrones y neutrones de un átomo.
  • Las moléculas, según su número de átomos, se clasifican en diatómicas, triatómicas y poliatómicas.
  • Los átomos de las moléculas se unen entre sí mediante enlaces que pueden ser:
    • Covalentes apolares: en el que el par de electrones se comparte por igual entre los dos átomos enlazados.
    • Covalentes polares: en el que el par de electrones se comparte de forma desigual entre los dos átomos y, en consecuencia, estos adquieren cargas parciales.
    • Iónicos: son el resultado de la atracción electrostática entre iones de carga opuesta, que se forman cuando un átomo transfiere electrones a otro.
  • Una fórmula química es un conjunto de símbolos químicos que representan los elemento en una molécula o compuesto, y expresan la proporción o el número de átomos de cada uno de estos.
  • Ciertos tipos de fórmulas muestran, además, los enlaces entre los átomos o grupos de átomos y su estructura.
  • Algunos tipos de fórmulas químicas son las fórmulas empírica, molecular o condensada, semidesarrollada, desarrollada y esquelética.

Preguntas frecuentes sobre Átomos y moléculas

Son las fórmulas empírica, molecular o condensada, semidesarrollada, desarrollada y esquelética. 


Tenemos, además, algunas representaciones más complejas, como las fórmulas estructurales, las fórmulas o diagramas de Lewis y las estructuras 3D.

La materia puede clasificarse de muchas formas, aunque tradicionalmente la clasificamos en función de su:

  • Composición: En sustancias puras (elementos y compuestos) y mezclas (homogéneas o disoluciones y heterogéneas)
  • Estado de agregación: Sólidos, líquidos y gases
  • Constitución: Átomos y moléculas.

Cuando dos o más átomos se combinan, forman una molécula. Una molécula es la porción mínima de una sustancia que conserva sus propiedades químicas y físicas. 


El gas nitrógeno (N2), el dióxido de carbono (CO2) y el amoníaco (NH2) son ejemplos de moléculas diatómicas, triatómicas y poliatómicas, respectivamente.

En función del número de átomos que constituyen las moléculas, estas pueden ser:

- Diatómicas:  Formadas por dos átomos.

- Triatómicas: Formadas por tres átomos.

- Poliatómicas Formadas por más de tres átomos.


También, con base en el tipo de enlace que establecen sus átomos, las moléculas pueden ser:

- Apolares: Son moléculas sin carga neta.

- Polares: Son moléculas cuyos átomos poseen una carga parcial.

- Iones: Son el resultado de la atracción electrostática entre iones de carga opuesta, que se forman cuando un átomo transfiere electrones a otro.

Los átomos están formados por componentes mucho más pequeños, conocidos como partículas subatómicas. Se organizan en dos partes principales: 

  • Núcleo: constituido por protones (con carga positiva) y neutrones (con carga neutra). 
  • Corteza: constituida por una nube de electrones, con carga negativa, que orbitan al rededor del núcleo.

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