Elementos esenciales para la vida



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ELEMENTOS ESENCIALES PARA LA VIDA

La siguiente Tabla nos indica la composición porcentual efectiva de cada una de las regiones marcadas, incluyendo la del Universo como un todo, de la corteza terrestre, del agua de mar y del cuerpo humano. Interesa destacar en estos momentos que la mayoría de los metales que usualmente se encuentran a nuestro alrededor en forma de utensilios, no son los más abundantes. A su vez, la composición del cuerpo humano y la del agua de mar aparecen muy similares, lo que da una idea de que nuestra vida no es posible en ausencia de agua. Por último, los elementos destacados son esenciales para la vida en nuestro planeta.



Composición Universo

Composición corteza terrestre

Composición agua de mar

Composición cuerpo humano

Porcentaje del total de Átomos

H

91

He

9,1

O

0,057

N

0,042

C

0,021

Si

0,003

Ne

0,003

Mg

0,002

Fe

0,002

S

0,001

 

 

otros < 0,001




O

47

Si

28

Al

7,9

Fe

4,5

Ca

3,5

Na

2,5

K

2,5

Mg

2,2

Ti

0,46

H

0,22

C

0,19

otros < 0,010




H

66

O

33

Cl

0,33

Na

0,28

Mg

0,033

S

0,017

Ca

0,006

K

0,006

C

0,0014

Br

0,0005

 

 

otros < 0,001




H

63

O

25,5

C

9,5

N

1,4

Ca

0,31

P

0,22

Cl

0,03

K

0,06

S

0,05

Na

0,03

Mg

0,01

otros < 0,01




X : Elementos esenciales para la vida

Así, en la corteza terrestre, salvo Oxígeno que participa en muchos óxidos de elementos químicos y en el agua que abunda en nuestro medio, el Silicio es el siguiente elemento de gran abundancia y que forma parte de la tierra propiamente tal, en los campos y en las arenas tanto de río como de mar, en las rocas, montañas, etc.



TAMAÑOS ATÓMICOS

De todo lo expuesto anteriormente, resulta evidente que el Sistema Periódico refleja de alguna manera, la tendencia en la forma o tamaño de cada átomo de los diferentes elementos. Sin entrar en detalle, conviene recordar que cada elemento está constituido por átomos idénticos y que un mol del elemento contiene una cantidad de átomos llamada Número de Avogadro, Nav = 6,022045 · 1023. Así,




en un mol de Fe (55,85 gramos) hay 6,022045 · 1023 átomos de Fe.

Está claro entonces que es fácil encontrar la masa de un átomo de hierro, lo que nos lleva al concepto de masas atómicas. El valor para el hierro se logra haciendo la división 55,85 g/Nav lo que nos da para la masa atómica de un átomo, mFe ,




mFe = 9,274·10-23 g/átomo de Fe

un valor sumamente pequeño y es una de las razones por la que, al trabajar con partículas de ese tamaño, decimos que tratamos con una escala microscópica de valores.

En resumen, podemos señalar los siguientes puntos principales sobre nuestro conocimiento global de átomos y elementos.

1) Cada Elemento es una partícula pequeña llamada átomo y una cantidad equivalente a Nav veces cada átomo define entonces un mol del elemento. Cada elemento tiene masa, ocupa por consiguiente un volumen lo que les asigna un "tamaño" característico. Por ejemplo, los siguientes valores dan las masas atómicas de algunos elementos:



Masa de H = 1,6737·10-24 g/átomo
Masa de O = 2,6568·10-23 g/átomo
Masa de He = 6,6466·10-24 g/átomo
Masa de Au = 3,2708·10-22 g/átomo
Masa de Cs = 2,2070·10-22 g/átomo

Observese entonces que a medida que los átomos son más pesados, éstos ocupan las posiciones inferiores del Sistema Periódico, además de tener un tamaño cada vez mayor. En la figura se muestra la relación de tamaño entre los átomos de He, Au y Cs y nos damos cuenta que el espacio que ocupa cada uno de los elemento señalados, varía enormemente. Podemos afirmar así que los átomos de los distintos elementos tienen diámetros d que son del orden d = 1->5 Å (angstrom), donde 1Å= 10-10 m = 10 nm, con 1nm = 10-9 m

2) De acuerdo con la Teoría atómica establecida durante el siglo pasado y corroborada experimentalmente durante este siglo, se tiene que:

El átomo se compone de un núcleo que concentra, prácticamente, toda la masa y las cargas positivas.

Cada carga + la transporta un protón, partícula nuclear que posee, además, una masa característica.

Además, dentro del núcleo hay otras partículas de las cuales, el neutrón es una de las más pesadas y posee una masa también característica que tiene casi el mismo valor que la masa del protón.

En la parte externa al núcleo, se encuentran las cargas negativas y cada una de éstas se denomina electrón .

Para caracterizar cada uno de los átomos, conviene hacer una norma general para nombrarlos.

NORMA GENERAL PARA ÁTOMOS

Número Atómico Z El N° de protones del nucleo
Masa Atómica Suma de masas de protones más neutrones
N° masa A Suma N° de protones más N° de neutrones
N° masa A ZAtómico + N° de neutrones

Escritura Standard: N° masa SIMBOLO = A SIMBOLON° atómico Z
De acuerdo con esto, podemos también definir un átomo neutro, positivo o negativo usando los siguientes criterios:

Atomo neutro : El N° de electrones externos al núcleo (carga negativa total) es igual al N° de protones del núcleo (carga positiva total, +Zatómico)

Atomo Positivo(+) : N° de electrones externos al núcleo (carga negativa total) es menor que el N° de protones del núcleo (+ Zatómico)

Nombre : ión (+) ---> M+ :
ión (++) ---> M++ :
ión (+++) ---> M3+ , etc.


Atomo negativo(-) : N° de electrones externos al núcleo (carga negativa total) es mayor que el N° de protones del núcleo (Zatómico)

Nombre : ión (-) ---> M- :
ión (- -) ---> M- - :
ión (- - -) ---> M3-, etc.

Una representación de todo lo dicho hasta el momento, se aplicará al átomo de Sodio, Na. Aquí, el Sistema Periódico entrega los datos siguientes: Zatómico (Na) = +11 , N° neutrones = 12, N° de electrones e- = 11 por lo que la escritura standard produce 2311 Na cuya imagen obtenida, está en la figura que acompaña. Aquí se observa que la parte densa del átomo está en el núcleo central y concentra prácticamente toda la masa. En la parte exterior al núcleo, se desenvuelven los electrones externos que ocupan un espacio mayor y dan origen al tamaño atómico que hace que cada elemento sea diferente a otro, como ya se discutió. Así, los 11 e- están circulando a una alta velocidad alrededor del núcleo de modo que la carga resultante sea nula para este átomo neutro.


Por último, si bien cada una de estas partículas internas de los átomos, es pequeña, también se debe recordar que son partículas con los siguientes valores para sus masas en el S. I. :

Nombre Símbolo Masa (kg) Carga

Protón mp 1,67262·10-27 1 +

Neutrón mn 1,67496·10-27 No presenta

Electrón me 9,10939·10-31 1 -

3) Reacciones Químicas Interesa resaltar en estos momentos que la nube de electrones externos caracteriza las propiedades químicas para cada elemento, de modo que al entrar en reacción química con otros elementos, se produce un traspaso de e- entre ambos para formar las moléculas respectivas. Un ejemplo de esto es la reacción de átomos de Sodio con átomos provenientes de Cloro molecular (Cl2):

Na + Cl (proveniente de Cl2) ===> NaCl (sal, molécula) + Calor

que es una reacción química muy enérgica, explosiva y desprende una inmensa cantidad de calor, como se puede apreciar en la figura incluida.

   

Allí se observa lo que ocurre al colocar en un balón de vidrio Na metálico con una atmósfera de Cloro gas: el color amarillo incandescente se origina por el calor que se desprende en la reacción alcanzándose una muy alta temperatura que pone incandescente los cristales de sal que se observa a la derecha de la figura: es blanca, sólida, muy manejable y estable en cualquier ambiente, soluble en agua y genera iones de Na y Cl importantes para nuestro organismo.

Por otra parte, la siguiente figura muestra estado y color de los reaccionantes: Na es metálico, blando, en cambio Cl2 molecular es gas a la temperatura y presión ambiente, cada uno manejable en sus condiciones propias pero al mezclarlos, dan orígen a la violenta reacción anterior.

   

Además, conviene destacar la "posición" que cada uno ocupa en el Sistema Periódico: Na se encuentra muy a la izquierda y Cl muy a la derecha, muy separados entre sí. Más adelante vamos a justificar este cambio violento al reaccionar.

Por último, esta figura muestra el estado normal del elemento Potasio K, que se ubica inmediatamente debajo del elemento Na. Así, en una visión generalizada, encontraremos que "Los elementos ubicados más a la izquierda en el Sistema Periódico, presentan normalmente propiedades metálicas, son sólidos". Por otra parte también ocurre que "Los elementos ubicados a la derecha en el Sistema Periódico, especialmente a la derecha superior, son gases".

COMPOSICION DE LA MATERIA

En esta parte de la materia nos ocuparemos principalmente de la composición de la materia, a los modelos que se plantean en su estudio y a los cambios que se producen por medio de reacciones químicas generales. Para comenzar, diremos que hay diferentes formas de materias (gases, líquidos, sólidos), algunas conocidas como aceites (petróleo, aceites de semillas, grasas), algunas otras muy usadas (Gasolina, Agua, sal común, azúcar) y otras demasiado útiles (Hierro, Cobre, Oro, Plata).

Ocurre que algunas formas de la materia se convierten rápidamente en otras mediante reacciones químicas, las que si se controlan apropiadamente, producen grandes beneficios. Por ejemplo, el uso de la gasolina en automóviles es justamente uno de estos casos ya que, sin entrar en detalles, lo que ocurre dentro del motor es una reacción de la forma



Gasolina + Aire (el oxígeno del aire) chispa inicial> Agua + CO2 + CALOR

y es ese Calor el se convierte en energía mecánica que mueve todo el sistema mecánico automotriz! Obviamente, esta no es la única forma de cambios de la materia que nos importa, ya que desde el inicio de mundo hay reacciones que tiene directa relación con la conservación de las especies vivas. Un ejemplo de esto es que, para el hombre,



Hombre + Alimentos reacciones químicas > Conservación de la vida

lo que significa que, al menos que existan los alimentos, nada quedaría. A propósito, ¿ de donde provienen los alimentos ? La respuesta está directamente relacionada con la presencia de la LUZ SOLAR en nuestro medio, para que ocurra otra reacción química de la forma



LUZ SOLAR + CO2 + Plantas reacción química > ALIMENTOS

con el resultado que la Energía Solar proveniente de los rayos del Sol, junto al anhídrido carbónico del aire y las plantas, producen los alimentos necesarios que, al ocurrir la reacción anterior relacionada al Hombre, recuperamos las energías y almacenamos parte de ésta para nuestro posterior uso. Esto nos lleva entonces a plantear algunos esquemas que simbolizan el uso de estos aprovechamientos de la energía. Uno de estos casos, en forma de diagramas, es el que se muestra a continuación, que describe en muy buena forma la acción del aprovechamiento de la Energía solar para nuestro uso, según lo hacemos ahora en nuestro medio.



Energía / partícula

Valor

E. Cinética de 1 molécula de H20 en una caída de agua de 100m

0.00025 eV

E. Cinética media de una molécula gas, T=300 K (1/2)mvel2

0.025eV

Reacción C + O2 --> CO2 / átomo C

4,0 eV

Fotón luz visible

2,0 eV

Fotón rayos 

1 - 3 MeV

Reacción Nuclear

6

Li +

1

H --->

3

He +

4

He

3

1

2

2




4,011 Mev

Con el fín de comparar los recursos que, por ejemplo, se muestran en diagrama anterior, la Tabla que sigue proporciona los valores equivalentes para la obtención de energía proveniente de distintas fuentes, todas en las mismas unidades de electrón-volts, eV de uso común en Química ( 1eV= 23,06 kcal/mol ) o en n múltiplos de eV ( 1 MeV= 106 eV, un millón de electrón-volt ). Obsérvese que los valores que se señalan, están referidos a unidad de materia, en este caso una molécula o bien un átomo.

La Tabla indica claramente que la reacción nuclear al final, es la que produce la mayor energía, prácticamente un factor de 1011 veces la que se obtiene de las caídas de agua en nuestras represas. Sin emargo, la operación de una de estas plantas es más complicada, introduce serios peligros para la población, en especial en nuestro medio por el carácter sísmico de nuestro territorio. En todo caso, cada una de estas alternativas para lograr energía puede ser ocupada en la Figura anterior

En definitiva, decimos que la quimica se define como el estudio de la composición, la estructura atómico molecular, las reacciones de transformación de los materiales y en este ramo, nuestro interés es llegar a la estructura atómico-molecular.

Una buen resumen de las diferentes formas de la materia se muestra en el diagrama anterior.



Nuestro interés será estudiar detalladamente todo lo relacionado con los Elementos y, por supuesto, todo lo relativo al sistema periodico organizado de la forma que se presenta a continuación



Si bien en este Sistema Periódico aparecen 107 elementos conocidos, lo cierto es que los últimos son obtenidos artificialmente y no se encuentran en la naturaleza. Además, como se verá más adelante, los orbitales atómicos en los que se ubican los electrones más externos, le confieren las características físicas y de reactividad química. La figura siguiente señala estas características, esto es, el bloque que comprende los orbitales 2s, 3s, 4s 5s, etc.

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