Elementos químicos

La química está en la base de las ciencias de la vida. Los organismos pueden verse como fábricas químicas que realizan infinidad de reacciones cada segundo solo para mantenerse con vida. Por eso, para estudiar los componentes básicos de la vida, primero tenemos que comprender algo de química básica.

Esta sección ofrece una breve introducción a los elementos relevantes en biología, la estructura atómica, los isótopos y las capas electrónicas.

Elementos importantes

Hay más de cien elementos químicos en la tabla periódica, pero solo un número relativamente pequeño es muy relevante en biología.

Alrededor del 98% de la masa de la mayoría de los organismos está formada por estos seis elementos que se representan en rojo: hidrógeno (H), carbono (C), nitrógeno (N), oxígeno (O), fósforo (P) y azufre (S). Otro subconjunto de elementos que se muestran en amarillo se encuentran en menores cantidades, pero siguen siendo muy importantes. Se trata del potasio (K), el calcio (Ca), el sodio (Na), el cloro (Cl) y el magnesio (Mg), entre otros.

Estructura general de los átomos

Los átomos están formados por tres tipos de partículas: electrones con carga negativa, protones con carga positiva y neutrones sin carga. El núcleo del átomo está formado por protones y neutrones, mientras que los electrones orbitan alrededor del núcleo. Un átomo de carbono (C), por ejemplo, tiene 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones, lo que da como resultado una carga neutra global. El número atómico (6) se relaciona con el número de protones, que en última instancia determina el elemento. La masa atómica de 12,011 se debe principalmente a las 12 partículas del núcleo, mientras que los electrones no contribuyen mucho a la masa total.

Esta representación típica de un átomo es una simplificación y no está en absoluto a escala. Las órbitas pueden entenderse más bien como distintos niveles de energía. Además, los electrones son diminutos en comparación con protones y neutrones, pero la nube electrónica de un átomo, la región donde se encuentran los electrones, es gigantesca. Si el núcleo tuviera el tamaño de la cabeza de un alfiler, la nube electrónica sería tan grande como una catedral. Aun así, este modelo simplificado es muy útil y suficiente para avanzar.

Isótopos

Como hemos aprendido antes, el número de protones determina la naturaleza del elemento. Sin embargo, a veces un elemento puede tener versiones con diferente número de neutrones. Estas versiones se denominan isótopos.

El hidrógeno (H o ¹H) tiene la estructura atómica más sencilla, ya que solo consta de un protón y un electrón. El deuterio (²H) y el tritio (³H) son isótopos del hidrógeno con neutrones adicionales en el núcleo. Los isótopos suelen ser inestables, lo que hace que sus núcleos se desintegren y emitan radiación en el proceso.

Capas de electrones

El número de electrones propio de cada elemento rige la forma en que los distintos elementos se comportan en las reacciones químicas, que implican cambios en la interacción de los electrones.

Los electrones se sitúan en distintas capas alrededor del núcleo. La capa más interna puede contener hasta dos electrones, la siguiente puede contener ocho y la tercera puede contener hasta 18. La capa más externa de cualquier átomo se llama capa de valencia, que es la más relevante para las interacciones químicas.

Dentro de las capas electrónicas, los electrones se emparejan en los llamados orbitales. Existe una tendencia a llenar todos los orbitales de una capa con pares de electrones, lo que hace que los elementos sean reactivos para alcanzar un estado de alta estabilidad. El oxígeno, por ejemplo, necesita dos electrones adicionales para llenar todos los orbitales de su capa de valencia. El azufre, aunque tiene una tercera capa, también necesita dos electrones, mientras que el carbono necesita cuatro, igual que el silicio.

En la siguiente sección veremos cómo se forman los enlaces químicos.