Materia, elementos y átomos

¿De qué está hecho tu cuerpo? Quizás primero pienses que está hecho de órganos diferentes, tales como tu corazón, pulmones y estómago, que trabajan juntos para hacerlo funcionar. O tal vez te adentres un poco más y digas que tu cuerpo se conforma de muchos tipos de células distintos. Sin embargo, en el nivel más básico, tu cuerpo -y de hecho todo lo vivo y lo no vivo- está formado de átomos que con frecuencia están organizados en estructuras más grandes llamadas moléculas.

Los átomos y las moléculas siguen las reglas de la química y la física aun cuando forman parte de un complejo ser vivo que respira. Si aprendiste en química que algunos átomos tienden a ganar o perder electrones, o a formar enlaces entre ellos, eso sigue siendo cierto incluso cuando los átomos o moléculas forman parte de un organismo vivo. De hecho, las interacciones sencillas entre átomos –llevadas a cabo muchas veces y en muchas combinaciones diferentes en una célula individual o en un organismo más grande– son las que hacen posible la vida. Podríamos decir que todo lo que eres, incluso tu consciencia, es el producto secundario de las interacciones químicas y eléctricas entre ¡una cantidad muy, muy grande de átomos no vivientes!

Así que, como un ser vivo increíblemente complejo compuesto de alrededor de 7 000 000 000 000 000 000 000 000 000 átomos, probablemente querrás saber algo de química básica mientras empiezas a explorar el mundo de la biología (y el mundo en general).

El término materia se refiere a cualquier cosa que ocupe espacio y tenga masa, en otras palabras "aquello" de lo que esta hecho el universo. Toda la materia está compuesta de sustancias llamadas elementos, que tienen propiedades físicas y químicas específicas y que no pueden dividirse en otras sustancias por medio de reacciones químicas ordinarias. El oro, por ejemplo, es un elemento, al igual que el carbono. Existen 118 elementos pero solo 92 de ellos ocurren de manera natural. El resto de los elementos han sido creados en laboratorios y son inestables.

Cada elemento se denota con su símbolo químico, que puede ser una sola letra mayúscula o, cuando la primera letra ya está "ocupada" por otro elemento, una combinación de dos letras. Algunos elementos usan el nombre en español, como C para el carbono o Ca para el calcio. Otros símbolos químicos provienen de sus nombres en latín, por ejemplo, el símbolo del sodio es Na, una forma abreviada de natrium, la palabra en latín para sodio.

Los cuatro elementos comunes a todos los organismos vivos son el oxígeno (O), el carbono (C), el hidrógeno (H) y el nitrógeno (N), que en conjunto forman alrededor del 96% del cuerpo humano. En el mundo no vivo, los elementos se encuentran en proporciones diferentes y algunos elementos que son comunes en los organismos vivos son relativamente raros en la Tierra. Todos los elementos y las reacciones químicas entre ellos obedecen las mismas leyes físicas y químicas, sin importar si forman parte de organismos vivos o no.

Un átomo es la unidad más pequeña de materia que conserva todas las propiedades químicas de un elemento. Por ejemplo, una moneda de oro es simplemente un gran número de átomos de oro moldeado con la forma de una moneda (con pequeñas cantidades de otros elementos contaminantes). Los átomos de oro no pueden dividirse en algo más pequeño y conservar sus características. Un átomo de oro obtiene sus propiedades de las diminutas partículas subatómicas de las que se compone.

Un átomo está compuesto de dos regiones. La primera es el pequeño núcleo atómico, que se encuentra en el centro del átomo y contiene partículas cargadas positivamente llamadas protones, y partículas neutras, sin carga, llamadas neutrones. La segunda, que es mucho más grande, es una "nube" de electrones, partículas de carga negativa que orbitan alrededor del núcleo. La atracción entre los protones de carga positiva y los electrones de carga negativa es lo que mantiene unido al átomo. La mayoría de los átomos tienen estos tres tipos de partículas subatómicas, protones, electrones y neutrones. El hidrógeno (H) es una excepción porque generalmente tiene un protón y un electrón pero carece de neutrones. El número de protones en el núcleo define de qué elemento es el átomo, mientras que el número de electrones que rodea al núcleo determina en qué tipo de reacciones puede participar. Los tres tipos de partículas subatómicas se ilustran a continuación en un átomo de helio, el cual tiene, por definición, dos protones.

Los protones y neutrones no tienen la misma carga pero sí tienen aproximadamente la misma masa, alrededor de $1.67\times {10}^{-24}$‍ gramos. Dado que los gramos no son una unidad de medida muy conveniente para medir masas tan pequeñas, los científicos decidieron definir una medida alternativa, el dalton o unidad de masa atómica (uma). Un único protón o neutrón tiene un peso muy cercano a 1 uma. Los electrones son mucho más pequeños en masa que los protones, tan solo 1/1800 de una unidad de masa atómica, así que no contribuyen gran cosa a la masa atómica total del elemento. Por el contrario, los electrones tienen un gran efecto en la carga del átomo, ya que cada electrón tiene una carga negativa igual a la carga positiva de un protón. En átomos neutros, sin carga, el número de electrones que orbitan el núcleo es igual al número de protones dentro del núcleo. Las cargas positivas y negativas se cancelan, y generan un átomo sin carga neta.

Los protones, neutrones y electrones son muy pequeños y la mayor parte del volumen de un átomo —más del 99 por ciento— es en realidad espacio vacío. Con tanto espacio vacío podrías preguntarte cómo es que los llamados objetos sólidos no pasan unos a través de otros. La respuesta es que las nubes de electrones de carga negativa de los átomos se repelerían entre ellas si se aproximaran demasiado, lo que da como resultado nuestra percepción de la solidez.