Núcleo Atómico
Centro de Masa
La unidad básica de toda la materia en el universo es el átomo. Al centro de ellos se encuentra un núcleo, el cual concentra casi la totalidad de su masa y su carga positiva.
El núcleo atómico está compuesto de partículas, llamadas subatómicas, de las cuales se pueden destacar tres: el electrón, el protón y el neutrón. Las propiedades de estas tres partículas principales determinan la mayoría de los comportamientos químicos.
El protón es la partícula subatómica de carga positiva (+1) con una masa relativa de aproximadamente 1 UMA (unidad de masa atómica), mientras que su contraparte es el electrón con una carga negativa (-1) y es la partícula con menor masa aproximadamente 5,5×10−4 UMA. Mientras que el neutrón no posee carga eléctrica, es decir se encuentra en estado neutro.
La agrupación e interacción de estas partículas dentro del núcleo es la razón detrás de toda la materia en el universo. Además se puede definir a un elemento químico como una sustancia cuyos átomos tienen el mismo número de protones.
Identidad y Masa del Átomo
Cuando hablamos del número atómico (Z) nos estamos refiriendo al número de protones dentro de su núcleo, este valor determina la identidad y características de este elemento. El número de protones está ligado a la identidad del elemento, si este es diferente nos encontramos con un elemento completamente distinto. Con el número atómico podemos organizar los elementos de la tabla periódica.
Por ejemplo, si recordamos de la química general un átomo con Z = 5 siempre será un átomo de Nitrógeno.
Ahora el número másico (A) hace referencia a la suma del número de protones y neutrones en el núcleo de un elemento específico. Este por lo general es el doble del Z pero debido a que en una misma especie el número de neutrones puede presentar variaciones no siempre es un valor exacto pero sí una aproximación acertada.
Isótopos
Lo que describimos anteriormente es una definición muy resumida de lo que son los isótopos, se dice que “los átomos con el mismo número atómico pero diferentes números de masa se llaman isótopos” (McMurry, 2020, p. 4).
Para nosotros en la química orgánica nos interesa el comportamiento del carbono y este posee tres isótopos “naturales”:
- Carbono-12: Posee Z = 6 y n = 6, es el isótopo más estable y abundante del carbono.
- Carbono-13: Posee Z = 6 y n = 7, es utilizado para seguir el camino de átomos a través de los mecanismos de reacción.
- Carbono-14: Posee Z = 6 y n = 8, este es bien conocido debido a su utilidad radiactiva para la datación arqueológica.
El Modelo de Rutherford
En química general aprendieron acerca de las diferentes representaciones del núcleo atómico, estos son los modelos atómicos. El modelo predilecto por mucho tiempo fue el “pudín de pasas” de Thomson, el cual visualizaba al átomo como un esfera de carga positiva uniforme con incrustaciones de electrones.
Sin embargo en 1911 Ernest Rutherford y sus colaboradores realizaron el experimento de dispersión de partículas alfa donde bombardearon átomos de Oro en una lámina con núcleos de Helio (las partículas alfa) y se observó como la mayoría la atravesaban pero algunas rebotaban. Rutherford concluyó que la masa y la carga positiva del átomo debían estar encontrarse concentradas en una región muy pequeña del todo naciendo así la idea del núcleo llevándolo a proponer su modelo atómico.
Relevancia del núcleo atómico en la química orgánica
Familiarizarse con la naturaleza nuclear del átomo es importante para la química orgánica debido a que el enfoque es en los electrones y cómo estos interactúan entre sí, esto se conoce como enlaces, afectando directamente todo el trabajo que se realiza en la química orgánica.
La distribución de electrones en torno al núcleo (“configuración electrónica”) determina cuántos y qué tipo de enlaces puede formar un átomo. Este patrón electrónico es esencial para la química orgánica, donde los enlaces covalentes entre átomos de carbono e hidrógeno (y otros heteroátomos) forman las estructuras de las moléculas orgánicas. La configuración electrónica influye directamente en el tipo de enlace (simple, doble, triple) y en la reactividad de los compuestos. (Lopez-Valentin et al., 2021).
La comprensión de la estructura atómica, incluyendo núcleo cargado positivamente y la distribución de electrones en capas, permite predecir cómo los átomos se enlazan para lograr moléculas estables. En química orgánica, estos conceptos permiten entender por qué y cómo los átomos comparten electrones para completar capas externas, formando enlaces covalentes característicos de compuestos orgánicos.
La reactividad de compuestos orgánicos (cómo reaccionan, qué tipo de reacciones pueden ocurrir, y con qué facilidad) está determinada por la posición de los electrones de valencia respecto al núcleo y entre sí. Esto incluye fenómenos como polaridad de enlaces, formación de pares de electrones compartidos y la energía asociada a romper o formar enlaces. (Haro-Castellanos et al., 2021).
Orbitales Atómicos
Naturaleza del Electrón
El modelo de Rutherford se quedaba corto al tratar de explicar la estabilidad del átomo y no daba lugar a la distribución orbital de los átomos; después de este llegó el modelo de Bohr el cual lograba explicar el espectro del hidrógeno, elemento con un solo electrón de valencia pero se quedaba corto al tratar de adaptarse a los demás elementos. A partir de ahí se desarrolló la mecánica cuántica estableciendo con Louis de Broglie el comportamiento ondulatorio de los electrones culminando con la ecuación de Schrödinger donde se evidencia la dualidad onda-partícula y el espacio alrededor del núcleo como una función matemática tridimensional de la distribución probable de los electrones.
Tipos de Orbitales
De la química general podemos recordar que los orbitales atómicos son representados por los números cuánticos, el principal (n) definiendo su tamaño y el secundario (l) definiendo su forma. Siguiendo con el repaso, los orbitales más relevantes para la química orgánica son los s y p.
- Los orbitales s poseen simetría esférica envolviendo al núcleo. Llenándose con un par de electrones.
- Los orbitales p poseen una forma lobular alargada, orientada en tres direcciones (px, py y pz). Llenándose con tres pares de electrones.
Los orbitales se agrupan en las capas electrónicas cuyo número máximo de electrones esta dado por la ecuación 2n², siendo n el número cuántico principal.
Importancia Estructural
Como se mencionó brevemente, la importancia de los electrones radica en los enlaces los cuales surgen a partir de la superposición de los orbitales siendo compartidos por dos núcleos como por ejemplo los puentes de hidrógeno fenómeno en el que se forma un enlace sigma σ entre sus orbitales 1s.
Configuración Electrónica
Principios para la ocupación de orbitales
Para desarrollar la configuración electrónica de cualquier elemento se debe comprender cómo se acomodan en los orbitales los electrones. Siguiendo tres principios fundamentales:
- Principio de Aufbau: Este principio es esencial para entender el comportamiento de los electrones, y en consecuencia el de los enlaces. El orden de llenado es a partir del menor nivel de energía disponible.
- Principio de exclusión de Pauli: Este principio establece que un orbital no puede contener más de un par de electrones.
- Regla de Hund: En los orbitales plurales, el orbital p por ejemplo, los electrones se distribuyen separados para después encontrar su pareja.
Configuración Electrónica
Haciendo memoria aprendimos que para representar la ubicación de los electrones alrededor del núcleo usamos una notación secuencial donde los orbitales se escriben con superíndice dependiendo del número de electrones lo han llenado.
Por ejemplo: Carbono Z = 6 → 1s² 2s² 2p², eso significa que el carbono tiene llenos los orbitales 1s y 2s mientras que el orbital 2p apenas tiene un par. Por lo tanto tiene solamente 2 electrones de valencia, electrones libres para enlazarse con otros.
Ahí es donde evidenciamos la importancia para la química orgánica, con la configuración electrónica podemos ver cuántos electrones hacen falta para completar el orbital, el octeto recordarán de la química general, en el caso del carbono como saben el orbital p necesita 6 electrones para llenarse por lo que le hacen falta 4 electrones teniendo la capacidad de enlazarse con otros elementos para completar su orbital.
Elementos Orgánicos
Para la química orgánica se pueden destacar 4 elementos importantes, los cuales aprender y conocer sus características facilitarán el aprendizaje de esta asignatura. Estos son:
- Carbono, Llamada la química del carbono, este elemento es la piedra angular de la química orgánica. De los más de 30 millones de compuestos químicos conocidos, más del 99 % contienen carbono. Esta extraordinaria diversidad se debe a su tetravalencia, es decir, a su capacidad de formar cuatro enlaces covalentes fuertes, tanto con otros átomos de carbono como con distintos elementos. Esta propiedad le permite generar cadenas lineales, ramificadas y estructuras cíclicas, además de enlaces simples, dobles y triples, sentando las bases estructurales de las moléculas orgánicas y, en consecuencia, de la vida misma.
- Hidrógeno, es el elemento más simple y abundante en los compuestos orgánicos. Al requerir solo un electrón para completar su orbital, forma enlaces covalentes estables, principalmente con el carbono. Su presencia es fundamental para saturar las estructuras carbonadas, influir en la estabilidad de las moléculas y definir propiedades como la polaridad, la reactividad y la energía de enlace. Los enlaces C–H constituyen el esqueleto básico de la mayoría de las moléculas orgánicas.
- Nitrógeno, El nitrógeno es un elemento clave en la química orgánica por su capacidad de formar tres enlaces covalentes y por la presencia de pares de electrones no enlazantes. Estas características le permiten participar en una amplia variedad de estructuras funcionales como aminas, amidas, nitrilos y heterociclos. El nitrógeno introduce propiedades básicas y nucleofílicas en las moléculas orgánicas, desempeñando un papel esencial en procesos biológicos, como la estructura de aminoácidos, proteínas y ácidos nucleicos.
- Oxígeno, El oxígeno es altamente relevante debido a su elevada electronegatividad y a su capacidad de formar dos enlaces covalentes. Estas propiedades confieren polaridad a los enlaces que forma con el carbono y el hidrógeno, dando lugar a grupos funcionales fundamentales como alcoholes, éteres, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres. La presencia de oxígeno determina en gran medida la reactividad química, solubilidad y comportamiento ácido–base de los compuestos orgánicos.
Geometría Molecular e Introducción a la Hibridación
Ahora sabiendo como es su distribución podemos hablar de cómo eso resulta en su forma tridimensional. La estructura refleja muchas propiedades clave como la polaridad, reactividad, solubilidad e incluso funciones biológicas en moléculas complejas como el ADN.
La repulsión entre los pares de electrones tiende hacer que se alejen lo más lejos de sí, definiendo la geometría molecular.
Un ejemplo importante es la estructura tetraédrica del carbono, la cual con la inserción de nuevos dobles o triples enlaces va dotando de nuevas características a la especie resultante. Aquí es donde se comienza a hablar del concepto de hibridación, la explicación de cómo pueden orientarse esos enlaces en diferentes formas.