La sustancia del universo, desde un grano de arena hasta una
estrella, se llama materia. Los
científicos definen la materia como todo lo que ocupa espacio y tiene masa. La
masa de un objeto y su peso son conceptos relacionados, pero no exactamente lo
mismo. La masa de un objeto es la cantidad de materia contenida en el objeto, y
la masa del objeto es la misma si ese objeto está en la Tierra o en el ambiente
de gravedad cero del espacio exterior. El peso de un objeto, por otro lado, es
su masa afectada por la fuerza de la gravedad. Cuando la gravedad tira
fuertemente de la masa de un objeto, su peso es mayor que cuando la gravedad es
menos fuerte. Un objeto de cierta masa pesa menos en la luna, por ejemplo, que
en la Tierra porque la gravedad de la luna es menor que la de la Tierra. En
otras palabras, el peso es variable y está influenciado por la gravedad. Un
trozo de queso que pesa una libra en la Tierra pesa solo unas pocas onzas en la
luna.
Elementos y compuestos
Toda la materia en el mundo natural está compuesta por una o
más de las 92 sustancias fundamentales llamadas elementos. Un elemento es una sustancia pura que se
distingue de toda otra materia por el hecho de que no se puede crear o
descomponer por medios químicos comunes. Si bien su cuerpo puede ensamblar
muchos de los compuestos químicos necesarios para la vida a partir de sus
elementos constitutivos, no puede crear elementos. Deben provenir del medio
ambiente. Un ejemplo familiar de un elemento que debe tomar es el calcio (Ca++).
El calcio es esencial para el cuerpo humano; se absorbe y se utiliza para una
serie de procesos, incluido el fortalecimiento de los huesos. Cuando consume
productos lácteos, su sistema digestivo descompone los alimentos en componentes
lo suficientemente pequeños como para cruzar al torrente sanguíneo. Entre estos
se encuentra el calcio, que, debido a que es un elemento, no puede
descomponerse más. El calcio elemental en el queso, por lo tanto, es el mismo
que el calcio que forma los huesos. Algunos otros elementos con los que puede
estar familiarizado son oxígeno, sodio y hierro. Los elementos en el cuerpo humano
se muestran en la siguiente imagen, comenzando con los más abundantes: oxígeno
(O), carbono (C), hidrógeno (H) y nitrógeno (N). El nombre de cada elemento se
puede reemplazar por un símbolo de una o dos letras; se familiarizará con
algunos de estos durante este curso. Todos los elementos en su cuerpo se derivan
de los alimentos que come y del aire que respira.
En la naturaleza, los elementos rara vez ocurren solos. En
cambio, se combinan para formar compuestos. Un compuesto es una sustancia compuesta de dos o más elementos unidos
por enlaces químicos. Por ejemplo, la glucosa compuesta es un combustible
corporal importante. Siempre se compone de los mismos tres elementos: carbono,
hidrógeno y oxígeno. Además, los elementos que componen cualquier compuesto
dado siempre ocurren en las mismas cantidades relativas. En glucosa, siempre
hay seis unidades de carbono y seis unidades de oxígeno por cada doce unidades
de hidrógeno. Pero, ¿qué son exactamente estas "unidades" de
elementos?
Átomos y Partículas Subatómicas
Un átomo es la
cantidad más pequeña de un elemento que conserva las propiedades únicas de ese
elemento. En otras palabras, un átomo de hidrógeno es una unidad de hidrógeno,
la cantidad más pequeña de hidrógeno que puede existir. Como puede suponer, los
átomos son casi insondables. El período al final de esta oración es de millones
de átomos de ancho.
Estructura atómica y energía
Los átomos están formados por partículas subatómicas aún más
pequeñas, tres tipos de las cuales son importantes: el protón, el neutrón y el electrón. El número de protones cargados
positivamente y neutrones no cargados ("neutros"), da masa al átomo,
y el número de cada uno en el núcleo del átomo determina el elemento. El número
de electrones cargados negativamente que "giran" alrededor del núcleo
a una velocidad cercana a la de la luz es igual al número de protones. Un
electrón tiene aproximadamente 1 / 2000th la masa de un protón o neutrón.
Los protones y electrones de un átomo llevan cargas
eléctricas. Los protones, con su carga positiva, se designan p+. Los
electrones, que tienen una carga negativa, se designan e-. Los
neutrones de un átomo no tienen carga: son eléctricamente neutros. Así como un
imán se adhiere a un refrigerador de acero porque sus cargas opuestas se
atraen, los protones cargados positivamente atraen a los electrones cargados
negativamente. Esta atracción mutua le da al átomo cierta estabilidad
estructural. La atracción del núcleo cargado positivamente ayuda a evitar que
los electrones se alejen mucho. El número de protones y electrones dentro de un
átomo neutro es igual, por lo tanto, la carga general del átomo está equilibrada.
Número atómico y número de masa
Un átomo de carbono es exclusivo del carbono, pero un protón
de carbono no lo es. Un protón es igual a otro, ya sea que se encuentre en un
átomo de carbono, sodio (Na) o hierro (Fe). Lo mismo es cierto para los
neutrones y electrones. Entonces, ¿qué le da a un elemento sus propiedades
distintivas? ¿Qué hace que el carbono sea tan diferente del sodio o el hierro?
La respuesta es la cantidad única de protones que contiene cada uno. El carbono
por definición es un elemento cuyos átomos contienen seis protones. Ningún otro
elemento tiene exactamente seis protones en sus átomos. Además, todos los
átomos de carbono, ya sea que se encuentren en su hígado o en una masa de
carbón, contienen seis protones. Por lo tanto, el número atómico, que es el número de protones en el núcleo del
átomo, identifica el elemento. Porque un átomo generalmente tiene el mismo
número de electrones que protones, el número atómico identifica el número habitual
de electrones también.
En su forma más común, muchos elementos también contienen el
mismo número de neutrones que protones. La forma más común de carbono, por
ejemplo, tiene seis neutrones y seis protones, para un total de 12 partículas
subatómicas en su núcleo. El número de
masa de un elemento es la suma del número de protones y neutrones en su
núcleo. Entonces, la forma más común del número de masa del carbono es 12. (Los
electrones tienen tan poca masa que no contribuyen de manera apreciable a la
masa de un átomo). El carbono es un elemento relativamente ligero. El uranio
(U), en contraste, tiene un número de masa de 238 y se conoce como un metal
pesado. Su número atómico es 92 (tiene 92 protones) pero contiene 146
neutrones; Tiene la mayor masa de todos los elementos naturales.
La tabla periódica de
los elementos, que se muestra en la siguiente imagen, es un gráfico que
identifica los 92 elementos encontrados en la naturaleza, así como varios
elementos más grandes e inestables descubiertos experimentalmente. Los
elementos están ordenados por su número atómico, con hidrógeno y helio en la
parte superior de la tabla, y los elementos más masivos debajo. La tabla
periódica es un dispositivo útil porque para cada elemento, identifica el
símbolo químico, el número atómico y el número de masa, mientras organiza
elementos según su propensión a reaccionar con otros elementos. El número de
protones y electrones en un elemento es igual. El número de protones y
neutrones puede ser igual para algunos elementos, pero no es igual para todos.
Isótopos
Aunque cada elemento tiene un número único de protones,
puede existir como isótopos diferentes. Un isótopo
es una de las diferentes formas de un elemento, que se distingue entre sí
por diferentes números de neutrones. El isótopo estándar de carbono es 12C,
comúnmente llamado carbono doce. 12C tiene seis protones y seis
neutrones, para un número en masa de doce. Todos los isótopos de carbono tienen
el mismo número de protones; por lo tanto, 13C tiene siete neutrones
y 14C tiene ocho neutrones. Los diferentes isótopos de un elemento
también se pueden indicar con el número de masa con guión (por ejemplo, C-12 en
lugar de 12C). El hidrógeno tiene tres isótopos comunes, que se
muestran en la siguiente imagen.
Un isótopo que contiene más de la cantidad habitual de
neutrones se conoce como isótopo pesado. Un ejemplo es el 14C. Los
isótopos pesados tienden a ser inestables, y los isótopos inestables son
radiactivos. Un isótopo radiactivo
es un isótopo cuyo núcleo se desintegra fácilmente, emitiendo partículas
subatómicas y energía electromagnética. Los diferentes isótopos radiactivos
(también llamados radioisótopos) difieren en su vida media, el tiempo que tarda
en descomponerse la mitad de la muestra de un isótopo de cualquier tamaño. Por
ejemplo, la vida media del tritio, un radioisótopo de hidrógeno, es de
aproximadamente 12 años, lo que indica que la mitad de los núcleos de tritio de
una muestra tarda 12 años en descomponerse. La exposición excesiva a isótopos
radiactivos puede dañar las células humanas e incluso causar cáncer y defectos
de nacimiento, pero cuando se controla la exposición, algunos isótopos
radiactivos pueden ser útiles en medicina.
Radiólogo Intervencionista
El uso controlado de radioisótopos ha avanzado el
diagnóstico médico y el tratamiento de la enfermedad. Los radiólogos
intervencionistas son médicos que tratan enfermedades mediante técnicas
mínimamente invasivas que involucran radiación. Muchas afecciones que antes
solo podían tratarse con una operación prolongada y traumática ahora pueden
tratarse de manera no quirúrgica, reduciendo el costo, el dolor, la duración de
la estadía en el hospital y el tiempo de recuperación para los pacientes. Por
ejemplo, en el pasado, las únicas opciones para un paciente con uno o más
tumores en el hígado eran cirugía y quimioterapia (la administración de
medicamentos para tratar el cáncer). Sin embargo, algunos tumores hepáticos son
difíciles de acceder quirúrgicamente, y otros podrían requerir que el cirujano
extirpe demasiado del hígado. Además, la quimioterapia es altamente tóxica para
el hígado y, de todos modos, ciertos tumores no responden bien. En algunos de
estos casos, un radiólogo intervencionista puede tratar los tumores al
interrumpir su suministro de sangre, que necesitan para continuar creciendo. En
este procedimiento, llamado radioembolización, el radiólogo accede al hígado
con una aguja fina, enhebrada a través de uno de los vasos sanguíneos del
paciente. Luego, el radiólogo inserta pequeñas "semillas" radiactivas
en los vasos sanguíneos que irrigan los tumores. En los días y semanas
posteriores al procedimiento, la radiación emitida por las semillas destruye
los vasos y mata directamente las células tumorales en las proximidades del
tratamiento.
Los radioisótopos emiten partículas subatómicas que pueden
ser detectadas y rastreadas por las tecnologías de imagen. Uno de los usos más
avanzados de los radioisótopos en medicina es el escáner de tomografía por
emisión de positrones (PET), que detecta la actividad en el cuerpo de una
inyección muy pequeña de glucosa radioactiva, el azúcar simple que las células
usan para obtener energía. La cámara PET revela al equipo médico qué tejidos
del paciente están absorbiendo más glucosa. Por lo tanto, los tejidos más
metabólicamente activos aparecen como "puntos calientes" brillantes en
las imágenes. La PET puede revelar algunas masas cancerosas porque las células
cancerosas consumen glucosa a un ritmo elevado para alimentar su rápida
reproducción.
 |
| La PET resalta áreas del cuerpo donde hay un uso relativamente alto de glucosa, lo cual es característico del tejido canceroso. Esta exploración PET muestra sitios de propagación de un tumor primario grande a otros sitios. |
El comportamiento de los electrones.
En el cuerpo humano, los átomos no existen como entidades
independientes. Más bien, reaccionan constantemente con otros átomos para
formar y descomponer sustancias más complejas. Para comprender completamente la
anatomía y la fisiología, debe comprender cómo los átomos participan en tales
reacciones. La clave es entender el comportamiento de los electrones.
Aunque los electrones no siguen órbitas rígidas a una
distancia establecida del núcleo del átomo, tienden a permanecer dentro de
ciertas regiones del espacio llamadas capas de electrones. Una capa de electrones es una capa de
electrones que rodea el núcleo a un nivel de energía distinto.
Los átomos de los elementos que se encuentran en el cuerpo
humano tienen de una a cinco capas de electrones, y todas las capas de
electrones contienen ocho electrones, excepto la primera capa, que solo puede
contener dos. Esta configuración de capas de electrones es la misma para todos
los átomos. El número exacto de capas depende del número de electrones en el
átomo. El hidrógeno y el helio tienen solo uno y dos electrones,
respectivamente. Si observa la tabla periódica de los elementos, notará que el
hidrógeno y el helio se colocan solos a ambos lados de la fila superior; son
los únicos elementos que tienen una sola capa de electrones. Es necesaria una
segunda capa para mantener los electrones en todos los elementos más grandes
que el hidrógeno y el helio.
El litio (Li), cuyo número atómico es 3, tiene tres
electrones. Dos de estos llenan la primera capa de electrones, y la tercera se
derrama en una segunda capa. La segunda capa de electrones puede acomodar hasta
ocho electrones. El carbono, con sus seis electrones, llena por completo su
primer caparazón y medio llena su segundo. Con diez electrones, el neón (Ne)
llena completamente sus dos capas de electrones. Una vez más, un vistazo a la
tabla periódica revela que todos los elementos en la segunda fila, desde el
litio hasta el neón, tienen solo dos capas de electrones. Los átomos con más de
diez electrones requieren más de dos capas. Estos elementos ocupan la tercera y
siguientes filas de la tabla periódica.
 |
| El neón tiene 10 electrones, llenando sus dos capas de electrones. |
El factor que gobierna más fuertemente la tendencia de un
átomo a participar en reacciones químicas es el número de electrones en su capa
de valencia. Una capa de valencia es
la capa de electrones más externa de un átomo. Si la capa de valencia está
llena, el átomo es estable; lo que significa que es poco probable que sus
electrones se separen del núcleo por la carga eléctrica de otros átomos. Si la
capa de valencia no está llena, el átomo es reactivo; lo que significa que
tenderá a reaccionar con otros átomos de manera que llene la capa de valencia.
Considere el hidrógeno, con su solo electrón llenando hasta la mitad su capa de
valencia. Es probable que este único electrón se relacione con los átomos de
otros elementos, de modo que la capa de valencia única del hidrógeno pueda
estabilizarse.
Todos los átomos (excepto el hidrógeno y el helio con sus
capas de electrones individuales) son más estables cuando hay exactamente ocho
electrones en su capa de valencia. Este principio se conoce como la regla del
octeto, y establece que un átomo cederá, ganará o compartirá electrones con
otro átomo para que termine con ocho electrones en su propia capa de valencia.
Por ejemplo, es probable que el oxígeno, con seis electrones en su capa de
valencia, reaccione con otros átomos de una manera que resulte en la adición de
dos electrones a la capa de valencia del oxígeno, elevando el número a ocho.
Cuando dos átomos de hidrógeno comparten cada uno su único electrón con
oxígeno, se forman enlaces covalentes, dando como resultado una molécula de
agua, H2O.
En la naturaleza, los átomos de un elemento tienden a unirse
con los átomos de otros elementos de manera característica. Por ejemplo, el
carbono comúnmente llena su capa de valencia al unirse con cuatro átomos de
hidrógeno. Al hacerlo, los dos elementos forman la más simple de las moléculas
orgánicas, el metano, que también es uno de los compuestos que contienen
carbono más abundantes y estables en la Tierra. Como se indicó anteriormente,
otro ejemplo es el agua; El oxígeno necesita dos electrones para llenar su capa
de valencia. Comúnmente interactúa con dos átomos de hidrógeno, formando H2O.
Por cierto, el nombre "hidrógeno" refleja su contribución al agua
(hidro- = "agua"; -gen = "fabricante"). Por lo tanto, el
hidrógeno es el "generador de agua".
¿Te sirvió el contenido del tema? ¿tienes alguna duda o sugerencia?
Puedes escribir un comentario en la parte de abajo y nosotros con gusto te responderemos. Esperemos que tengas un lindo día. ¡Mucho éxito en tus estudios!
