You probably know that all stuff is made up of atoms and that an atom is a really, really, really, really tiny particle. Every atom has a core, which is made up of at least one positively charged particle called a proton, and in most cases, some number of neutral particles called neutrons. That core is surrounded by negatively charged particles called electrons. The identity of an atom is determined only by the number of protons in its nucleus. Hydrogen is hydrogen because it has just one proton, carbon is carbon because it has six, gold is gold because it has 79, and so on. Indulge me in a momentary tangent. How do we know about atomic structure? We can't see protons, neutrons, or electrons. So, we do a bunch of experiments and develop a model for what we think is there. Then we do some more experiments and see if they agree with the model. If they do, great. If they don't, it might be time for a new model. We've had lots of very different models for atoms since Democritus in 400 BC, and there will almost certainly be many more to come. Okay, tangent over. The cores of atoms tend to stick together, but electrons are free to move, and this is why chemists love electrons. If we could marry them, we probably would. But electrons are weird. They appear to behave either as particles, like little baseballs, or as waves, like water waves, depending on the experiment that we perform. One of the weirdest things about electrons is that we can't exactly say where they are. It's not that we don't have the equipment, it's that this uncertainty is part of our model of the electron. So, we can't pinpoint them, fine. But we can say there's a certain probability of finding an electron in a given space around the nucleus. And that means that we can ask the following question: If we drew a shape around the nucleus such that we would be 95% sure of finding a given electron within that shape, what would it look like? Here are a few of these shapes. Chemists call them orbitals, and what each one looks like depends on, among other things, how much energy it has. The more energy an orbital has, the farther most of its density is from the nucleus. By they way, why did we pick 95% and not 100%? Well, that's another quirk of our model of the electron. Past a certain distance from the nucleus, the probability of finding an electron starts to decrease more or less exponentially, which means that while it will approach zero, it'll never actually hit zero. So, in every atom, there is some small, but non-zero, probability that for a very, very short period of time, one of its electrons is at the other end of the known universe. But mostly electrons stay close to their nucleus as clouds of negative charged density that shift and move with time. How electrons from one atom interact with electrons from another determines almost everything. Atoms can give up their electrons, surrendering them to other atoms, or they can share electrons. And the dynamics of this social network are what make chemistry interesting. From plain old rocks to the beautiful complexity of life, the nature of everything we see, hear, smell, taste, touch, and even feel is determined at the atomic level.
Probablemente saben que todas las cosas están hechas de átomos y que un átomo es una partícula muy, muy, muy pequeña. Cada átomo tiene un núcleo, que está hecho de al menos una partícula con carga positiva llamada protón, y en la mayoría de los casos, algún número de partículas con carga neutral llamadas neutrones. Ese núcleo está rodeado por partículas con carga negativa llamadas electrones. La identidad de un átomo se determina solo con el número de protones en su núcleo. El hidrógeno es hidrógeno porque solo tiene un protón, el carbono es carbono porque tiene seis, el oro es oro porque tiene 79, y así sucesivamente. Permítanme tomar una tangente por un momento. ¿Cómo es que conocemos la estructura de los átomos? No podemos ver protones, neutrones ni electrones. Así que, hacemos muchos experimentos y desarrollamos un modelo de lo que creemos que hay ahí. Luego hacemos más experimentos y vemos si concuerdan con el modelo. Si es así, genial. Si no, entonces es momento de crear otro modelo. Hemos tenido muchos modelos diferentes para los átomos desde Demócrito en el año 400 a. C., y habrá seguramente muchos más por venir. Bien, fin de la tangente. Los núcleos de los átomos tienden a permanecer juntos, pero los electrones se mueven libremente, y es por eso que los químicos amamos a los electrones. Si pudiéramos casarnos con ellos, probablemente lo haríamos. Pero los electrones son raros. Parecen comportarse como partículas, como pequeñas pelotas de béisbol, o como ondas, como olas en el agua, dependiendo del experimento que apliquemos. Una de las cosas más raras de los electrones es que no podemos decir exactamente dónde están. No es porque no tenemos el equipo adecuado, sino que esta incertidumbre es parte de nuestro modelo de los electrones. Entonces, no podemos definir su ubicación. Bien. Pero podemos decir que hay cierta probabilidad de encontrar un electrón en cierto lugar alrededor del núcleo. Y eso significa que podemos plantear la siguiente pregunta: Si dibujáramos una figura alrededor del núcleo de modo que estemos un 95 % seguros de encontrar un electrón dentro de esa figura, ¿cómo sería? Estas son algunas de esas figuras. Los químicos las llaman orbitales, y su forma depende de, entre otras cosas, cuánta energía tienen. Entre más energía tenga un orbital, más alejada estará su densidad del núcleo. Por cierto, ¿por qué tomamos 95 % y no el 100 %? Bueno, esa es otra peculiaridad de nuestro modelo del electrón. A partir de cierta distancia del núcleo, la probabilidad de encontrar un electrón comienza a reducirse más o menos exponencialmente, esto significa que aunque se aproxima a cero, nunca será cero, realmente. Entonces, en cada átomo, hay una pequeña, pero no nula, probabilidad de que por un periodo muy, muy corto uno de sus electrones se encuentre en el otro extremo del universo. Pero la mayoría de los electrones se mantienen cerca de su núcleo como nubes de carga negativa que se mueven y cambian con el tiempo. La forma en que los electrones de un átomo interactúan con los electrones de otro determina casi todo. Los átomos pueden ceder electrones, entregándolos a otros átomos, o pueden compartirlos. Y la dinámica de esta red social es lo que hace a la química interesante. Desde simples rocas antiguas hasta la bella complejidad de la vida, la naturaleza de todo lo que vemos, escuchamos, saboreamos, olemos, tocamos, y hasta de lo que sentimos está determinada a nivel atómico.