MUCHOS ÁTOMOS Y MOLÉCULAS por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

Podemos tener la impresión de que vivimos en un mundo cambiante, en cierta medida caótico, que nos sorprende sin cesar y que vamos comprendiendo muy lentamente. Incluso volvemos a cosas ya explicadas aplicando nuevas ideas que parece que se ajustan mejor a los hechos. Si algo parece que nos deja boquiabiertos es la diversidad. A poco que analicemos las cosas, reparamos el gran número de combinaciones que pueden formarse con los mismos átomos variando el número de los que intervienen y las formas en que los combinamos. La cuestión es si se trata de un número infinito de combinaciones o si existen reglas y patrones que limitan el resultado.

La primera consideración que debemos hacer es sobre el concepto de cantidad química. El antecedente de este pensamiento fue Avogadro. Perrin lo definió como el número de átomos contenidos en un mol de hidrógeno. Después se redefinió como el número de átomos que hay en 12 gramos del isótopo de carbono-12 y después se generalizó a los demás elementos y moléculas incluyendo sus pesos moleculares. Se adoptó como Constante de Avogadro cuando se introdujo el concepto de mol como unidad de referencia. En el Sistema internacional, que incorpora como unidad básica la cantidad de sustancia, la Constante de Avogadro tiene unidades de mol-1.

La idea de la Constante de Avogadro proviene de que en 1811, Avogadro propuso una concepto revolucionario para comprender los procesos que acontecen en los gases: el volumen de un gas, a una presión y temperatura concretas, no depende de la sustancia que lo constituye, solamente es proporcional al número de unidades de ellos, independientemente de su naturaleza. Todas las sustancias tienen el mismo número de átomos o moléculas con tal que la presión y temperatura sean las más mismas. Perrin propuso dar el nombre de Avogadro a esta constante y recibió el Nobel en 1926, principalmente por los trabajos de determinación del valor de la constante de Avogadro. Loschmidt fue el primero en efectuar en 1865, una estimación del diámetro medio de las moléculas en el aire, algo así como calculando el número de partículas que puede contener un volumen determinado de un gas, es decir la densidad del gas, que es proporcional a la constante de Avogadro.

No fue fácil aceptar la hipótesis de Avogadro ya que, según él, dos volúmenes de hidrógeno se combinan con un volumen de oxígeno, para dar solamente dos volúmenes de agua. Aquí está contenido el concepto de molécula como el agregado de átomos, iguales o distintos, con existencia independiente que conservan las propiedades del conjunto. Los átomos, por tanto, no tienen por qué tener existencia separada individualmente. La Constante de Avogadro es espectacular: 6.023 x 1023 moléculas/mol. Veamos la incidencia que tiene. Supongamos que el número de átomos total es constante (salvo en las modificaciones que suponen las reacciones moleculares) En un mol de agua, 18 gramos, hay el número de Avogadro de moléculas de agua: 6.023 x 1023 moléculas mol-1. Si suponemos la densidad en la unidad, en un litro de agua tendremos 1000gr/18gr/mol x 6.023 x 1023 moléculas/mol es decir, del orden de 1026 moléculas. Los átomos principales incorporadas en el cuerpo humano son: oxígeno, 65%; carbono, 19%; hidrógeno, 10%; nitrógeno, 3.2%; calcio, 1,38%; fósforo, 0,64%; potasio, 0,22% y cloro, 0,28%. Ahora bien, molecularmente el agua es el compuesto más abundante, alcanzando hasta un 75% en el nacimiento y se mantiene en torno a un 60% en forma adulta. Casi el 60% es celular y el resto se encuentra en la sangre. Un cuerpo humano de 75 kilogramos, solamente considerando las moléculas de agua, contendrían 0.6 x 75.000/18 mol x 6.023 x 1023 moléculas/mol, es decir del orden de 1028 Si consideramos el carbono que es el siguiente más numeroso: 0.2 x 75.000/12 mol x 6.023 x 1023, es decir del orden de 1026 más. El orden, por tanto, se mantiene en 1028 moléculas en el cuerpo humano. Todas las moléculas contenidas en seres humanos alcanzan la cifra de 1038 moléculas. Como la Tierra tiene una masa de 5. 972 x 1024 kilogramos. La composición de la Tierra es: hierro, 34.6%; oxígeno, 29.54%, silicio, 15.2%; magnesio, 12,7%; níquel, 2,4%; azufre, 1.9% y Titanio, 0.05%. El agua cubre un 71% de la superficie (97% de agua salada y 3% de agua dulce). La masa de la hidrosfera es de 1.4 x 1023 kg. El “mol de Tierra” se puede establecer en 38 gr. Así pues, el número de “átomos” y/o “moléculas” que hay en la Tierra es del orden de 5. 972 x 1027 gr / 38 gr/mol x 6.023 1023 = 1050 átomos. Número realmente espectacular.