Consecuencias de diferentes densidades de átomos

El átomo es considerado la unidad más pequeña que constituye la materia y tiene propiedades de un elemento químico. Todas las sustancias sólidas, gaseosas, liquidas y el plasma se forman por cierta cantidad de átomos, que pueden agruparse y organizarse de múltiples formas, dando origen a objetos o seres completamente diferentes. Durante muchos años, se tendía a creer que las propiedades atómicas eran relativamente estables. No obstante, hoy se sabe que pueden variar significativamente, especialmente si hablamos de las densidades de los átomos.

¿Cómo es la estructura de los átomos?

Al pensar en un átomo, tendemos a remitirnos al famoso modelo atómico de Bohr. Sí, aquel que probablemente todos hemos visto alguna vez en un libro de Ciencias o Química. Desarrollado en 1913, este modelo pone los electrones girando en orbitas circulares alrededor del centro del átomo (el núcleo), y ocupando la órbita de menor energía y más próxima posible a este núcleo.

No obstante, en la realidad los átomos ni resultan tan idénticos a aquellas imágenes, ni son todos iguales. Todo lo contrario: existen diferencias notables entre la infinidad de átomos que conforman nuestro planeta y los elementos y seres que lo conforman.

De hecho, hoy la tendencia entre los científicos es entender que la única propiedad invariante de los átomos es el número atómico. Es decir, el número de protones que residen en el núcleo del átomo. Y es precisamente esta propiedad que define un elemento químico, aunque su capacidad de formar enlaces y la reactividad química dependen de los electrones de valencia.

Para entender mejor esta diversidad, debemos enfocarnos en las diferentes densidades de átomos. Y así lo haremos a continuación:

Las diferentes densidades de átomos y sus consecuencias

Antes de nada, necesitamos entender qué es la densidad. Se trata de una propiedad física de la materia que describe lo unidos que están los átomos de un elemento o las moléculas de un compuesto. De esta manera se, expresa el grado de compacidad de una sustancia, donde cuanto más unidas estén las partículas individuales que la conforman, más densa resultará.

Si hablamos propiamente de la densidad atómica absoluta, esta implica tanto la masa del objeto o elemento, como el volumen que ocupa. Para calcularla, se hace la siguiente relación: Densidad atómica = Masa atómica / Volumen atómico. De esta manera, cuando la masa aumenta, la densidad también lo hace; pero, si el volumen aumenta, la densidad tiende a disminuir (excepto que la masa aumente aún más).

¿Qué tipos de densidad existen?

No obstante, existen otros “tipos” de densidad, como la relativa, la media, la puntual y la aparente, que sirven para ayudarnos a comprender la estructura y el comportamiento de los elementos tanto de manera individual, como en relación a otros elementos u objetos. Pero aquí nos enfocaremos únicamente en la densidad absoluta.

Por ejemplo, imaginemos que queremos comparar una tonelada de plumas y una de ladrillos. Ambos pesan exactamente lo mismo (la masa es idéntica = 1000 kg), pero ocupan un espacio completamente distinto, debido a las diferencias de densidades. Una tonelada métrica de ladrillos ocupa alrededor de medio millón de cm3 (al igual que una televisión grande). Mientras una tonelada de plumas ocupa casi cuatro tractores (aprox. 400 millones de cm3).

¿Por qué cambian las densidades de los elementos?

Otro detalle fundamental que debemos tener en cuenta es que la densidad de una sustancia no es fija. Todo lo contrario: puede y suele variar, principalmente en función de las alteraciones de temperatura y presión. Ello es algo relativamente sencillo de observar en los cambios de estado de líquido o solido a gaseoso, por ejemplo, cuando el agua líquida se evapora.

Para acercarnos a una mejor comprensión sobre la naturaleza (que está en constante transformación), las ciencias generaron ciertas reglas y conceptos. En este caso, la regla general dice que, cuando la temperatura aumenta, la densidad disminuye (siempre y cuando la presión permanezca constante). Por otro lado, si se incrementa la presión, la densidad también aumenta (algo muy evidente en los gases).

Elementos gaseosos y sólidos

En líneas generales, los elementos químicos gaseosos en su estado natural tienen densidades mucho más pequeñas que aquellos sólidos. Por ejemplo, el hidrógeno, un gas incoloro, inodoro y no metálico, es el más ligero y de menor densidad de la tabla periódica (aprox. 0,071 g·cm-3 de densidad). Mientras que el platino, un metal precioso de transición, tiene una densidad de 21,45 g·cm-3.

En este sentido, es importante resaltar que las densidades de átomos pueden llegar a variar más que la densidad de la propia Tierra (desde el núcleo hasta la corteza). Veamos el ejemplo del helio… Cuando se calcula por separado las densidades del núcleo y la nube electrónica de este elemento, se obtiene los siguientes resultados: 3,52 x 10-5 y 2×3 1017 kg/m3, respectivamente.

Ello significa que la densidad del núcleo es alrededor de 10²¹ veces mayor que la de su entorno de electrones. Ni siquiera disponemos de referencias en la vida práctica o cotidiana para dimensionar la diferencia entre estas densidades. Pero, para tener una idea, el aire de la estratosfera no tiene una densidad tan pequeña como la nube electrónica. Y solo una estrella de neutrones podría alcanzar una densidad tan elevada como el núcleo de un átomo.