Las cargas eléctricas (I): el inquieto electrón

¿Alguna vez has querido saber qué es exactamente la electricidad? ¿Te quedabas con cara de tonto cuando en el instituto te hablaban de cationes, aniones y demás familia? ¿Te gustaría aprender pequeños “trucos de magia electrostática” con los que entretener a los más pequeños? Si al menos has respondido que sí a un par de estas preguntas, sigue leyendo y espero poder satisfacer tu curiosidad.

En esta primera entrega me centraré en explicar algunos de los conceptos teóricos que necesitamos conocer para poder seguir, sin que algún lector se nos pierda por el camino. Además, en esta pequeña serie de entradas explicaré sobre todo lo que es la electricidad estática, no la corriente eléctrica. Eso lo dejaré bien para futuras entregas, bien para que alguno de mis compañeros tome el relevo y nos explique tan misterioso e importante fenómeno.

¿Y por dónde comenzar? Está clarísimo. Necesariamente, siempre que se intenta explicar algo relacionado con la electricidad, hemos de hablar de nuestros amigos los electrones. Y para ello, debemos presentar en primer lugar al átomo y sus diversas partes.

La palabra átomo la creó Demócrito (s. IV a. C.) a partir de a (sin) y tomo (divisible), indicando que era la porción más pequeña de materia que podíamos encontrar en la naturaleza, a partir de la cual se construía toda nuestra realidad. Fun facts acerca de Demócrito: se le llama «el filósofo que ríe» debido a que las anécdotas sobre él le otorgan un carácter risueño y alegre. Suyas al parecer son tanto frases como «Los principios de todas las cosas son los átomos y el vacuo» como «La vida sin fiestas es como un largo camino sin posadas». 

Este concepto del átomo como una especie de pieza de Lego con la que construir la realidad es realmente revolucionario, ya que intuitivamente, para nosotros todo es divisible. Siempre hay un trozo más pequeño que obtener, y aun hoy en día si preguntas a una clase entera de 3º de ESO si se puede dividir un trozo de papel, infinitamente, en trozos cada vez más pequeños, el único inconveniente que encontrarán para decir que sí, es la imposibilidad de conseguir herramientas lo suficientemente pequeñas, a pesar de que todos han escuchado hablar de los átomos en algún momento. Es una idea contraintuitiva y que sin embargo nos permite explicar muchos de los fenómenos químicos tan tan bien.

Durante mucho tiempo se creyó en la indivisibilidad del átomo, pero hoy en día sabemos que esto es mentira. No voy a entrar en cómo lo descubrió el ser humano, daría para una entrada entera. Basta con que nos quedemos en el momento en el que el hombre supo que un átomo estaba formado por un núcleo mucho más pequeño que el tamaño total del átomo, donde se encontraban los protones (partículas con masa y carga positiva) y los neutrones (partículas con masa y sin carga eléctrica). Alrededor de este núcleo se encontraba la corteza, prácticamente vacía, salvo por unos cuantos electrones (partículas prácticamente sin masa, comparadas con protones y neutrones y con carga negativa) dando vueltas alrededor del núcleo. En concreto, el electrón es unas 1800 veces menos pesado que el protón o el neutrón (cuyas masas son casi idénticas).

Como curiosidad, si aumentáramos un átomo hasta que tuviera el tamaño de un campo de fútbol, el núcleo sería una canica. Y los electrones incluso más pequeños que simples hormiguitas (más parecidas a la Hormiga Atómica por la velocidad a la que tendrían que ir) moviéndose sin parar alrededor de esta canica. De esta forma podemos apreciar mejor que el campo de fútbol (nuestro átomo) está prácticamente compuesto de… vacío. Otra idea que choca frontalmente con nuestra concepción intuitiva de la realidad. Las cosas que vemos son sólidas, cuesta imaginar que realmente casi todo es… nada. 

No os asustéis, poco más os voy a hablar de la Teoría del Átomo y ni siquiera me acercaré a las modernas teorías, ya que hoy en día sabemos que la realidad es bastante más compleja que esto. Pero para explicar los fenómenos electrostáticos es más que suficiente. A lo dicho, le añadiremos que los electrones (comúnmente representados por e^–) pueden pasar de un átomo a otro, pero no los protones ni los neutrones, ya que al encontrarse en el núcleo no pueden salir de éste. ¡Ah! Y que la carga del electrón y el protón es la misma (mismo valor, pero de signos contrarios). Así que en un átomo neutro (esto es, sin carga eléctrica neta) el número de electrones es siempre igual al número de protones. Si el átomo pierde o gana electrones es entonces cuando queda cargado positiva o negativamente, y en ese caso se convierte en lo que llamamos un ion: catión cuando pierde electrones y tiene carga positiva; y anión cuando gana electrones y tiene, por lo tanto, carga negativa. Esto se conoce como “ionización” y se dice que el átomo se ha ionizado. Curiosamente, ion en griego significa “el que va”. Anión significa “el que va hacia abajo” y catión “el que va hacia arriba”.

Repitamos esto más despacio y pongamos un par de ejemplos. Si yo tengo un átomo, pongamos el Litio (Li), que tiene 3 protones dentro del núcleo, entonces tendrá también 3 electrones en su corteza. Y esto es así para todos los átomos de Litio de la naturaleza, lo único que puede variar es el número de neutrones (los átomos con mismo número de protones y distinto número de neutrones se llaman isótopos; seguro que os suena este nombre de cierta conocida serie de dibujos). Así que tenemos 3 cargas positivas y 3 negativas: +3 -3 = 0, es decir, tiene carga neutra (carga neta cero).

Si ahora el litio pierde al menos uno de estos electrones, habrá más protones (cargas positivas) que electrones (cargas negativas), quedando cargado positivamente y formándose así el catión litio (+3 -2 = +1). Sin embargo, si ganara al menos un electrón (algo que para el litio es altamente improbable por razones que no vienen al caso) pasaría a tener más electrones que protones, quedándose con una carga neta total negativa, y formándose así un anión (+3 – 4 = -1). Los aniones suelen llamarse con el nombre del elemento acabado en -uro, mientras que los cationes suelen mantener el nombre del elemento. Ejemplos: catión litio, catión sodio, catión calcio, anión cloruro, anión fluoruro, etc. De esta forma vemos que podemos explicar la ionización exclusivamente mediante el movimiento (intercambio) de electrones. El resto de componentes del átomo no intervienen. Razón por la que nos centraremos en estos pequeños amiguitos tan veloces.

Resumiendo: el electrón, descubierto en 1897 por J. J. Thomson, no tiene prácticamente masa, constituye la unidad fundamental de carga (aunque hoy en día sabemos que la carga de los quarks sería todavía más pequeña que la del electrón), y de las dos caras que presenta la carga eléctrica, a la suya se nos dio por llamarla la carga “negativa”. Se mueve a gran velocidad alrededor del núcleo atómico y puede salir de la corteza de un átomo e ir a parar a la de otro (en determinadas circunstancias).

Tomaremos un desvío, antes de terminar, para hablar brevemente del plasma, ya que está relacionado con la ionización, y todos hemos escuchado hablar de este cuarto estado de la materia (sí, hay más estados que los típicos sólido, líquido y gaseoso que estamos acostumbrados a ver y estudiar). Y aunque en “nuestra naturaleza” no lo solamos ver, es en realidad el estado más abundante en el que se encuentra la materia, si miramos hacia el espacio. Podríamos describirlo de una manera sencilla y muy resumida como una especie de fluido gaseoso en el que los átomos del gas están ionizados, dándole unas características muy peculiares. Las famosas bolas de plasma realmente generan plasma en su interior. No nos están engañando con un nombre rimbombante pero falso al vendérnoslas. También podemos encontrar plasma en tubos fluorescentes, pantallas de plasma, etc. Por cierto, ya que estamos, si tenéis alguna lámpara de estas en casa, no situéis aparatos electrónicos cerca, ni la tengáis encendida demasiado tiempo.

Ahora que ya conocemos las partes fundamentales del átomo, cómo es un electrón y qué son los iones, os invito a continuar la lectura en la próxima entrega Las cargas eléctricas (II): no me toques que echo chispas, próximamente en su pantalla amiga.

Siguientes entregas aquí y aquí.

Todas las imágenes (salvo la primera donde se indica la fuente pinchando en la propia imagen) han sido obtenidas de la Wikipedia.

María Diz

Hablando de Ciencia