La energía de los electrones depende de sus posiciones
El átomo de carbono del dióxido de carbono se compone de un núcleo con seis protones (siempre) y seis neutrones (en la mayoría de los casos) y alrededor de este núcleo hay las capas de seis electrones (siempre). Los átomos en la forma oxidada y en la forma reducida tienen exactamente la misma composición. Sin embargo, hay una diferencia enorme entre sus estados energéticos. La explicación de esta diferencia la hallaremos en las posiciones de los electrones.
Las diferentes capas están numeradas. La capa más profunda tiene el número 1, la próxima, el 2, y así sucesivamente. Las capas tienen posibilidad de variación, siendo creciente la cifra de posibles variaciones en función del número de posición de la capa. La primera capa tiene solo una variedad, en la segunda capa hay cuatro variedades, en la tercera, nueve variedades. Cada variedad en cada capa define un orbital.
Los electrones prefieren agruparse por pares
Los electrones están cargados negativamente y las cargas iguales se repelen. Si imaginamos la construcción de elementos, uno tras otro, agregando cada vez un protón y un electrón, los electrones, al inicio, van a ubicarse uno lejos del otro.
Pero los electrones no solo tienen carga, sino que también tienen otra característica que lo cambia todo: el espín, que puede presentarse en dos direcciones diferentes, hacia arriba y hacia abajo. Estas dos direcciones se atraen la una a la otra y por eso los electrones se ubican en pares de electrones.
En la construcción imaginaria de los elementos paso a paso, los orbitales con la misma energía primero se llenan con electrones individuales. Acto seguido, los electrones “recién llegados” van a colocarse en pares, donde estos dos electrones tendrán su espín opuesto.
Cada orbital solo puede acoger un par de electrones. La primera capa con su único orbital, por tanto, puede acoger solo un par de electrones, es decir, 2 electrones en total. La segunda capa con sus cuatro orbitales, puede hacerse cargo de cuatro pares de electrones, por lo que tendrá 8 electrones en total, y así sucesivamente. Los elementos que constituyen la mayor parte de las moléculas en nuestro cuerpo no contienen más electrones de los que caben en las dos primeras capas.
Una vez emparejado un electrón con otro electrón de espín opuesto, los dos permanecen estables, sin querer “hacerse” con otros electrones. Por esta razón, los electrones que forman cada pareja quieren ubicarse lo más lejos posible el uno del otro.
Cuando los átomos se unen a moléculas, los electrones se resitúan
Los átomos pueden conseguir ubicar sus electrones en estados energéticos más bajos, al coordinarlos con electrones de otros átomos. De esta manera, se producen las moléculas. Alrededor del núcleo de una molécula, se origina también un sistema de orbitales poblado de pares de electrones según, más o menos, los mismos principios que en el caso de los átomos. Pares de electrones en algunos de los orbitales de la molécula aglutinan la molécula como pares de electrones enlazantes que forman enlaces químicos.
Sin embargo, en las moléculas construidas desde los propios átomos puede producirse una cierta diferencia entre las ganancias que los átomos han obtenido al convertirse en compuestos. Esto tiene que ver con las distintas posibilidades que los electrones tienen para reorganizarse en los orbitales de las moléculas.
Entonces, los pares de electrones enlazantes dentro de la molécula desempeñan el papel de aglutinante entre los átomos que forman la molécula. También la distinta organización de los pares de electrones que se enlazan a las diferentes moléculas explica mucho de las variaciones del contenido energético. Por ejemplo, entre el dióxido de carbono y los carbohidratos.
El oxígeno tiene ansia de electrones
El oxígeno tiene una fuerte tendencia a atraer los electrones exteriores de otros átomos. Un par de electrones compartidos por un átomo de carbono y otro de oxígeno se encuentran más cerca del núcleo del oxígeno que del núcleo del carbono. La explicación de este comportamiento del oxígeno es sencilla: el átomo del oxígeno tiene 8 protones en su núcleo (cargados positivamente) que arrastran con mucha más fuerza al par de electrones enlazados que los 6 protones del núcleo del carbono. Un equipo formado por ocho personas en el juego de tirar de la cuerda ganará a otro compuesto por seis miembros, si todos los participantes tienen aproximadamente la misma fuerza. El oxígeno va a ganar al carbono en la competición (¡injusta!) por apoderarse del par de electrones enlazados. Por eso, los electrones que comparten el oxígeno y el carbono son atraídos con mayor intensidad hacia el oxígeno y van a encontrarse más cerca de su núcleo.
Lo que ha pasado con los electrones durante el cambio de átomos libres de carbono y oxígeno puede compararse con lo que ocurre con una piedra que rueda montaña abajo. En los dos casos, se ha alcanzado un estado de energía más bajo. La piedra que rueda montaña abajo pierde energía potencial almacenada a medida que se acerca al centro de la Tierra. Para conseguir que la piedra vuelva arriba hay que añadir energía para trasladarla o empujarla. Para que los electrones del carbono que han sido fuertemente arrastrados hacia el núcleo del oxígeno retornen hay que aplicar, igualmente, energía. Las plantas verdes utilizan energía solar para arrancar los electrones del carbono de las garras del oxígeno.
Los pares de electrones quieren alejarse el uno del otro y forman tetraedros
Los pares de electrones en las moléculas trazan una disposición para situarse lo más lejos posible el uno del otro. Que sean precisamente pares de electrones los que forman la geometría alrededor de los átomos en las moléculas tiene una importancia enorme para las características de los bloques de construcción de la vida.
Las moléculas constituidas por carbono y oxígeno no tienen más orbitales que se defiendan con cuatro pares de electrones en la segunda capa alrededor de cada núcleo de oxígeno y carbono. Como cuatro pares de electrones van a encontrarse lo más lejos posible los unos de los otros, una formación geométrica con cuatro esquinas será el patrón común para la organización espacial de los átomos en carbohidratos, grasas y proteínas. La estructura geométrica simétrica de cuatro esquinas se denomina tetraedro; es por ello que los enlaces alrededor del oxígeno y el carbono a menudo se hallan en una formación tetraédrica. A partir de esta regla general de formación tetraédrica, se observa si el carbono o el oxígeno forman un enlace doble, es decir, un enlace con dos pares de electrones.
Enlaces de pares de electrones unen átomos a moléculas
La mayor parte de las sustancias que aparecen en el estudio de los procesos de nutrición y entrenamiento consisten más bien en moléculas que en átomos individuales. Además, muchas de estas moléculas son muy grandes; pueden estar constituidas por cientos y miles de átomos. Y cuando se trata de las moléculas más grandes ya es una cuestión de cientos de miles de átomos enlazados por pares de electrones.
En un enlace entre dos átomos del mismo elemento, los dos núcleos emplean la misma atracción sobre el par de electrones que están enlazando y este par de electrones va a encontrarse exactamente a la mitad de la distancia entre los núcleos. Esto se puede observar en los pares de electrones que conectan los carbonos en las cadenas de carbono de las grasas y los hidratos de carbono.
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