Empecemos por lo básico.
La fórmula química del agua es H2O lo que significa que una molécula está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, formando más o menos una estructura de este estilo.
Hasta ahí bien.
Pero, a nivel atómico, no todo es tan sencillo. Cada átomo está compuesto de tres tipos de partículas: protones, neutrones y electrones. El número de ellos y la proporción de cada uno respecto a los demás, es lo que determina cómo será un elemento químico.
Los protones tienen carga positiva y los electrones negativa, mientras que los neutrones no tienen carga, o es neutra (propuesta para llamarles suizones denegada), tanto da.
Para que un átomo esté en equilibrio, tiene que tener el mismo número de cargas positivas que negativas, es decir, la misma cantidad de protones que de electrones. Lo único que diferencia un elemento de otro, de hecho, es el número de protones que contiene su núcleo.
A primera vista puede parecer que los neutrones carecen de utilidad. Tal vez no deberían existir. Tal vez deberíamos juntarlos todos y prenderles fuego, pero tampoco daría tiempo porque un neutrón aislado apenas dura 15 minutos antes de descomponerse en otras partículas más pequeñas. Pero, bueno, esto no viene el caso.
El agua, con todos sus componentes primarios y siguiendo el esquema de antes, quedaría así (me niego a hacer más círculos con el Paint, así que usaré gatos).
Además de ser necesarios para mantener los núcleos atómicos estables, los neutrones son la causa por la que se forman isótopos de todos los elementos.
Como ya hemos dicho, un elemento químico se caracteriza por el número de protones contiene en el núcleo, eso es inmutable. Pero sí podemos añadir o quitar neutrones de un átomo y seguirá siendo el mismo elemento, aunque sus propiedades cambiarán ligeramente. Es entonces cuando hablamos de isótopos.
Todos hemos oído hablar, por ejemplo, del carbono-14. El carbono tiene 6 protones, y esto es, ha sido y será así para cualquier átomo de carbono en cualquier parte del universo. El «14» que le sigue no es más que el número de partículas que contiene su núcleo (6 protones y 8 neutrones). De la misma manera, existen el carbono 12 y el 13, con seis y siete neutrones. En este caso, decimos que el carbono tiene 3 isótopos estables (porque en realidad existen desde el carbono-8 hasta el carbono-22, pero ninguno de ellos dura demasiado antes de desintegrarse).
Volviendo al agua, los átomos del hidrógeno de los que está constituida son los más simples y abundantes en el universo y se componen de un protón y un electrón. A esta configuración se le llama también protio.
Pero, pese a que esta configuración sea la más común (el 99,98% de la masa total de hidrógeno corresponde a protio), el hidrógeno tiene dos isótopos más: el deuterio y el tritio.
El deuterio tiene en su núcleo un protón y un neutrón, mientras que el tritio tiene un protón y dos neutrones. El tritio nos va a dar bastante igual, ya que es radiactivo y se usa sólo en la industria del armamento nuclear.
Volviendo al deuterio.
Pese a tener una partícula compañera en su núcleo, sus propiedades no varían mucho respecto al hidrógeno normal. La diferencia más notable es que pesa el doble que el hidrógeno corriente, ya que el centro ya no está ocupado por una sola partícula, sino por dos.
El deuterio no tiene ningún problema en enlazarse con oxígeno para formar moléculas de D2O igual que el hidrógeno común forma H2O El D2O tiene el mismo aspecto que el agua corriente, pero una masa un 11% mayor que ésta. De ahí que nos refiramos a ello como agua pesada.
Un efecto curioso que produce este hecho, es que el hielo de agua pesada se hunde en agua normal en estado líquido, como aparece en este vídeo a partir del minuto 6:02.
El color anaranjado (o rosáceo, o lo que cada uno vea) del hielo se debe a que han mezclado una pequeña cantidad de tinte con el agua pesada para poder distinguir bien el experimento.
Luego, ocurre algo curioso: a medida que se funde, el hielo de agua pesada empieza a flotar. El señor del pelo afro canoso dice que esto es porque el hielo pesado se funde a una temperatura ligeramente menor que el agua corriente, así que ésta se vuelve a congelar sobre la superficie del hielo, bajando su densidad total. Pero hay algo que no menciona (y varios comentarios de Youtube parecen concordar conmigo): también contribuye a este fenómeno el hecho de que, al fundirse el hielo, el agua pesada se mezcla con el agua corriente y aumenta la densidad de la mezcla.
Pero bueno, sigamos con el tema que nos concierne a todos.
No se sabe mucho sobre los efectos nocivos sobre la salud del agua pesada.
Teniendo en cuenta que, de manera natural, uno de cada 7.000 átomos de hidrógeno es deuterio, y que el cuerpo humano cuenta con un 75% de agua, lo más probable es que ya tengas de 6 a 8 gramos de agua pesada corriendo por tus venas.
En esas cantidades no debe ser peligroso, porque entonces estaríamos todos muertos.
Lo que sí sabemos es que los enlaces que se forman entre el deuterio y el oxígeno en el D2O son un poco más fuertes que los del H2O.
También sabemos que muchos procesos químicos que nos mantienen vivos requieren de la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno. Al necesitar más energía para romper las moléculas de D2O, estos procesos podrían ralentizarse o detenerse por completo, matándonos de alguna manera.
Oye, pero no me ha quedado una cosa clara del todo… Si el deuterio pesa el doble que el hidrógeno, ¿Cómo es que el agua pesada sólo pesa un 11% más que el agua normal? ¿No debería pesar también el doble?
El hidrógeno es sólo uno de los componentes del agua. Una molécula de H2O consiste en dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, mucho más pesado. Como protones y neutrones tienen masas muy parecidas, y los electrones pesan tan poco que se pueden despreciar, tomemos la masa de una partícula como 1.
El oxígeno tiene en su núcleo 8 protones y 8 neutrones, lo que le da una masa de 16 que, sumada a la masa de los dos átomos de hidrógeno, nos da una masa total de 18 para la molécula de agua.
En el caso del deuterio, el número total de partículas en la molécula ascendería a 20 al haber dos neutrones nuevos en el sistema. Podemos compararlo (más o menos) aquí.
Por tanto el agua pesada (con 20 partículas) será un 11.11% más masiva que el agua corriente (con 18 partículas). Locos del 11:11, manifestaos.
Y ahora, un breve mensaje publicitario.
Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, «Las 4 fuerzas que rigen el universo«, donde hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro «viejo» («El universo en una taza de café«) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂
26 comments
Buena espliplicacion, saco varias cosas en conclusión y ademas creo haber entendido la relacion y diferencia de los isotopos con los atomos (les llamare matriz) gracias por hacerme ver una gota de agua tan diferente
Jájajajajajajajajaj me reí demasiado con las gráficas de los gatitos. Eres un genio.
Nunca le entendí bien a los isotopos, los profes me los explicaban de una manera muy confusa y aquí los pude comprender de inmediato. Gracias! Excelente creatividad con los gatos 😀
Un post muy interesante, aunque he detectado un pequeño error. Dices que el carbono 12 y 13 son átomos con 12 y 13 neutrones. En realidad, el carbono 12 tiene 6 protones y 6 neutrones y el carbono 13, 6 protones y 7 neutrones. Saludos y enhorabuena por la página, que sigo asiduamente.
Corregido, toda la razón, no sé qué lío raro monté ahí con los números. Muchas gracias 😉
Eres un crack, por tu manera de simplificar cosas complicadas de explicar y además con un toque de humor, espero que no te canses y dures muuucho tiempo haciendo esto, y que lo disfrutes, yo no me canso de leerte.
Por comentarios como este, duraré un poco más jajaja Muchas gracias.
Super interesante, que buena manera de explicar y muy buena idea lo de los gatitos.
Hace poco (como una semana) que di con tu blog , ahora cada dia le echo un ojo y encuentro cosas interesantes y explicadas muy correctamente para mi que no pase de secundaria , siempre que tenia una duda acudia a wikipedia…. para datos concretos esta muy bien pero para aprender algo de ciencia un poco pesado.Tu blog a pasado a favoritos y ahora lo recomindo a todo el que creo que le puede interesar , ademas de ser lectura diaria casi obligatoria para mi.
Gracias Jordi .
Hace casi un año que sigo tu blog y no me canso de leerlo, cada tema más interesante que el anterior. Sin duda me encanta cómo mantienes la atención en los artículos largos con la difícil relación que mantienes con la voz cursiva que ilustra lo que muchos a veces pensamos, pero en este artículo, ese momento en el que has decidido no dibujar más círculos y representar los átomos con gatos, eso ya ha sido simplemente maravilloso. No cambies tu forma de contar las cosas, de representarlas y mucho menos de compartirlas con todos nosotros.
Gracias Jordi!
Hola! Excelente tu blog y las explicaciones que das de los temas! Aprendí más química leyendo tus notas que lo que me enseñaron en todos los años del secundario.. incluso ayer en la clase de Química de la universidad, mientras el profesor explicaba «Isótopos» con el clásico ejemplo del Carbono, le pregunté sobre los isótopos del Hidrógeno y de cómo los científicos intentan averigüar de dónde salió toda el agua del planeta comparando las proporciones de Deuterio del planeta con la de otros cuerpos celestes y el animal de mi profesor, poniendo cara de «Dios mío, dónde me escondo?» me dijo que no tenía idea de lo que le estaba hablando… si… ese tipo es el que me va a calificar el día de mañana para decidir si sé o no sé química… un horror.. podrías explayarte más en este tema? Soy estudiante de Geología y me apacionan estas cosas!
Planteo la siguiente hipótesis: Las aguas pesadas son nocivas para la salud, porque el organismo hace más esfuerzo para liberar oxígeno, gasta más energía y las células se deterioran. Cada deterioro celular produce una reacción del cuerpo generando en él la necesidad de duplicar su número, de donde aparece el cancer, que no es más que una invasión celular desordenada.
podrías documentar lo expuesto?.. alguna pagina, link. nature science…etc
Mames!!! esto mantenerme pensando y reflexionando como si estuviese en mi clase de química hace 6 años…. la diferencia es que yo no le entendía a esto de los isotopos.
Muy buenas observaciones, interesante experimento.
Podría existir una molecula de HDO (que combine un atomo de deuterio y otro de hidrogeno normal)?
¿Lo de los isótopos se puede aplicar a las moléculas? el H2O por ejemplo tendría dos protones mas que neutrones en su conjunto¿ Esto le da alguna propiedad espècial?
Muy chevere esta explicacion, gracias. Una pergunta porque existen los isotopos?
Me encantó, gracias (:
En la parte que dices «en este caso, decimos que el carbono tiene 3 isótopos estables» no explicas a que se debe. Llevo un rato dándole vueltas y no entiendo que es lo que provoca la aparición de isótopos. La base está clara, se generan por la alteración del átomo al añadirse o retirarse neutrones.
No me queda claro como se forma un isótopo. ¿Podrías explicármelo?
Gracias, magnifica didáctica forma de enseñar.
Alguien sabe por qué el agua se ase pesada en el experimento de el limón con sal
interesante articulo, pregunta: por qué una cantidad muy elevada de agua pesada es letal para los animales y las plantas, pero cuando se cultivan con agua muy pobre en deuterio, crecen mas despacio??
en qué afecta exactamente a los organismos vivos el agua pesada??
Aun no tengo la respuesta que yo quería? Como coño la puedo obtener, de todos modos muy buen blog.
[…] isótopos de uranio, como son el uranio-235 y el uranio-238, así como también la producción de agua pesada. Realizó importantes aportes para el desarrollo de la bomba de hidrógeno y dentro del grupo de […]
Divertido, educativo, original. Excelente, Gracias 😉