Nunca Has Tocado Nada... ¿o Sí?
Summary
TLDREl script de este video explora la cuestión de si realmente podemos 'tocar' algo, desafiando la noción común de que la repulsión entre electrones impide que los objetos entren en contacto. Se explica que los electrones, siendo partículas cuánticas, no tienen una posición definida y pueden existir en una superposición de estados. Esto lleva a la formación de enlaces químicos a través de orbitales moleculares, donde la superposición cuántica da lugar a la creación de moléculas. Además, se discute cómo las fuerzas de atracción y repulsión entre átomos, incluidos los efectos de la exclusión de Pauli y las fuerzas de London, influyen en la formación de la materia y en nuestras interacciones cotidianas. El video concluye destacando la importancia de la mecánica cuántica en la existencia de la materia y la vida tal como la conocemos.
Takeaways
- 🚫 La repulsión entre electrones no evita que los objetos se toquen, ya que la fuerza eléctrica puede unir más que separar.
- ⚛️ Los electrones son objetos cuánticos y no necesariamente tienen una posición definida, lo que complica la idea de 'tocar'.
- 🔬 La superposición cuántica permite que un electrón esté en múltiples lugares a la vez, afectando la percepción de contacto.
- 🧲 La atracción entre átomos se debe a la indeterminación cuántica y la posibilidad de que los electrones se desplacen entre ellos.
- 💥 La creación de enlaces químicos a través de orbitales moleculares es un fenómeno que emerge de la superposición cuántica.
- ⬇️ La naturaleza tiende a llevar a los sistemas a su estado de energía más bajo, lo que incluye la formación de moléculas.
- 🌌 En el universo, la atracción entre partículas con electrones se une a formar estrellas y galaxias, en lugar de repelerlas.
- 🔊 La vibración de una cuerda y los modos de vibración tienen paralelismos con los orbitales atómicos, proporcionando una analogía para entender la energía.
- 🤲 Al 'tocar' una superficie, en realidad no se están formando enlaces químicos entre los átomos, sino que hay una interacción limitada.
- 🦈 Aunque en teoría podría ser posible 'tocar' a través de la formación de enlaces químicos, como en una solución de piraña, esto tiene consecuencias negativas.
- 🧵 La repulsión entre núcleos se debe a la exclusión de Pauli y la falta de apantallamiento de electrones cuando los orbitales se solaparen.
Q & A
¿Por qué no podemos 'tocar' físicamente los objetos según la repulsión de electrones?
-Según la repulsión de electrones, cuando los electrones de nuestros átomos se acercan demasiado a los de otro objeto, se repelen eléctricamente formando un 'espacio intermedio' impenetrable. Esto es debido a que los electrones tienen la misma carga eléctrica y se repelen entre sí.
¿Cómo es posible que nuestras manos se mantengan unidas si no podemos 'tocar' nada por la repulsión eléctrica?
-La repulsión eléctrica no es la única fuerza en juego. La cuántica nos muestra que las fuerzas eléctricas también pueden transformarse en fuerzas de atracción, uniendo los átomos y permitiendo que nuestras manos se mantengan unidas.
¿Por qué los electrones no tienen todas sus propiedades definidas y cómo esto afecta la idea de 'tocar'?
-Los electrones son objetos cuánticos y no tienen que tener todas sus propiedades definidas, como la posición. Esto significa que pueden no 'estar' en ningún lugar específico o estar en muchos sitios al mismo tiempo debido a la superposición cuántica, lo que hace que la idea intuitiva de 'tocar' no sea aplicable a los electrones.
¿Cómo se forma un enlace químico entre dos átomos?
-Un enlace químico se forma cuando un electrón se deslocaliza y conecta dos núcleos de átomos, enlazándolos. Este proceso se da cuando los orbitales de los electrones de los átomos se solapan y el electrón puede 'saltar' de un núcleo a otro, creando un orbital molecular enlazante.
¿Por qué la naturaleza busca el estado de energía más bajo?
-La naturaleza busca el estado de energía más bajo porque es el estado más estable. Cuando los átomos están en un estado de alta energía, la naturaleza los llevará a un estado de menor energía uniéndolos en una molécula, lo que también se debe a que el orbital enlazante tiene la menor energía.
¿Cómo es posible que los átomos no se toquen cuando forman enlaces químicos?
-Los átomos no 'se tocan' en el sentido tradicional cuando forman enlaces químicos porque no son 'bolitas' con una superficie. Los enlaces químicos se forman a través de la interacción de orbitales y la superposición cuántica, no a través de una interacción física directa de superficies.
¿Por qué los electrones no causan repulsión directa entre los átomos en el nivel cuántico?
-Aunque los electrones tienen una carga negativa y se repelen entre sí, en el nivel cuántico, la indeterminación de los electrones y la posibilidad de que se encuentren en muchos sitios al mismo tiempo, o en la superposición, reduce la probabilidad de que se repelen directamente.
¿Cómo es que los Microscopios de Fuerzas Atómicas miden las fuerzas entre la punta y una muestra?
-Los Microscopios de Fuerzas Atómicas miden las fuerzas entre la punta y una muestra a través de una punta diminuta que se acerca a una muestra a distancias muy cercanas. A medida que la punta se acerca, mide las fuerzas de atracción y repulsión que experimenta, lo que permite obtener imágenes detalladas de la superficie de la muestra.
¿Cuál es la fuente de la repulsión cuando los átomos están en el 'modo contacto' en microscopio de fuerzas atómicas?
-La fuente de la repulsión en el 'modo contacto' es el principio de exclusión de Pauli. Cuando los orbitales de electrones de dos átomos se solaparen demasiado, los electrones, para evitar tener el mismo estado cuántico, se ven obligados a modificar sus orbitales, lo que aumenta su energía y produce una fuerza repulsiva.
¿Por qué los electrones son cruciales tanto para evitar que los átomos se atraviesen como para unirlos en moléculas?
-Los electrones son cruciales porque su indeterminación y superposición cuántica permiten la formación de enlaces químicos al conectar átomos, mientras que su repulsión entre sí evita que los núcleos de átomos se atraviesen, manteniendo la integridad de los objetos.
¿Cómo es que la mecánica cuántica, con sus reglas complejas, da lugar a la existencia de moléculas y la realidad que conocemos?
-La mecánica cuántica, a pesar de sus reglas complejas, proporciona los fundamentos para la formación de moléculas a través de enlaces químicos, que a su vez son esenciales para la existencia de la materia y la realidad en la que vivimos. Esto incluye la capacidad de los seres vivos para mantener su forma y estructura.
Outlines
🤔 La repulsión y atracción en la física cuántica
El primer párrafo explora la noción común de que no es posible tocar físicamente nada debido a la repulsión entre electrones con la misma carga eléctrica. Sin embargo, plantea preguntas sobre cómo, si esto fuera cierto, las manos de una persona pueden mantenerse unidas. Introduce la idea de que la fuerza eléctrica puede unir en lugar de separar y desafía a la IA de Hostinger a crear una página web sobre física cuántica. Finalmente, discute la naturaleza cuántica de los electrones, su superposición y cómo esta puede llevar a la formación de enlaces químicos entre átomos.
🔬 La creación de enlaces químicos a través de la cuántica
El segundo párrafo se enfoca en cómo la superposición cuántica puede resultar en la formación de enlaces químicos, como en el caso de dos átomos de hidrógeno. Describe cómo los electrones pueden 'saltar' entre dos núcleos, creando dos tipos de orbitales moleculares: enlazantes y antienlazantes. Explica que los orbitales enlazantes tienen menor energía y son los que tienden a formar moléculas, mientras que los antienlazantes tienen mayor energía. La sección también discute cómo la naturaleza busca el estado de energía más bajo y cómo esto se relaciona con la formación de enlaces químicos.
🧲 Las fuerzas fundamentales en la interacción atómica
El tercer párrafo profundiza en la interacción entre átomos, destacando la repulsión y atracción que ocurren a diferentes distancias. Explica que a grandes distancias, las fuerzas de atracción y repulsión se cancelan entre sí. Sin embargo, a distancias más cercanas, se produce una atracción debido a las fuerzas de London, que son causadas por la polarización temporal de las moléculas. A menor distancia, la repulsión predomina debido al principio de exclusión de Pauli y la repulsión entre núcleos 'descubiertos'. El párrafo concluye con una reflexión sobre la importancia de la mecánica cuántica en la formación de la realidad que conocemos y en la existencia de la materia.
Mindmap
Keywords
💡Repulsión eléctrica
💡Electrones
💡Átomos
💡Superposición cuántica
💡Orbitales
💡Enlace químico
💡Orbital enlazante
💡Orbital antienlazante
💡Energía
💡Principio de exclusión de Pauli
💡Microscopio de Fuerzas Atómicas (MFA)
Highlights
La repulsión eléctrica entre electrones no es lo que impide que toques cosas, sino un efecto cuántico.
Los electrones no tienen todas sus propiedades definidas y pueden estar en muchos sitios al mismo tiempo debido a la superposición cuántica.
La idea de 'tocar' no es aplicable a los electrones, protones o átomos, ya que no son 'bolitas' con una superficie definida.
Los átomos no se despedazan por la repulsión de los electrones gracias a la cuántica, que transforma lo repulsivo en atractivo.
La formación de enlaces químicos se debe a orbitales moleculares enlazantes, donde el electrón conecta dos núcleos.
La naturaleza busca el estado de energía más bajo, lo que lleva a la formación de moléculas cuando los átomos se encuentran.
La atracción entre átomos se debe a las fuerzas de London, que son causadas por la fluctuación temporal de la carga en las moléculas.
La repulsión entre átomos cercanos es causada por el principio de exclusión de Pauli y la exposición de los núcleos cuando los orbitales se solaparsen.
La mecánica cuántica permite que los electrones, a pesar de su repulsión, unan átomos formando moléculas y estructuras más grandes.
La existencia de moléculas y la estructura de la materia en gran escala se deben a que los orbitales enlazantes tienen menos energía.
La vida y la química depende de la capacidad de los átomos para unirse en moléculas, lo que sería imposible si no fuera por la cuántica.
La cuántica también explica por qué no atraviesas el suelo al caminar: los núcleos se empujan debido a la repulsión cuántica de los electrones.
La atracción y repulsión entre partículas a nivel cuántico son esenciales para entender la estructura y el comportamiento de la materia.
La superposición cuántica y la indeterminación de los electrones son fundamentales para la formación de enlaces y la existencia de la materia.
La mecánica cuántica, con sus reglas aparentemente locas, da lugar a la complejidad y la variedad del universo conocido.
El vídeo ofrece una visión detallada de cómo la cuántica influye en la formación de moléculas y la interacción entre átomos.
Transcripts
Este es un tropo bastante habitual de la divulgación científica: tocar es imposible.
Que cuando vas y entras en contacto con algo, los electrones que forman tus átomos se acercan
demasiado a los electrones del objeto que estás tocando.
Estos se repelen eléctricamente y se forma algo así como un “espacio intermedio”
impenetrable.
Podrás empujar cosas, agujerearlas y cortarlas, que ese espacio siempre estará ahí, impidiendo
que jamás toques nada.
Violines tristes.
Toda esta película ¿qué tiene de verdad?
Parece un argumento bastante sólido: los electrones tienen la misma carga eléctrica
así que, ¿cómo no se van a repeler?
Pero en todo esto hay un problema: si no puedes tocar nada por la repulsión eléctrica, entonces
¿cómo puede tu mano mantenerse unida?
¿no deberían todos tus átomos saltar por los aires por culpa de los electrones?
Extraño.
En este vídeo te contaré cómo este cuentecito es menos inocente de lo que parece, cómo
la fuerza eléctrica más que separarnos nos une y que, si hay algo que de verdad no te
permite tocar, no es la repulsión entre electrones, sino un efecto mucho más cuántico.
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Dicho esto, ¿tocamos o no tocamos?
¿qué pasa aquí?
Bien, lo primero que hay que entender es que los electrones son objetos cuánticos.
No son “bolitas”.
Los electrones no tienen por qué tener todas sus propiedades definidas, como la posición.
Sí, los electrones pueden no “estar” en ningún lado.
O, siguiendo una interpretación, estar ubicados en muchos sitios al mismo tiempo.
Es la famosa superposición.
Y es cuando nosotros forzamos al electrón a tener una posición concreta, cuando se
define como un puntito ubicado en uno de estos lugares.
Aquí encontramos uno de los problemas con lo de “nunca has tocado nada”.
¿Qué significa que un átomo esté tocando a otro?
Tocar es esta idea intuitiva en la que tienes dos cosas, esas cosas tienen una superficie
y un punto de una superficie coincide con un punto de la otra superficie.
O tal vez varios.
Se están tocando.
Esto no es aplicable ni a los electrones, ni a los protones ni a los átomos, porque
ninguno de ellos son bolitas con una superficie.
Cuando tienes la posición indeterminada, “tocar” no tiene mucho sentido.
Por otro lado tenemos el tema de “seguir de una pieza”: ¿cómo es que nuestros átomos
no salen despedidos por la repulsión de los electrones?
He aquí una de las cosas mágicas de la cuántica: transformar lo repulsivo en atractivo.
Vamos a coger dos de los núcleos más sencillos de todos: dos protones; el núcleo del hidrógeno.
Y vamos a coger un simple electrón.
El electrón puede orbitar cualquiera de los núcleos al estilo cuántico, indeterminando
su posición y formando estos bellos patrones: los orbitales (tenemos un vídeo al respecto).
Cuanta más energía tiene el electrón, más complejos son los patrones que surgen.
El más sencillo es este, el de energía más baja.
El orbital S. Recordadlo.
Ahora, si acerco lo suficiente los dos núcleos, el electrón puede empezar a jugar a, digámoslo
así, saltar de un núcleo a otro.
Por supuesto, también al estilo cuántico.
Cuando los físicos estudian con las ecuaciones de la cuántica qué forma y propiedades tiene
este orbital conjunto, se encuentran con algo que me parece superbonito.
Resulta que hay dos formas sencillas: una de ellas es una indeterminación que se concentra
entre los dos núcleos.
Es como si tuviéramos dos orbitales S y los hubiéramos sumado.
La otra es la opuesta.
Lo que habría pasado si los hubiéramos restado, dejando ese espacio en el medio.
Estas formas son muy relevantes.
Porque el electrón que está deslocalizado en el medio está conectando los dos núcleos.
Los está enlazando.
Exacto, esto es un enlace químico y estáis viendo cómo la superposición cuántica ha
dado a luz a una molécula.
Por eso este orbital que engloba dos átomos, es decir este orbital molecular, se llama
orbital enlazante.
En el otro caso pasa lo contrario: el electrón está “evitando” estar en el centro; no
quiere conectar los núcleos.
Es un orbital antienlazante.
Bien, aquí viene uno de mis momentos favoritos de la mecánica cuántica.
Vamos al caso de dos hidrógenos: cuando se calcula la energía del orbital enlazante,
el antienlazante y el caso en el que están los dos átomos por libre, vemos como el enlazante
tiene la menor energía, los átomos por libre están en segundo lugar y el antienlazante
es el que más tiene.
¿Qué quiere decir esto?
Que la naturaleza quiere enlazar.
El Universo quiere llevarte a tu estado de energía más baja.
Si tu le dejas, allí acabarás.
Abre la ventana, coge una pelota y déjala caer.
Está muy alta; está en un estado de muy alta energía (potencial gravitatoria, en
este caso).
Cuesta energía llevar la pelota hasta ahí arriba.
La naturaleza se encargará de deshacer el trabajo, la llevará hasta el suelo donde
se reducirá esa energía.
Coge unos imanes y ponlos cerca.
Están separados, en un estado de alta energía.
Cuesta separar los imanes cuando se atraen.
Sueltalos, y el Universo los pegará solitos, devolviéndolos a un estado de menor energía.
Con estos hidrógenos pasa lo mismo.
Estar cada uno solito es un estado de alta energía.
Si se encuentran, la naturaleza los llevará a un estado de menor energía, uniéndolos
en una molécula.
Y esto no solo pasa con el hidrógeno.
Sucede con montones y montones de elementos.
“Los átomos no se tocan porque los electrones se repelen” ¡JA!
Si estamos aquí todos es porque átomos aún con muchos electrones se ven abocados a unirse.
En las condiciones correctas no hay repulsión, hay atracción.
La cuántica nos da montones de sorpresas, y es todo gracias a que el estado enlazante
es el que menos energía tiene de todos.
Si esto no fuera así los átomos no se combinarían en moléculas.
Simplemente habría átomos sueltos.
El Universo sería una nube con estrellas muy aburrida y los químicos tendrían poco
trabajo que hacer.
Por no decir que no habría químicos.
Ahora, cabe preguntarse ¿por qué?
¿por qué sí existimos?
¿hay alguna justificación para que el orbital enlazante tenga tan poca energía?
He leído de todo.
Por ejemplo, una de corte “clásico”, abandonando un poco la cuántica.
Resulta que estos orbitales tienen paralelismos con las formas de vibrar de una cuerda.
Ya lo vimos en el vídeo que hicimos sobre las notas musicales.
Empiezas a hacer oscilar una cuerda hasta que, a la frecuencia correcta, aparece esta
forma.
Es el primero de sus modos de vibración, que oscila bastante en el medio, justo como
el orbital enlazante.
Si continúas subiendo la frecuencia aparecerá el segundo modo de vibración, que, al contrario
que el anterior, deja quieto el centro, como pasa en el orbital antienlazante.
El primero tiene una frecuencia menor que el segundo.
Y en el mundo cuántico si vibras muy rápido tienes mucha energía, de ahí que el orbital
enlazante se quede como el favorito.
Honestamente, ninguna que haya visto me parece ni rigurosa ni convincente, así que simplemente
besaré a la ecuación de Schrodinger por ser como es y proporcionarnos espectros de
energía consistentes con un universo en el que las moléculas (y por tanto nosotros)
existimos.
Pero volviendo a lo de tocar: podrías decirme que los átomos se “tocan” cuando estos
enlaces se forman.
Al poner tu mano en una pared, tus átomos y los del muro no forman enlaces.
No se unen, por lo que no los estás tocando.
Bueno, medio te puedo comprar la definición, pero, en ese caso, no sería imposible tocar.
Por ejemplo, puedes intentar meter el dedo en un recipiente con solución piraña.
Las moléculas de la solución estarán encantadas de hacer enlaces con los átomos de tu mano,
así que podríamos decir que la están tocando…
Aunque con consecuencias un poco horribles.
Sin embargo esto no contesta a algo: si “no tocar” consistiera en “no reaccionar”,
¿qué impide que los átomos de tu mano y de la pared se atraviesen aunque sea un poco?
¿Es ese espacio intermedio real?
¿Es culpa de la repulsión de los electrones?
Bien, la repulsión sí es real…
Pero no está causada por los electrones, al menos directamente.
Y sí, hay cuántica de por medio.
Los científicos que más notan esta repulsión son los que trabajan con los Microscopios
de Fuerzas Atómicas.
Hablamos de ellos en este vídeo.
Estos aparatos tienen una punta diminuta que es capaz de acercarse a una muestra a distancias
ridículas.
Es justo lo que buscamos: átomos a punto de tocarse.
A medida que se acerca la punta a la muestra mide las fuerzas que siente.
Es así como obtiene estas imágenes tan guapas.
El panorama es algo así:
A grandes distancias no siente nada.
Y es normal, los electrones de la punta, ok, son repelidos por los electrones de la muestra,
pero también son atraídos por los núcleos de la muestra.
Ambas cosas se cancelan y no pasa nada.
Este es el motivo por el que las fuerzas eléctricas no nos fastidian en nuestra vida cotidiana:
iones al margen, los electrones de los átomos apantallan la fuerza eléctrica de los núcleos,
los neutralizan.
Sin embargo, pronto empiezan a pasar cosas raras: lo primero que ocurre no es repulsión…
¡Sino atracción!
¡La punta y la muestra se atraen!
¿Por qué?
Las fuerzas de London.
Veámoslo con estas dos moléculas: los electrones que unen sus átomos están indeterminados
en toda su estructura.
Puede pasar que, en un momento concreto, estos electrones se concentren más en un lado de
la molécula.
Eso quiere decir que esa parte se va a cargar más negativamente que la otra, que por ausencia
de electrones se carga positivamente.
Por supuesto los electrones continúan moviéndose por la molécula y esta situación desaparece.
Pero si, por un casual, las dos moléculas coinciden en este desbalance de cargas ¡ajá!
¡positivas con negativas!
¡Tenemos atracción entre moléculas!
Claro, los electrones se vuelven a redistribuir y las fuerzas desaparecen, pero estos pequeños
tirones, acumulados, hacen su efecto.
A grandes distancias eran inapreciables pero ahora pueden notarse.
Ahora, ¿qué pasa si me sigo acercando?
Aquí comienza la repulsión: rápidamente aparece una fuerza que empuja más y más
fuerte a la punta.
Ojo a este detalle: cuando la punta está en estas distancias repulsivas, en las que
hay que hacer una fuerza externa para no verse empujado, los físicos dicen que están haciendo
microscopía de fuerzas atómicas en “modo contacto”.
Sí, para los físicos estás haciendo “contacto” cuando estás sufriendo esta repulsión.
Aquí va la pregunta de oro: ¿de donde proviene?
Es culpa, sorprendentemente, del principio de exclusión de Pauli.
Mira, cuando los átomos se acercan demasiado, sus orbitales empiezan a solaparse.
Esto disgusta bastante a los electrones: su naturaleza les impide tener el mismo estado
cuántico; dicho mal y obviando detalles, el mismo orbital.
Es una propiedad cuántica.
Luego los electrones, al verse cada vez más cerca, se ven obligados a modificar el orbital
para evitar el solape.
Este cambio cuesta energía (hay que cambiar los electrones de nivel energético), lo que
supone una fuerza en contra.
Pero es que esto tiene otra consecuencia: en esa zona el núcleo se va quedando al descubierto.
Ya no hay apantallamiento, electrones que cancelen su carga, por lo que los dos núcleos,
medio desnudos, se repelen eléctricamente.
¡Aquí está lo que nos impide “tocar”! (aunque según algunos físicos sí estás
tocando)
Muy bien, ¡hagamos un resumen!
“Tocar” es una palabra que en el mundo en miniatura tiene poco sentido.
El motivo por el que no atraviesas el suelo cuando estás de pie o cuando “tocas”
alguien, aun haciendo una fuerza inmensa contra los átomos debajo de ti, es porque sus núcleos
y los tuyos empujan de dirección contraria, gracias a que los electrones se han apartado.
Y se han apartado por su naturaleza cuántica.
Sin embargo en otras ocasiones son los electrones los que unen los átomos, dan lugar a las
moléculas y permiten que el mundo que conocemos exista.
Y todo esto, perdonad que me repita, es posible gracias a la cuántica.
Me maravilla por completo como unas reglas tan locas y alucinantes como son las de la
mecánica cuántica puedan dar lugar con unos pocos elementos a tantas cosas que damos por
sentadas…
entre ellas que podamos sentarnos.
O estar de pie.
O simplemente unidos.
Y ya sabes si quieres más ciencia solo tienes que suscribirte.
Y gracias por vernos.
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