lunes, 6 de septiembre de 2010

MODELOS ATOMICOS

Modelo atómico de Dalton


Varios átomos y moléculas representados en A New System of Chemical Philosophy (1808) de John Dalton.El modelo atómico de Dalton, surgido en el contexto de la química, fue el primer modelo atómico con bases científicas, fue formulado en 1808 por John Dalton. El siguiente modelo fue el Modelo atómico de Thomson



Éxitos del modelo

El modelo atómico de Dalton explicaba por qué las sustancias se combinaban químicamente entre sí sólo en ciertas proporciones.

Además el modelo aclaraba que aún existiendo una gran variedad de sustancias diferentes, estas podían ser explicadas en términos de una cantidad más bien pequeña de constituyentes elementales o elementos.

En esencia, el modelo explicaba la mayor parte de la química orgánica del siglo XIX, reduciendo una serie de hechos complejos a una teoría combinatoria realmente simple.

 Postulados de Dalton

Dalton explicó su teoría formulando una serie de enunciados simples:



1.La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir.

2.Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos de los diferentes elementos tienen pesos diferentes.

3.Los átomos permanecen sin división, aún cuando se combinen en las reacciones químicas.

4.Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.

5.Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.

6.Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos.
Modelo Atomico De Dalton

Modelo atómico de Thomson


Representación esquemática del modelo de Thompson.El modelo atómico de Thomson, también conocido como el "budin de pasas", es una teoría sobre la estructura atómica propuesta en 1904 por Joseph John Thomson, descubridor del electrón[1] en 1897, mucho antes del descubrimiento del protón y del neutrón. En dicho modelo, el átomo está compuesto por electrones de carga negativa en un átomo positivo, como pasas en un budín. Se pensaba que los electrones se distribuían uniformemente alrededor del átomo. En otras ocasiones, en lugar de una sopa de carga positiva se postulaba con una nube de carga positiva. En 1906 Thomson recibió el premio Nobel de Física por sus investigaciones en la conducción eléctrica en gases.



El átomo no deja de ser un sistema material que contiene una cierta cantidad de energía externa. Ésta provoca un cierto grado de atracción de los electrones contenidos en la estructura atómica. Desde este punto de vista, puede interpretarse que el modelo atómico de Thomson es un modelo actual como consecuencia de la elasticidad de los electrones en el coseno de la citada estructura.



Si hacemos una interpretación del modelo atómico desde un punto de vista más microscópico, puede definirse una estructura abierta para el mismo, dado que los protones se encuentran inmersos y sumergidos en el seno de la masa que define la carga neutra del átomo.



Dicho modelo fue rebatido tras el experimento de Rutherford, cuando se descubrió el núcleo del átomo. El modelo siguiente fue el modelo atómico de Rutherford


Modelo Atomico De Thomson
Modelo atómico de Rutherford


Modelo de un átomo de Rutherford.El modelo atómico de Rutherford es un modelo atómico o teoría sobre la estructura interna del átomo propuesto por el químico y físico británico-neozelandés Ernest Rutherford para explicar los resultados de su "experimento de la lámina de oro", realizado en 1911.





Introducción

Antes de la propuesta de Rutherford,los físicos aceptaban que las cargas eléctricas en el átomo tenían una distribución más o menos uniforme. Rutherford trató de ver cómo era la dispersión de partículas alfa por parte de los átomos de una lámina de oro muy delgada. Los ángulos deflactados por las partículas supuestamente aportarían información sobre cómo era la distribución de carga en los átomos. En concreto, era de esperar que si las cargas estaban distribuidas acordemente al modelo de Thomson la mayoría de las partículas atravesarían la delgada lámina sufriendo sólo ligerísimas deflacciones en su trayectoria aproximadamente recta. Aunque esto era cierto para la mayoría de partículas alfa, un número importante de estas sufrían deflexiones de cerca de 180º, es decir, prácticamente salían rebotadas en dirección opuesta a la incidente.



Rutherford apreció que esta fracción de partículas rebotadas en dirección opuesta podía ser explicada si se asumía que existían fuertes concentraciones de cargas positivas en el átomo. La mecánica newtoniana en conjunción con la ley de Coulomb predice que el ángulo de deflexión de una partícula alfa relativamente ligera, por parte de un átomo de oro más pesado depende del parámetro de impacto o distancia a la que la partícula alfa pasaba del núcleo:[1]



(1)

Donde:



, siendo la constante dieléctrica del vacío y ,

es la carga eléctrica del centro dispersor. , es la energía cinética inicial de la partícula alfa incidente.

es el parámetro de impacto.

Dado que Rutherford observó una fracción apreciable de partículas "rebotadas" para las cuales el ángulo de deflexión es cercano a χ ≈ π, de la relación inversa a (1) que es:



(2)

Se deduce que el parámetro de impacto debe ser bastante menor que el radio atómico. De hecho el parámetro de impacto necesario para obtener una fracción apreciable de partículas "rebotadas" sirvió para hacer una estimación del tamaño del núcleo atómico, que resulta ser unas cien mil veces más pequeño que el diámetro atómico.



Importancia del modelo

La importancia del modelo de Rutherford no residió en proponer la existencia de un núcleo en el átomo. Término que, paradójicamente, no aparece en sus escritos. Lo que Rutherford consideró esencial, para explicar los resultados experimentales, fue "una concentración de carga" en el centro del átomo, ya que si no, no podía explicarse que algunas partículas fueran rebotadas en dirección casi opuesta a la incidente. Este fue un paso crucial en la comprensión de la materia, ya implicaba la existencia de un núcleo atómico donde se concentraba toda la carga positiva y más del 99,9% de la masa. Las estimaciones del núcleo revelaban que el átomo en su mayor parte estaba vacío.



Rutherford propuso que los electrones orbitarían en ese espacio vacío alrededor de un minúsculo núcleo atómico, situado en el centro del átomo. Además se abrían varios problemas nuevos que llevarían al descubrimiento de nuevos hechos y teorías al tratar de explicarlos:



Por un lado se planteó el problema de cómo un conjunto de cargas positivas podían mantenerse unidas en un volumen tan pequeño, hecho que llevó posteriormente a la postulación y descubrimiento de la fuerza nuclear fuerte, que es una de las cuatro interacciones fundamentales.

Por otro lado existía otra dificultad proveniente de la electrodinámica clásica que predice que una partícula cargada y acelerada, como sería necesario para mantenerse en órbita, produciría radiación electromagnética, perdiendo energía. Las leyes de Newton, junto con las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo aplicadas al átomo de Rutherford llevan a que en un tiempo del orden de 10 − 10s, toda la energía del átomo se habría radiado, con la consiguiente caída de los electrones sobre el núcleo.[2] Se trata, por tanto de un modelo físicamente inestable, desde el punto de vista de la física clásica.

Según Rutherford, las órbitas de los electrones no están muy bien definidas y forman una estructura compleja alrededor del núcleo, dándole un tamaño y forma algo indefinidas. No obstante, los resultados de su experimento, permitieron calcular que el radio del átomo era diez mil veces mayor que el núcleo mismo, lo que hace que haya un gran espacio vacío en el interior de los átomos.
Modelo Atomico  De Rutherford


Modelo atómico de Bohr

Diagrama del modelo atómico de Bohr.El modelo atómico de Bohr o de Bohr-Rutherford es un modelo cuantizado del átomo propuesto en 1913 por el físico danés Niels Bohr, para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo. Este modelo planetario es un modelo funcional que no representa el átomo (objeto físico) en sí ,sino que explica su funcionamiento por medio de ecuaciones.



Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para realizar el modelo que lleva su nombre. Bohr intentaba realizar un modelo atómico capaz de explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisión y absorción discretos que se observan en los gases. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón. El modelo atómico de Bohr partía conceptualmente del modelo atómico de Rutherford y de las incipientes ideas sobre cuantización que habían surgido unos años antes con las investigaciones de Max Planck y Albert Einstein. Debido a su simplicidad el modelo de Bohr es todavía utilizado frecuentemente como una simplificación de la estructura de la materia.



En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercana posible al núcleo. El electromagnetismo clásico predecía que una partícula cargada moviéndose de forma circular emitiría energía por lo que los electrones deberían colapsar sobre el núcleo en breves instantes de tiempo. Para superar este problema Bohr supuso que los electrones solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una de las cuales caracterizada por su nivel energético. Cada órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante. Este número "n" recibe el nombre de Número Cuántico Principal.



Bohr supuso además que el momento angular de cada electrón estaba cuantizado y sólo podía variar en fracciones enteras de la constante de Planck. De acuerdo al número cuántico principal calculó las distancias a las cuales se hallaba del núcleo cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno.



Estos niveles en un principio estaban clasificados por letras que empezaban en la "K" y terminaban en la "Q". Posteriormente los niveles electrónicos se ordenaron por números. Cada órbita tiene electrones con distintos niveles de energía obtenida que después se tiene que liberar y por esa razón el electrón va saltando de una órbita a otra hasta llegar a una que tenga el espacio y nivel adecuado, dependiendo de la energía que posea, para liberarse sin problema y de nuevo volver a su órbita de origen.



Sin embargo no explicaba el espectro de estructura fina que podría ser explicado algunos años más tarde gracias al modelo atómico de Sommerfeld. Históricamente el desarrollo del modelo atómico de Bohr junto con la dualidad onda-corpúsculo permitiría a Erwin Schrödinger descubrir la ecuación fundamental de la mecánica cuántica.



Postulados de Bohr

En 1913, Niels Bohr desarrolló su célebre modelo atómico de acuerdo a cuatro postulados fundamentales:



1.Los electrones orbitan el núcleo del átomo en niveles discretos y cuantizados de energía, es decir, no todas las órbitas están permitidas, tan sólo un número finito de éstas.

2.Los electrones pueden saltar de un nivel electrónico a otro sin pasar por estados intermedios.

3.El salto de un electrón de un nivel cuántico a otro implica la emisión o absorción de un único cuanto de luz (fotón) cuya energía corresponde a la diferencia de energía entre ambas órbitas.

4.Las órbitas permitidas tienen valores discretos o cuantizados del momento angular orbital L de acuerdo con la siguiente ecuación:


Donde n = 1,2,3,… es el número cuántico angular o número cuántico principal.

La cuarta hipótesis asume que el valor mínimo de n es 1. Este valor corresponde a un mínimo radio de la órbita del electrón de 0.0529 nm. A esta distancia se le denomina radio de Bohr. Un electrón en este nivel fundamental no puede descender a niveles inferiores emitiendo energía.

Se puede demostrar que este conjunto de hipótesis corresponde a la hipótesis de que los electrones estables orbitando un átomo están descritos por funciones de onda estacionarias. Un modelo atómico es una representación que describe las partes que tiene un átomo y como están dispuestas para formar un todo.

Basándose en la constante de Planck consiguió cuantizar las órbitas observando las líneas del espectro.


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Modelo Atomico De Bohr

Modelo atómico de Sommerfeld


El modelo atómico de Sommerfeld es un modelo atómico hecho por el físico alemán Arnold Sommerfeld (1868-1951) que básicamente es una generalización relativista del modelo atómico de Bohr (1913).



Insuficiencias del modelo de Bohr

El modelo atómico de Bohr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno, sin embargo, en los espectros realizados para átomos de otros elementos se observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían distinta energía, mostrando que algo andaba mal en el modelo. Su conclusión fue que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles, es decir, energías ligeramente diferentes para un nivel energético dado.



Además desde el punto de vista teórico, Sommerfeld había encontrado que en ciertos átomos las velocidades de los electrones alcanzaban una fracción apreciable de la velocidad de la luz. Sommerfeld estudió la cuestión para electrones relativistas.



Características del modelo



Órbitas elípticas en el modelo de Sommerfeld.En 1916, Sommerfeld perfeccionó el modelo atómico de Bohr intentando paliar los dos principales defectos de éste. Para eso introdujo dos modificaciones básicas: Órbitas cuasi-elípticas para los electrones y velocidades relativistas. En el modelo de Bohr los electrones sólo giraban en órbitas circulares. La excentricidad de la órbita dio lugar a un nuevo número cuántico: el número cuántico azimutal, que determina la forma de los orbitales, se lo representa con la letra l y toma valores que van desde 0 hasta n-1. Las órbitas con:



l = 0 se denominarían posteriormente orbitales s o sharp

l = 1 se denominarían 2 p o principal.

l = 2 se denominarían d o diffuse.

l = 3 se denominarían f o fundamental.

Para hacer coincidir las frecuencias calculadas con las experimentales, Sommerfeld postuló que el núcleo del átomo no permanece inmóvil, sino que tanto el núcleo como el electrón se mueven alrededor del centro de masas del sistema, que estará situado muy próximo al núcleo al tener este una masa varios miles de veces superior a la masa del electrón.



Para explicar el desdoblamiento de las líneas espectrales, observando al emplear espectroscopios de mejor calidad, Sommerfeld supone que las órbitas del electrón pueden ser circulares y elípticas. Introduce el número cuántico secundario o azimutal, en la actualidad llamado l, que tiene los valores 0, 1, 2,…(n-1), e indica el momento angular del electrón en la órbita en unidades de , determinando los subniveles de energía en cada nivel cuántico y la excentricidad de la órbita.
Resumen

En 1916, Arnold Sommerfeld, con la ayuda de la relatividad de Albert Einstein, hizo las siguientes modificaciones al modelo de Bohr:



1.Los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas circulares o elípticas.

2.A partir del segundo nivel energético existen dos o más subniveles en el mismo nivel.

3.El electrón es una corriente eléctrica minúscula.

En consecuencia el modelo atómico de Sommerfeld es una generalización del modelo atómico de Bohr desde el punto de vista relativista, aunque no pudo demostrar las formas de emisión de las órbitas elípticas, solo descartó su forma circular.


Modelo Atomico De Sommerfeld
Modelo atómico de Schrödinger

De Wikipedia, la enciclopedia libre

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Densidad de probabilidad de ubicación de un electrón para los primeros niveles de energía.El modelo atómico de Schrödinger es un modelo cuántico no relativista. Se basa en la solución de la ecuación de Schrödinger para un potencial electrostático con simetría esférica, llamado también átomo hidrogenoide. En este modelo el electrón se contemplaba originalmente como una onda estacionaria de materia cuya amplitud decaía rápidamente al sobrepasar el radio atómico.



El modelo de Bohr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno. En los espectros realizados para otros átomos se observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían energías ligeramente diferentes. Esto no tenía explicación en el modelo de Bohr, y sugería que se necesitaba alguna corrección. La propuesta fue que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles. La forma concreta en que surgieron de manera natural estos subniveles, fue incorporando órbitas elípticas y correcciones relativistas. Así, en 1916, Arnold Sommerfeld modificó el modelo atómico de Bohr, en el cual los electrones sólo giraban en órbitas circulares, al decir que también podían girar en órbitas elípticas más complejas y calculó los efectos relativistas.



Características del modelo

El modelo atómico de Schrödinger concebía originalmente los electrones como ondas de materia. Así la ecuación se interpretaba como la ecuación ondulatoria que describía la evolución en el tiempo y el espacio de dicha onda material. Más tarde Max Born propuso una interpretación probabilística de la función de onda de los electrones. Esa nueva interpretación es compatible con los electrones concebidos como partículas cuasipuntuales cuya probabilidad de presencia en una determinada región viene dada por la integral del cuadrado de la función de onda en una región. Es decir, en la interpretación posterior del modelo, éste era modelo probabilista que permitía hacer predicciones empíricas, pero en el que ni la posición ni el movimiento del electrón en el átomo variaba de manera determinista.



Adecuación empírica

El modelo atómico de Schrödinger predice adecuadamente las líneas de emisión espectrales, tanto de átomos neutros como de átomos ionizados. El modelo también predice adecuadamente la modificación de los niveles energéticos cuando existe un campo magnético o eléctrico (efecto Zeeman y efecto Stark respectivamente). Además, con ciertas modificaciones semiheurísticas el modelo explica el enlace químico y la estabilidad de las moléculas. Cuando se necesita una alta precisión en los niveles energéticos puede emplearse un modelo similar al de Schrödinger, pero donde el electrón es descrito mediante la ecuación relativista de Dirac en lugar de mediante la ecuación de Schrödinger.



Sin embargo, el nombre de "modelo atómico" de Schrödinger puede llevar a confusión ya que no explica la estructura completa del átomo. El modelo de Schrödinger explica sólo la estructura electrónica del átomo y su interacción con la estructura electrónica de otros átomos, pero no explica como es el núcleo atómico ni su estabilidad.



Solución de la ecuación de Schrödinger

Artículo principal: Átomo hidrogenoide

Las soluciones estacionarias de la ecuación de Schrödinger en un campo central electrostático, están caracterizadas por tres números cuánticos (n, l, m) que a su vez están relacionados con lo que en el caso clásico corresponderían a las tres integrales del movimiento independientes de una partícula en un campo central. Estas soluciones o funciones de onda normalizadas vienen dadas en coordenadas esféricas por:





donde:





a0 es el radio de Bohr.

son los polinomios generalizados de Laguerre de grado n-l-1.

es el armónico esférico (l, m).

Los autovalores son:



Para el operador momento angular:







Para el operador hamiltoniano:





donde:





α es la constante de estructura fina con Z=1.

domingo, 5 de septiembre de 2010

IMPACTO DE LA QUIMICA EN LA VIDA COTIDIANA

La química es una ciencia básica que permite conocer el comportamiento de la materia, este conocimiento permite al hombre transformar la materia en su beneficio. Para evaluar las transformaciones químicas que sufre la materia es necesario usar las matemáticas como lenguaje y conocer las leyes de la física; estas dos ciencias son base de la química. El comportamiento químico y la estructura de átomos y moléculas puede moderarse o reproducirse utilizando modelos matemáticos, por lo tanto la química es una ciencia exacta.




Todos los procesos biológicos sin excepción ocurren a través de reacciones químicas, en consecuencia la química es la base de la biología como lo son también la física y las matemáticas. Es importante saber que la química no requiere de la biología para expresarse, aunque lo contrario si ocurre.



La química es una de las ciencias que más capacidad intelectual requiere para comprenderse, el nivel de conceptualización es profundo. Esta ciencia propone continuamente retos intelectuales, al decir ésto es necesario tener en cuenta que no nos referimos a que los químicos tengan que memorizar grandes cantidades de conocimientos. El almacenaje de la información es la función de los libros y las bibliotecas. Un buen químico tiene que desarrollar mas bien características intelectuales de análisis, deductivas y creativas.



La química es considerada en los países desarrollados como la ciencia central, porque tiene una relación directa con el desarrollo económico de las naciones, porque no existe ninguna industria en el planeta que no esté basada en procesos o materiales químicos. La industria química contribuye enormemente a los altos ingresos de los países desarrollados, que exportan intensamente a los países pobres los materiales que fabrican y procesan. El avance industrial y económico van de la mano con la calidad de la enseñanza y de la investigación en química. Uno de los índices del desarrollo de los país es la calidad y el número de graduados en química.



Entre las variadas actividades de los químicos está la exploración para conocer las reglas universales del comportamiento de la materia ya que al entenderlas es posible dominarla. Un ejemplo de ese dominio es la fabricación artificial de los mas exóticos materiales que revolucionarán la manera de vivir del hombre en las próximas décadas.



A los químicos les interesa también saber qué moléculas y materiales existen en el universo, desde las estrellas mas lejanas hasta las profundidades de nuestro planeta. Así como conocer la completísima química que ocurre en los seres vivos, los biólogos recientemente se han interesado por conocer detalladamente los procesos moleculares de la vida, esta comprensión está revolucionando el entendimiento de la biología.



Pero no solamente la contemplación y el entendimiento de la naturaleza preocupa a los químicos, en su trabajo también hay una gran parte de creatividad. Una vez que las leyes de la naturaleza han sido entendidas, los hombres reproducen con sus propias manos los procesos químicos inventando nuevos compuestos y materiales; sobrepasando en atrevimiento a la naturaleza al crear materiales exóticos nunca antes vistos, fármacos que preservan la vida con gran efectividad, nuevos productos químicos para la industria, nuevos materiales para la construcción de objetos, etc.



¿Como ha llegado la humanidad a tal nivel de conocimiento y control de la naturaleza? Los instrumentos electrónicos dedicados al análisis químico y a la exploración y las computadoras han permitido que veamos cada vez mejor lo mas lejano, lo mas pequeño, lo mas escondido, lo mas profundo y lo mas rápido.



Los químicos son los científicos que mas información generan, como se puede apreciar del Chemical Abstract , que es un compendio de resúmenes de todos los artículos científicos en química que se publican en el mundo desde 1907. El año pasado este compendio reseñó más de setecientos mil trabajos y según el libro de Guinnes es el compendio científico más grande del mundo.



Los químicos se dedican también a la construcción de los materiales inteligentes, aquellos que en una situación determinada tienen un comportamiento o específico, por ejemplo una respuesta al calor, a la luz, a la radiofrecuencia, etc. que pueden usarse para construir instrumentos muy avanzados, en vehículos de transporte, o para dar mayor comodidad al hombre, como telas especiales para los vestidos o materiales para sus habitaciones y vehículos. Un ejemplo es el de los vidrios inteligentes que pueden cambiar la captación de la luz de acuerdo a su intensidad y preservar un ambiente agradable.



Entre los materiales que son muy útiles tenemos a los polímeros que pueden tener muy diversas propiedades físicas y químicas; los hay que pueden ser muy ligeros pero tan fuertes como un metal, otros que pueden resistir altas temperaturas, otros que pueden resistir a la fricción y substituir a los componentes metálicos de los motores, otros que no son inflamables, otros que son resistentes a los disolventes, otros que tienen las características ideales para fabricar prótesis, etc. Un ejemplo claro de su aplicación lo tenemos en los automóviles modernos, los aviones, los barcos, la ropa, los muebles, los objetos para deportistas y otros más. Evidentemente, el conocimiento químico básico permite aportar estrategias para la construcción de estos materiales, sin ese conocimiento ello sería imposible. En el futuro se construirán materiales cada vez más perfectos y cada vez más útiles para tareas complicadas; recordemos por ejemplo a las fibras ópticas, que permitirán que todos los teléfonos, los televisores y las computadoras se conecten en redes gigantescas con una alta calidad de desempeño. Por ejemplo, para conectar de esta manera a Europa y a Estados Unidos se requerirá únicamente de un pequeño cable tal vez no mayor de un centímetro de diámetro. Otra ilustración de lo anterior son los cristales líquidos que permiten que las computadoras y televisores sean cada vez mas pequeños y delgados y que puedan ser en este momento del tamaño de un pequeño directorio telefónico. Los televisores del tamaño de un reloj de pulsera serán perfectamente posibles en muy poco tiempo.



Se ha reportado la construcción de electrodos pequeños de silicio que, montados en una especie de cepillo pequeñísimo, puede ser el substituto de un ojo, pues insertados en el cortex visual permiten que por impulsos eléctricos generen imágenes en el cerebro y que los ciegos puedan ver. Este dispositivo tendría que estar acoplado a una cámara de televisión que estaría en un ojo artificial. El que esto pueda convertirse pronto en un método de visión artificial accesible a los invidentes depende de que tan pequeño y con que eficiencia se pueda construir toda la prótesis. Esto a su vez dependerá de la calidad de los materiales que los químicos puedan construir.



La investigación en química tiene una incidencia fuerte sobre la salud, a través del entendimiento de los procesos moleculares de todas las funciones vitales, del desarrollo de la bioquímica, de la fisiología y farmacología y del diagnóstico clínico. Es la investigación en esta ciencia la que permite la elaboración de materiales de curación y de prótesis, mencionemos por ejemplo la importancia de los materiales odontológicos, de los corazones y de los riñones artificiales, de los materiales de cirugía, de los nuevos polímeros inorgánicos que permiten reparar inmediatamente las fracturas de los huesos y que permiten a los afectados recuperar su vida normal unas horas después de la curación.



En medicina el trabajo de los químicos ha tenido siempre un gran impacto, el desarrollo de fármacos es un buen ejemplo de la actividad continua que requiere de un esfuerzo permanente, pues los medicamentos actuales están lejos de ser perfectos, es necesario producir continuamente mas y mejores substancias que sean mas eficaces y selectivas y que carezcan de efectos tóxicos o laterales. Recordemos también que existen muchas enfermedades para las cuales no existen medicamentos, entre ellas muchas de las que aquejan a los países subdesarrollados como las parasitosis, o las nuevas enfermedades virales como el sida, el ébola, la encefalitis de las vacas, etc. y aún persisten enfermedades muy antiguas como el cáncer, cuyo tratamiento eficaz sigue siendo un reto. Aquí, el trabajo de los químicos es fundamental, desde el diseño del fármaco, su síntesis y después su producción industrial. Para ello ejércitos de investigadores trabajan en los grandes laboratorios farmacéuticos para producir miles de substancias nuevas que son probadas para encontrar aquellas que tienen el efecto correcto. Conviene mencionar que para hallar una substancia útil es necesario construir de dos a diez mil moléculas en promedio. A estas alturas del siglo es fundamental continuar con la investigación en el desarrollo de nuevos medicamentos, nuevos materiales de curación, nuevos métodos de diagnóstico, etc.



La producción de alimentos depende de la investigación química que ha permitido desarrollar fertilizantes, disminuido las plagas con insecticidas, feromonas y/o con el control de sus sistemas de autodefensa. Además, esta investigación ha mejorado el crecimiento de animales y plantas con el uso de hormonas y reguladores del crecimiento. Ha permitido el reconocimiento químico de los ciclos biológicos y de la fotosíntesis, el proceso mas importante del planeta para captar la energía solar. Sin este trabajo de los químicos sería imposible alimentar a la población mundial cercana ya a los seis mil millones de habitantes. Los químicos se esfuerzan dentro de gigantescos equipos de investigación por buscar mejores soluciones para incrementar la producción alimentaría con la menor contaminación posible. Es cierto que los métodos utilizados en el pasado para el control de plagas no han sido siempre perfectos y a veces han resultado problemas laterales con el uso de biocidas, pero todos estos problemas se han ido superando con la investigación y con el entendimiento cada vez mas fino de las comunicaciones químicas que existen entre los insectos, entre las plantas y entre las plantas y los insectos. Esto ha abierto un campo de investigación nuevo, que requiere métodos de trabajo extraordinariamente delicados pero que permitirá mayor control en el futuro de la naturaleza, por métodos cada vez menos agresivos y mas efectivos.



La química tiene un impacto fundamental en la calidad de vida en la humanidad y está íntimamente relacionada con las fuentes de energía, su producción y su control. Se sabe que en los Estados Unidos alrededor del 90% de la energía que se consume proviene todavía de fuentes químicas. En general, en los países desarrollados prácticamente todos los materiales provienen de procesos químicos industriales dependientes de fuentes de energía.



Dado que la energía no está todavía disponible en cantidades infinitas en este momento para la humanidad, es necesario trabajar para que todas las transformaciones industriales se efectúen con un costo mínimo de energía, reduciendo además los subproductos de la combustión. Un ejemplo muy cercano a nosotros es el uso del automóvil, la energía que necesita y la contaminación que produce. La mayor cantidad de energía se gasta en el transporte del automóvil mismo porque suele ser muy pesado, existe un gran esfuerzo de investigación para tener prototipos de automóviles cada vez menos pesados, esto se logra construyéndolos con materiales cada vez mas ligeros pero de gran resistencia. Muchas piezas que antiguamente eran metálicas hoy son de polímeros de alta dureza y no inflamables o de cerámicas duras, diseñadas especialmente para resistir al desgaste y para substituir a las piezas que requieren mayor esfuerzo. Por otro lado, los motores tienen que ser diseñados para que la combustión sea perfecta y con el máximo aprovechamiento de la energía. Es necesario trabajar también en el diseño de un buen combustible que se adapte al motor, que dé un alto rendimiento, que no produzca mucho desgaste y que los gases que elimine no sea tóxicos. Para ayudar a disminuir la contaminación es necesario poner en la salida de los gases, catalizadores que conviertan fácilmente los residuos tóxicos en gases inocuos. Es necesario diseñar también polímeros cada vez mas resistentes para fabricar los neumáticos que deben además de ser resistentes, tener las características de adhesión al camino apropiadas para un gasto menor de energía. Esto también va relacionado con un diseño correcto del concreto que deberá permitir que los automóviles se desplacen suavemente y con buena adherencia. En estos días el proyecto de producir automóviles de contaminación cero es uno de los mas importantes para los pobladores de las grandes urbes. Lo que acabamos de mencionar para los automóviles es aplicable a cualquier proceso industrial que analicemos, pues siempre serán susceptibles de ser mejorados para tener menor gasto de energía y menor contaminación. En nuestra vida diaria requerimos de muchos materiales que son producidos industrialmente en grandes reactores a temperaturas muy elevadas y con gastos de energía enormes. Para disminuir las temperaturas de trabajo y la energía utilizada, los químicos han sabido utilizar los conocimientos científicos para producir catalizadores, que son substancias que aceleran las reacciones químicas permitiendo que ocurran a menor temperatura y con un gran ahorro de energía. En el mundo biológico esta clase de substancia se conoce como enzimas y a ellas se debe que los procesos químicos dentro del organismo requieran de muy poca energía y sean absolutamente eficientes. Un ejemplo es la combustión de substancias orgánicas que cuando ocurre en el mundo exterior produce un gran desprendimiento de calor y la temperatura sube tanto que si hay seres vivos cercanos a esta oxidación incontrolado pueden sufrir graves daños o morir. Pero la misma reacción de combustión, cuando ocurre en el interior de los seres vivos, es su fuente de energía, en ellos es controlada por las enzimas y la temperatura nunca se eleva a niveles peligrosos. El desarrollo de catalizadores es muy importante para el desarrollo industrial pues permite al realización de reacciones selectivas con altos rendimientos y muy bajo costo. Este es un campo que requiere una continua investigación y que es realizada cada vez con mayor profundidad científica y en el que cada vez se tiene mayor control.



Hay una confusión en el gran público en la identificación de las causas del deterioro ambiental, ya que las personas mal informadas lo atribuyen a la química, a los químicos o a las substancias químicas. Prueba de ello es el uso abusivo y peyorativo de la palabra químico que se usa ampliamente en los medios informativos para denominar substancias tóxicas en un ambiente. Esta confusión es muy grave porque incluso algunos movimientos ecologistas mal informados tienden a distorsionar la opinión Pública al respecto. Sin duda el deterioro ambiental se debe a la sobrepoblación, a la necesidad urgente de producir enormes cantidades de alimentos, al exceso del uso de combustibles orgánicos, a la destrucción de las selvas y bosques para tener mas áreas cultivables, a la existencia de industrias anticuadas, mal construidas y mal administradas. Pero la causa mas importante del deterioro ambiental es la ignorancia. Muchas industrias contaminan innecesariamente porque usan sistemas muy primitivos, por ignorancia o por falta de ética. El papel de los químicos en esta situación es el de trabajar para mejorar los procesos donde se genera la contaminación y aconsejar correctamente a los industriales para evitarla y trabajar para que los problemas de la contaminación sean explicados correctamente enfocando bien sus causas. Es necesario insistir en que los seres vivos estamos formados de una enorme cantidad de substancias químicas, que respiramos, comemos y eliminamos substancias químicas y que no necesariamente una substancia extraña es nociva, especialmente si es usada correctamente, un ejemplo de substancias extrañas que pueden ser benéficas es la de los medicamentos.
Historia de la química



La historia de la química está ligada al desarrollo del hombre y el estudio de la naturaleza, ya que abarca desde todas las transformaciones de materias y las teorías correspondientes. A menudo la historia de la química se relaciona íntimamente con la historia de los químicos y -según la nacionalidad o tendencia política del autor- resalta en mayor o menor medida los logros hechos en un determinado campo o por una determinada nación.



La ciencia química surge antes del siglo XVII a partir de los estudios de alquimia populares entre muchos de los científicos de la época. Se considera que los principios básicos de la química se recogen por primera vez en la obra del científico británico Robert Boyle: The Sceptical Chymist (1661). La química como tal comienza sus andares un siglo más tarde con los trabajos de Antoine Lavoisier que en conjunto con Carl Wilhelm Scheele descubrieron el oxígeno, Lavoisier a su vez propuso la ley de conservación de masa y la refutación de la teoría del flogisto como teoría de la combustión.






 Primeros avances de la química

El principio del dominio de la química es el dominio del fuego. Hay indicios de que hace más de 500.000 años, en tiempos del homo erectus, algunas tribus consiguieron este logro que aún hoy es una de las tecnologías más importantes. No sólo daba calor en las noches de frío, también ayudaba a protegerse contra los animales salvajes y permitía la preparación de comida cocida. Esta contenía menos microorganismos patógenos y era más fácilmente digerirla. Así bajaba la mortalidad y se mejoraban las condiciones generales de vida.



La metalurgia

Artículo principal: Metalurgia

La metalurgia es uno de los principales procesos de transformación de la materia utilizados hasta 1991. Comenzó con el descubrimiento del cobre, del oro y de la plata. Aunque existe en la naturaleza como elemento la mayor parte se halla en forma de minerales como la calcopirita, la azurita o la malaquita. Especialmente las últimas son fácilmente reducidas al metal. Se supone que unas joyas fabricadas de alguno de estos minerales y caídas accidentalmente al fuego llevaron al desarrollo de los procesos correspondientes para obtener el metal.



Luego por experimentación o como resultado de mezclas accidentales se descubrió que las propiedades mecánicas del cobre se podían mejorar en sus aleaciones. Especialmente tuvo éxito la aleación del cobre con el estaño y trozos de otros elementos como el arsénico conocido como bronce que se consiguió de forma aparentemente independiente en oriente próximo y en China desde dónde se extendió por casi todo el mundo y que dio el nombre a la edad de bronce.



Unas de las minas de estaño (como otro mineral esencial en la obtención de esta aleación) más importantes de la antigüedad se hallaban en las islas británicas. Originalmente el comercio fue dominado por los fenicios. Luego el control sobre este recurso importante probablemente era la razón de la invasión romana en las Britania.



Los hititas fueron unos de los primeros en obtener el hierro a partir de sus minerales. Este proceso es mucho más complicado ya que requiere temperaturas más elevadas y por lo tanto la construcción de hornos especiales. Sin embargo el metal obtenido así era de baja calidad con un elevado contenido en carbono y tenía que ser mejorado en diversos procesos de purificación y forjándolo. La humanidad tardó siglos en desarrollar los procesos actuales de obtención de acero, (generalmente por oxidación de las impurezas insuflando oxígeno o aire en el metal fundido (proceso de Besmer). Su dominio era uno de los pilares de la revolución industrial.



Otro hito metalúrgico era la obtención del aluminio. Descubierto a principios del siglo XIX y en un principio obtenido por reducción de sus sales con metales alcalinos, destacó por su ligereza. Su precio superó el del oro y era tan apreciado que unos cubiertos regalados a la corte francesa se fabricaron de este metal. Con el descubrimiento de la síntesis por electrólisis y posteriormente el desarrollo de los generadores eléctricos su precio cayó abriéndose nuevos campos para su uso.



La cerámica

Otro campo de desarrollo que ha acompañado al hombre desde la antigüedad hasta el laboratorio moderno es el del vidrio y de la cerámica. Sus orígenes datan de la prehistoria cuando el hombre descubrió que los recipientes hechos de arcilla, cambiaron sus características mecánicas e incrementaron su resistencia frente al agua si eran calentados en el fuego. Para controlar mejor el proceso se desarrollaron diferentes tipos de hornos.



En Egipto se descubrió que recubriendo la superficie con mezclas de determinados minerales (sobre todo mezclas basadas en feldespato y galena) esta se cubría con una capa muy dura y brillante, el esmalte, cuyo color se podía variar añadiendo pequeñas cantidades de otros minerales o las condiciones de aireación en el horno. Estas tecnologías se difundieron rápidamente. En China se perfeccionaron las tecnologías de fabricación de las cerámicas hasta dar con la porcelana en el siglo VII. Durante siglos china mantenía el monopolio en la fabricación de este producto. Tan sólo en el siglo XVIII Johann Friedrich Böttger reinventó el proceso en Europa.



Relacionado con el desarrollo de la cerámica es el desarrollo del vidrio a partir de cuarzo y carbonato sódico o potásico. Su desarrollo igualmente empezó en el Antiguo Egipto y fue perfeccionado por los romanos. Su producción masiva a finales del siglo XVIII instó al gobierno francés a promocionar un concurso para la obtención del carbonato sódico ya que la fuente habitual -las cenizas de madera- no se obtuvieron en cantidades suficientes como para cubrir la creciente demanda. El ganador era Nicolas Leblanc aunque su proceso cayó en desuso debido al proceso de Solvay desarrollado medio siglo más tarde dio un empujón fuerte al desarrollo de la industria química.



Sobre todo las necesidades de la industria óptica de vidrio de alta calidad llevaron al desarrollo de vidrios especiales con añadidos de boratos, aluminosilicatos, fosfatos etc. Así se consiguieron vidrios con constantes de expansión térmica especialmente bajas, índices de refracción muy elevados o muy pequeños etc. Este desarrollo empujó por ejemplo la química de los elementos de las tierras raras. Aún hoy en día la cerámica y el vidrio son campos abiertos de investigación.



La química como ciencia

El filósofo griego Aristóteles pensaba que las sustancias estaban formadas por cuatro elementos: tierra, aire, agua y fuego. Paralelamente discurría otra corriente, el atomismo, que postulaba que la materia estaba formada de átomos, partículas indivisibles que se podían considerar la unidad mínima de materia. Esta teoría, propuesta, por el filósofo griego Leucipo de Mileto y su discípulo Demócrito de Abdera no fue popular en la cultura occidental dado el peso de las obras de Aristóteles en Europa. Sin embargo tenía seguidores (entre ellos Lucrecio) y la idea se quedó presente hasta el principio de la edad moderna.



Entre los siglos III a. C. y el siglo XVI d.C la química estaba dominada por la alquimia. El objetivo de investigación más conocido de la alquimia era la búsqueda de la piedra filosofal, un método hipotético capaz de transformar los metales en oro. En la investigación alquímica se desarrollaron nuevos productos químicos y métodos para la separación de elementos químicos. De este modo se fueron asentando los pilares básicos para el desarrollo de una futura química experimental.



La química como tal comienza a desarrollarse entre los siglos XVI y XVII. En esta época se estudió el comportamiento y propiedades de los gases estableciéndose técnicas de medición. Poco a poco fue desarrollándose y refinándose el concepto de elemento como una sustancia elemental que no podía descomponerse en otras. También esta época se desarrolló la teoría del flogisto para explicar los procesos de combustión.





Antoine Lavoissier,considerado el padre de quimica moderna
Imagen de Antoine Lavoissier, considerado como el fundador de la química.A partir del siglo XVIII la química adquiere definitivamente las características de una ciencia experimental. Se desarrollan métodos de medición cuidadosos que permiten un mejor conocimiento de algunos fenómenos, como el de la combustión de la materia, descubriendo Lavoisier el oxígeno y sentando finalmente los pilares fundamentales de la química moderna.



El vitalismo y el comienzo de la química orgánica

Después de que se comprendieran los principios de la combustión, otro debate de gran importancia se apoderó de la química: el vitalismo y la distinción esencial entre la materia orgánica e inorgánica. Esta teoría asumía que la materia orgánica sólo puede ser producida por los seres vivos, atribuyendo este hecho a una vis vitalis inherente a la propia vida. Base de esta asunción era la dificultad de obtener materia orgánica a partir de precursores inorgánicos. Este debate fue revolucionado cuando Friedrich Wöhler descubrió accidentalmente en 1828 cómo se podía sintetizar la urea a partir de cianato de amonio, mostrando que la materia orgánica podía crearse de manera química. Sin embargo, aún hoy en día se mantiene la clasificación en química orgánica e inorgánica, ocupándose la primera esencialmente de los compuestos del carbono y la segunda de los compuestos de los demás elementos.



Los motores para el desarrollo de la química orgánica eran, en el principio, la curiosidad sobre los productos presentes en los seres vivos (con probablemente la esperanza de encontrar nuevos fármacos) y la síntesis de los colorantes o tintes. La última surgió tras el descubrimiento de la anilina por Runge y la primera síntesis de un colorante artificial por Perkin.



Luego se añadieron los nuevos materiales como los plásticos, los adhesivos, los cristales líquidos, los fitosanitarios, etc.



Hasta la Segunda Guerra Mundial la principal materia prima de la industria química orgánica era el carbón, dada la gran importancia de Europa en el desarrollo de esta parte de la ciencia y el hecho que en Europa no hay grandes yacimientos de alternativa, como el petróleo. Con el final de la Segunda Guerra Mundial y el creciente peso de los Estados Unidos en el sector químico, la química orgánica clásica se convierte cada vez más en la petroquímica que se conoce hoy. Una de las principales razones es la mayor facilidad de transformación y la gran variedad de productos de partida encontradas en el petróleo.



Química orgánica


 La tabla periódica y el descubrimiento de los elementos químicos

En 1860 los científicos ya habían descubierto más de 60 elementos diferentes y habían determinado su masa atómica. Notaron que algunos elementos tenían propiedades químicas similares por lo cual le dieron un nombre a cada grupo de elementos parecidos. En 1829 el químico J.W. Döbenreiner organizó un sistema de clasificación de elementos en el que éstos se agrupaban en grupos de tres denominados triadas. La propiedades químicas de los elementos de una triada eran similares y sus propiedades físicas variaban de manera ordenada con su masa atómica. Algo más tarde, el químico ruso Dmitri Ivanovich Mendeleyev desarrolló una tabla periódica de los elementos según el orden creciente de sus masas atómicas. Colocó lo elementos en columnas verticales empezando por los más livianos, cuando llegaba a un elemento que tenía propiedades semejantes a las de otro elemento empezaba otra columna. Al poco tiempo Mendeleiev perfecciono su tabla acomodando los elementos en filas horizontales. Su sistema le permitió predecir con bastante exactitud las propiedades de elementos no descubiertos hasta el momento. El gran parecido del germanio con el elemento previsto por Mendeleyev consiguió finalmente la aceptación general de este sistema de ordenación que aún hoy se sigue aplicando.



Sin embargo, la tabla de Mendeleiev no era del todo correcta. Después de que se descubrieron varios elementos nuevos y de que las masas atómicas podían determinarse con mayor exactitud, se hizo evidente que varios elementos no estaban en el orden correcto. La causa de este problema la determinó el químico inglés Henry Moseley quien descubrió que los átomos de cada elemento tienen un número único de protones en sus núcleos, siendo el número de protones igual al número atómico del átomo. Al organizar Moseley los elementos en orden ascendente de número atómico y no en orden ascendente de masa atómica, como lo había hecho Mendeleiev, se solucionaron los problemas de ordenamiento de los elementos en la tabla periódica. La organización que hizo Moseley de los elementos por número atómico generó un claro patrón periódico de propiedades.



Desarrollo de la teoría atómica

Inicia con la teoría de Leucipo y Demócrito, antiguos filósofos griegos, quienes dieron la palabra átomo (a= sin ; tomo=división) a todas aquellas partículas que forman parte de la materia.



La teoría es retomada luego por John Dalton, quien postulaba que los átomos eran partículas indivisibles, a partir de lo cual estableció supuestos de la estequiometría, como la Ley de las Proporciones Fijas.



A lo largo del siglo XIX la química estaba dividida entre los seguidores de la teoría atómica y aquellos que no como Wilhelm Ostwald y Ernst Mach. Los impulsores más decididos de la teoría atómica eran Amedeo Avogadro, Ludwig Boltzmann y otros que consiguieron grandes avances en la comprensión del comportamiento de los gases. La disputa fue finalizada con la explicación del efecto Browniano por Albert Einstein en 1905 y por los experimentos de Jean Perrin al respecto.



Mucho antes de que la disputa hubiera sido resuelta muchos investigadores habían trabajado bajo la hipótesis atómica. Svante Arrhenius había investigado la estructura interna de los átomos proponiendo su teoría de la ionización. Su trabajo fue seguido por Ernest Rutherford quien abrió las puertas al desarrollo de los primeros modelos de átomos que desembocarían en el modelo atómico de Niels Bohr. En la actualidad el estudio de la estructura del átomo se considera una rama de la física y no de la química


DEFINICION DE QUIMICA

Química
Antonie Lavoisier,considerado el de quimica moderna

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Dlobe helice de la molecula de ADN



Doble hélice de la molécula de ADN.

Átomo de helio.Se denomina química (del árabe kēme (kem, كيمياء), que significa "tierra") a la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, como los cambios que ésta experimenta durante las reacciones químicas y su relación con la energía. Históricamente la química moderna es la evolución de la alquimia tras la Revolución Química (1733).



Atomo de hielo
Las disciplinas de la química han sido agrupadas por la clase de materia bajo estudio o el tipo de estudio realizado. Entre éstas se tienen la química inorgánica, que estudia la materia inorgánica; la química orgánica, que trata con la materia orgánica; la bioquímica, el estudio de substancias en organismos biológicos; la físico-química, comprende los aspectos energéticos de sistemas químicos a escalas macroscópicas, moleculares y atómicas; la química analítica, que analiza muestras de materia tratando de entender su composición y estructura. Otras ramas de la química han emergido en tiempos recientes, por ejemplo, la neuroquímica que estudia los aspectos químicos del cerebro.






Introducción

La ubicuidad de la química en las ciencias naturales hace que sea considerada como una de las ciencias básicas. La química es de gran importancia en muchos campos del conocimiento, como la ciencia de materiales, la biología, la farmacia, la medicina, la geología, la ingeniería y la astronomía, entre otros.



Los procesos naturales estudiados por la química involucran partículas fundamentales (electrones, protones y neutrones), partículas compuestas (núcleos atómicos, átomos y moléculas) o estructuras microscópicas como cristales y superficies.



Desde el punto de vista microscópico, las partículas involucradas en una reacción química pueden considerarse como un sistema cerrado que intercambia energía con su entorno. En procesos exotérmicos, el sistema libera energía a su entorno, mientras que un proceso endotérmico solamente puede ocurrir cuando el entorno aporta energía al sistema que reacciona. En la gran mayoría de las reacciones químicas hay flujo de energía entre el sistema y su campo de influencia, por lo cual podemos extender la definición de reacción química e involucrar la energía cinética (calor) como un reactivo o producto.



Aunque hay una gran variedad de ramas de la química, las principales divisiones son:



Química Orgánica

Química Inorgánica

Fisicoquímica

Química analítica

Bioquímica

Es común que entre las comunidades académicas de químicos la química analítica no sea considerada entre las subdisciplinas principales de la química y sea vista más como parte de la tecnología química. Otro aspecto notable en esta clasificación es que la química inorgánica sea definida como "química no orgánica". Es de interés también que la Química Física es diferente de la Física Química. La diferencia es clara en inglés: "chemical physics" y "physical chemistry"; en español, ya que el adjetivo va al final, la equivalencia sería:



Química física Physical Chemistry

Física química Chemical physics

Usualmente los químicos son educados en términos de físico-química (Química Física) y los físicos trabajan problemas de la física química.



La gran importancia de los sistemas biológicos hace que en nuestros días gran parte del trabajo en química sea de naturaleza bioquímica. Entre los problemas más interesantes se encuentran, por ejemplo, el estudio del desdoblamiento de las proteínas y la relación entre secuencia, estructura y función de proteínas.



Si hay una partícula importante y representativa en la química es el electrón. Uno de los mayores logros de la química es haber llegado al entendimiento de la relación entre reactividad química y distribución electrónica de átomos, moléculas o sólidos. Los químicos han tomado los principios de la mecánica cuántica y sus soluciones fundamentales para sistemas de pocos electrones y han hecho aproximaciones matemáticas para sistemas más complejos. La idea de orbital atómico y molecular es una forma sistemática en la cual la formación de enlaces es entendible y es la sofisticación de los modelos iniciales de puntos de Lewis. La naturaleza cuántica del electrón hace que la formación de enlaces sea entendible físicamente y no se recurra a creencias como las que los químicos utilizaron antes de la aparición de la mecánica cuántica. Aun así, se obtuvo gran entendimiento a partir de la idea de puntos de Lewis.