Impenetrabilidad química: propiedades, causas, ejemplos
¿Qué es la impenetrabilidad química?
La impenetrabilidad química es una propiedad que posee la materia que no permite que dos cuerpos se sitúen en el mismo lugar y el mismo momento simultáneamente. También puede verse como la característica de un cuerpo que, junto con otra cualidad llamada extensión, es precisa para describir la materia.
Es muy fácil imaginarse esta definición a nivel macroscópico, donde un objeto visiblemente ocupa solo una región en el espacio y es físicamente imposible que dos o más objetos estén en el mismo sitio al mismo tiempo. Pero a nivel molecular puede ocurrir algo muy diferente.
En este ámbito dos o más partículas sí pueden habitar un mismo espacio en un instante dado o una partícula encontrarse ”en dos sitios” a la vez. Este comportamiento a nivel microscópico se describe a través de las herramientas brindadas por la mecánica cuántica.
En esta disciplina se añaden y aplican conceptos distintos para analizar las interacciones entre dos o más partículas, establecer propiedades intrínsecas de la materia (como la energía o las fuerzas que intervienen en un proceso determinado), entre otras herramientas de enorme utilidad.
La muestra más sencilla de impenetrabilidad química se observa en pares de electrones, los cuales generan o forman una “esfera impenetrable”.
¿Qué es la impenetrabilidad química?
La impenetrabilidad química puede definirse como la habilidad que posee un cuerpo para resistirse a que su espacio sea ocupado por otro. Dicho en otras palabras, es la resistencia que posee la materia a ser atravesada.
Sin embargo, para poder ser considerada como impenetrabilidad deben tratarse de cuerpos de materia ordinaria. En este sentido, los cuerpos pueden ser atravesados por partículas como los neutrinos (catalogados como materia no ordinaria) sin afectar su carácter impenetrable, debido a que no se observa interacción alguna con la materia.
Propiedades de la impenetrabilidad química
Al hablar de las propiedades de la impenetrabilidad química, debe hablarse de la naturaleza de la materia.
Se puede decir que si un cuerpo no puede existir en las mismas dimensiones temporales y espaciales que otro, este cuerpo no puede ser penetrado o traspasado por el antes mencionado.
Hablar de impenetrabilidad química es hablar de tamaño, pues esto significa que los núcleos de átomos que poseen distintas dimensiones demuestran que existen dos clases de elementos:
- Metales (poseen núcleos de gran tamaño).
- No metales (tienen núcleos de tamaño pequeño).
Esto también está relacionado con la capacidad que tienen estos elementos de ser atravesados.
Entonces, dos o más cuerpos dotados de materia no pueden ocupar la misma área en el mismo instante, porque las nubes de electrones que constituyen los átomos y moléculas presentes no pueden ocupar el mismo espacio a la vez.
Este efecto se genera para los pares de electrones sometidos a las interacciones Van der Waals (fuerza a través de la cual se estabilizan las moléculas).
Causas
La causa principal de la impenetrabilidad observable a nivel macroscópico proviene de la existencia de la impenetrabilidad existente a nivel microscópico, y esto sucede al contrario también. De esta manera, se dice que esta propiedad química es inherente al estado del sistema que se esté estudiando.
Por esta razón se emplea el Principio de exclusión de Pauli, que sustenta el hecho de que las partículas como los fermiones deben ubicarse en niveles distintos para otorgar una estructura con el mínimo de energía posible, lo que implica que posee el máximo de estabilidad posible.
Así, cuando determinadas fracciones de materia se acercan entre sí, estas partículas también lo hacen, pero existe un efecto repulsivo generado por las nubes de electrones que posee cada una en su configuración y logra que sean impenetrables entre sí.
Sin embargo, esta impenetrabilidad es relativa a las condiciones de la materia, puesto que si estas son alteradas (por ejemplo, siendo sometidas a presiones o temperaturas muy elevadas) también esta propiedad puede cambiar, transformando un cuerpo para hacerlo más susceptible a ser atravesado por otro.
Ejemplos de impenetrabilidad química
Fermiones
Se puede contar como un ejemplo de impenetrabilidad química el caso de las partículas cuyo número cuántico de giro (o spin, s) está representado por una fracción, las cuales son llamadas fermiones.
Estas partículas subatómicas exhiben impenetrabilidad porque no pueden situarse en el mismo estado cuántico dos o más fermiones exactamente iguales, al mismo tiempo.
El fenómeno anteriormente descrito se explica de una manera más clara para las partículas más conocidas de este tipo: los electrones en un átomo. De acuerdo con el Principio de exclusión de Pauli, dos electrones en un átomo polielectrónico están imposibilitados de tener los mismos valores para los cuatro números cuánticos (n, l, m y s).
Esto se explica de la siguiente manera:
Suponiendo que se tengan dos electrones ocupando el mismo orbital, y se presenta el caso de que estos poseen valores iguales para los primeros tres números cuánticos (n, l y m), entonces el cuarto y último número cuántico (s) debe ser distinto en ambos electrones.
Es decir, un electrón debe tener un valor de spin igual a ½ y el del otro electrón debe ser -½, porque implica que ambos números cuánticos spin son paralelos y de sentido contrario.
Atravesar materia ordinaria
Un ejemplo simple de la impenetrabilidad a nivel macroscópico es la incapacidad que tiene una persona de atravesar con su cuerpo una pared de cemento, una puerta cerrada u otro cuerpo de materia ordinaria.
Referencias
- Heinemann, F. H. (1945). Toland and Leibniz. The Philosophical Review.
- Crookes, W. (1869). A Course of six lectures on the chemical changes of Carbon. Recuperado de books.google.co.ve
- Odling, W. (1869). The Chemical News and Journal of Industrial Science: (1869:Jan.-June). Recuperado de books.google.co.ve
- Bent, H.A. (2011). Molecules and the Chemical Bond. Recuperado de books.google.co.ve