¿Cómo se mide el tamaño de las moléculas?

Por Claudio Martinez

En mis habituales salidas por Avda. Corrientes (Buenos Aires) buscando libros interesantes de ciencia, hallé un librito de 1945, escrito por el Dr. Juan T. D´alessio llamado “La constitución de los átomos”.

medir-moleculas

Nunca vi una explicación tan clara sobre cómo se midió por primera vez el tamaño de las moléculas.

Por ello tome los conceptos principales, aggiornados y ampliados, y quedó este post.

Cuando afirmamos que las moléculas son pequeñísimas, seguramente trataras de comparar su tamaño con los objetos más pequeños que conoces, una gotita de agua casi invisible o un grano de polvo microscópico, de esos que a millares se agitan en el rayo de sol que penetra en una habitación a oscuras.

Sin embargo tu imaginación estará aun muy lejos de alcanzar la idea del tamaño de las moléculas. En una gotita de agua, tan pequeña que solo puede verse con el microscopio más potente, hay más de 3 mil millones!

Como los inconmensurables espacios estelares, los tamaños moleculares no tienen en nuestra mente representación posible y debemos contentarnos con alcanzar ideas por comparación.

La observación atenta de algunos hechos que nos son familiares muestra que efectivamente, la materia alcanza esos límites.

La idea es tener una capa de materia tan fina que sea del espesor de una molécula, para poder estimar su tamaño. Se la denomina capa mono molecular.

Tal vez el oro….

El oro, además de ser muy valioso, es tan maleable que puede hacerse de espesores insignificantes.

Una lámina de oro de las que se usan para hacer letras, puede alcanzar espesores pequeñísimos. De hecho son tan finas que se ponen traslucidas, y adquieren un color verdoso. En ese momento no se pueden manipular mas, ya que son tan finas que se rompen.

Diez mil hojas superpuestas apenas forman un milímetro, es decir, cada una mide en promedio un diez milésimo de milímetro (0,0001 mm.).

Pero ¿podemos estar seguros que es una lámina mono molecular?

Las experiencias de laboratorio indican que no. Hay cosas más delgadas aun.

Las burbujas de jabón

Con otra experiencia muy común podemos alcanzar espesores todavía veinte veces menores.

Si al lavarnos las manos con jabón formarnos una burbuja entre los dedos índice y pulgar y la mantenemos vertical, el liquido se va escurriendo lentamente hacia abajo, y se puede apreciar la disminución progresiva del espesor por las franjas de colores, que aparecen y se corren hacia abajo.

burbuja-colores

Estos colores se producen al iluminar la burbuja con luz blanca y el espesor es tal que se anula  la luz. Por ejemplo, si se anula la luz azul, la burbuja se ve con el color complementario correspondiente: amarillo. El fenómeno físico se denomina interferencia de la luz blanca en capas delgadas. (en el enlace un detalle de como funciona).

En la parte más gruesa de la burbuja, la parte inferior; se cancela el verde y la burbuja se ve púrpura. Si la burbuja es de gran tamaño se producen corrientes de líquido y el espesor cambia, de aquí que también cambian sus colores.

burbuja-jabon-interferencia

Pero finalmente, antes de romperse la burbuja, en la parte superior, donde la película es más delgada, se forman unas manchas oscuras, casi negras.

El físico y químico francés Jean Perrin (1870-1942), que ha consagrado su vida al estudio de los átomos y las moléculas, midió por métodos físicos, el espesor de estas manchas oscuras, hallando un valor próximo a cinco millonésimos de milímetro (0,000005 mm).

Como la lámina liquida de la burbuja debe tener por lo menos una capa de moléculas, el tamaño de cada una de ellas no puede superar el valor anterior.

Pero aun no podernos estar seguros de que la capa oscura de la burbuja es mono molecular.

¿Hay algún material que sea más delgado aun?

Si.

Y es algo que estamos habituados a ver siempre:

El aceite sobre agua

Cuando cae una gotita de aceite en el agua, se extiende sobre la superficie y la cubre con montones de hermosos colores, por el mismo motivo que la burbuja de jabón.

El espesor de la lámina liquida de aceite alcanza valores extraordinariamente pequeños que se pueden determinar por métodos muy sencillos.

Una lámina mono molecular real

Coloquemos sobre la superficie limpia del agua destilada contenida en una cubeta de esas que se usaban en fotografía, una gota muy pequeña de aceite.

jpg_decomposition_essence
Una mancha de aceite en la calle.

Esta comienza en seguida a extenderse sobre el agua y se producen fenómenos de coloración similares al de las pompas de jabón.

Por último, se pierde toda coloración (es el momento similar a las manchas oscuras de las pompas) y la mancha de aceite deja de ser visible. Pero hay un método muy sencillo e ingenioso, ideado por la química inglesa Dra. Agnes Pockels (1862-1935), para revelar el contorno de la mancha.

Simplemente se espolvorea talco muy fino sobre la cubeta soplando luego suavemente al ras de la superficie, se marcan con perfecta nitidez los bordes de la mancha, pues ahí se acumula mayor cantidad de talco.

experimento-molecula
En el experimento, se coloca en la bandeja con agua limpia, una micro gota de aceite. Para lograr notar los limites se espolvorea con talco (o tiza), para ver los limites de la mancha.

Si el recipiente es negro el contraste resulta mucho mayor. Repitiendo varias veces la experiencia con la misma cantidad de aceite, es fácil comprobar que la mancha alcanza un área perfectamente definida, y siempre la misma, lo cual indica que se llega siempre al mismo espesor final.

Dividiendo el volumen de aceite usado por el área de la mancha, se obtiene el valor del espesor, pues:

formula1

o bien:

 

formula-2

En una experiencia realizada  por el francés Devaux, con 0,025 milímetros cúbicos de aceite, obtuvo una mancha circular de 5,5 centímetros de radio, o sea de unos 10.000 milímetros cuadrados de área.

El espesor resultó = 0,025/10.000 = 0,0000025 milímetros

0 sea dos millonésimos y medio de milímetro o bien expresado como fracción de centímetro: 0,00000025 cm.

capas-moleculares
A la izquierda, el aceite todavía no terminó de dispersarse. Hay varias capas de aceite unas sobre otras. A la derecha, la dispersión es completa: hay una sola capa molecular.

Numerosas experiencias similares han llevado a los hombres de ciencia, finalmente, a la conclusión de que estas películas de aceite están formadas por una sola capa de moléculas (“film” mono molecular).

Disponemos, pues, de un método de increíble sencillez para “medir” las moléculas, para comparar sus tamaños, para estudiar las más leves modificaciones de su estructura. Así el ingenio del hombre vence las limitaciones de sus sentidos.

Así, en promedio, la película de aceite tiene una molécula de espesor, la de una burbuja de jabón, dos, y la de oro 40.

Igual recuerda que estamos comparando átomos con moléculas, y las moléculas tienen diferentes tamaños y formas.

 

Hoy en día, es posible “ver”, con microscopios electrónicos o de efecto túnel, los átomos o moléculas, e inclusive moverlos, pero estas sencillas experiencias, que hoy día pueden hacerse en un colegio, o en casa, dan una idea precisa sobre cuál es el tamaño de las moléculas.

Una imagen real de átomos de grafito

Si te interesa hacer el experimento, puedes ver una guía en el enlace.

Te aviso que no es tan simple, ya que el aceite se extiende muchísimo y hay que diluirlo para que haga una mancha de un  tamaño razonable.

Como comparación, una cucharadita de aceite se extiende 30×30 metros…. Casi 1000 metros cuadrados!!