Ionización para niños
La ionización es un proceso en el que se forman iones. Los iones son átomos o moléculas que tienen una carga eléctrica. Esto ocurre cuando ganan o pierden electrones en comparación con su estado neutro.
Si un átomo o molécula gana electrones, se vuelve negativo y se llama anión. Si pierde electrones, se vuelve positivo y se llama catión. Hay varias formas en que los átomos y las moléculas pueden convertirse en iones.
Contenido
¿Cómo se forman los iones?
Los iones con carga negativa se forman cuando un electrón libre choca con un átomo y se queda "atrapado" en él. Al hacerlo, libera energía extra. Este proceso se conoce como ionización por captura de electrones.
Los iones con carga positiva se forman cuando un electrón que está unido a un átomo recibe suficiente energía. Esta energía puede venir de colisiones con otras partículas cargadas (como otros iones o electrones) o con fotones (partículas de luz). La cantidad mínima de energía necesaria para liberar un electrón se llama potencial de ionización.
Ionización adiabática: Un proceso de energía mínima
La ionización adiabática es un tipo de ionización donde un electrón se añade o se quita de un átomo o molécula de la manera más eficiente posible. Esto significa que el ion resultante se forma con la menor energía posible.
Un buen ejemplo de cómo se crean iones positivos y electrones libres es la descarga de Townsend. Imagina una reacción en cadena: un electrón libre choca con una molécula de gas y libera otro electrón. Si hay un campo eléctrico fuerte, estos electrones ganan energía y chocan con más moléculas, liberando aún más electrones. Así se crea una "avalancha" de electrones.
La eficiencia de ionización mide cuántos iones se forman en comparación con la cantidad de electrones o fotones que se usan.
Energía de ionización en los átomos
La energía de ionización de los átomos nos ayuda a entender cómo se comportan los elementos en la tabla periódica de los elementos. Esta energía es una herramienta útil para saber cómo se organizan los electrones en las "capas" o orbitales atómicos de un átomo.
Por ejemplo, si miras la tabla, verás que la energía de ionización baja mucho después de los gases nobles. Esto indica que se ha abierto una nueva capa de electrones en los metales alcalinos. También, los puntos más altos en el gráfico de energía de ionización, al moverse de izquierda a derecha en una fila, nos muestran las diferentes subcapas de electrones (s, p, d y f).
¿Cómo se explica la ionización?
Modelos clásicos y cuánticos
Los modelos más antiguos de la física clásica y el modelo de Bohr pueden explicar cómo la luz (fotoionización) o las colisiones pueden ionizar un átomo. En estos casos, el electrón obtiene suficiente energía para escapar de la atracción del átomo.
Sin embargo, estos modelos no pueden explicar la ionización túnel. Este es un fenómeno de la mecánica cuántica donde un electrón puede "atravesar" una barrera de energía, incluso si no tiene la energía suficiente para saltarla.
Cuando los átomos o moléculas interactúan con láseres muy potentes, se pueden formar iones con una o varias cargas. La probabilidad de que esto ocurra solo se puede calcular usando la mecánica cuántica.
Ionización por efecto túnel
La ionización túnel ocurre gracias al efecto túnel. En la ionización normal, un electrón necesita mucha energía para escapar de un átomo. Pero con el efecto túnel, el electrón, que también se comporta como una onda, puede simplemente "atravesar" la barrera de energía del átomo.
La probabilidad de que un electrón haga esto disminuye mucho si la barrera es más ancha. Por eso, un electrón con más energía puede llegar más arriba en la barrera, haciendo que la parte que tiene que atravesar sea más delgada y, por lo tanto, más fácil de cruzar.
En la práctica, la ionización túnel se observa cuando un átomo o molécula interactúa con pulsos de láser muy intensos. Este proceso también se conoce como ionización multifotónica (MPI), porque el electrón absorbe varios fotones del láser para ionizarse.
La ionización en la química
En algunas reacciones químicas, la ionización sucede por la transferencia de electrones. Por ejemplo, cuando el cloro reacciona con el sodio para formar cloruro de sodio (sal de mesa), se crean iones de sodio (Na+) y iones de cloruro (Cl-).
Para que se formen iones en las reacciones químicas, a menudo debe haber una gran diferencia en la electronegatividad entre los elementos que reaccionan. También ayuda si el entorno es "polar", lo que significa que puede estabilizar los iones. Por ejemplo, el pentacloruro de fósforo (PCl5) no es iónico en líquidos poco polares, pero se disocia en iones en líquidos polares como el nitrobenceno.
La presencia de ácidos de Lewis (sustancias que aceptan electrones) también puede favorecer la ionización. Esto se debe a que forman complejos estables. Por ejemplo, al añadir tricloruro de aluminio a ciertas sustancias orgánicas, se forman compuestos iónicos.
La ionización en la física
En el ambiente, existen microorganismos que pueden ser perjudiciales para la salud. La esterilización busca destruir o eliminar todos estos microbios. Se sabe desde hace mucho tiempo que la radiación solar, especialmente la ultravioleta, puede esterilizar.
La esterilización con rayos gamma es una tecnología segura que se usa para reducir los microbios en alimentos y otros productos. Esto disminuye el riesgo de enfermedades transmitidas por los alimentos y mejora la calidad de los productos.
La energía ionizante puede venir de tres fuentes: rayos gamma, máquinas que generan electrones y rayos X. La fuente más común de rayos gamma es el cobalto-60.
Los rayos gamma son ondas electromagnéticas muy cortas que pueden penetrar envases y productos. Al hacerlo, causan pequeños cambios en el ADN de las bacterias o microorganismos, lo que los mata o los deja sin capacidad de reproducirse. Esta tecnología permite tratar productos en su envase final.
La energía ionizante se puede usar para esterilizar o reducir la cantidad de microbios en muchos productos, eliminando aquellos que pueden ser dañinos. Algunos ejemplos son alimentos, cosméticos, productos médicos, hierbas medicinales, productos de laboratorio y farmacéuticos, alimentos para animales y embalajes.
Esta tecnología se usa comercialmente desde los años 1950 y está aprobada en más de treinta países para más de cincuenta tipos de alimentos. Organizaciones importantes como la WHO (Organización Mundial de la Salud), FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación), IAEA (Organismo Internacional de Energía Atómica) y FDA (Agencia de Alimentos y Medicamentos de EE. UU.) la han aprobado y regulan su uso.
Los rayos gamma no dejan residuos y son efectivos contra organismos dañinos, lo que ayuda a obtener alimentos seguros y saludables. Las investigaciones han demostrado que no hay pérdidas importantes de nutrientes en los alimentos tratados.
Aplicaciones: Detección de materiales específicos
Una aplicación importante que aún se está investigando es la detección de explosivos y ciertos materiales peligrosos. Esto se hace usando la ionización por electrospray, junto con análisis de movilidad y espectrometría de masas.
En España, una empresa tecnológica llamada SEDET está desarrollando un equipo para detectar explosivos o cualquier tipo de sustancias peligrosas. Este equipo se llama "Air Cargo Explosive Screener (ACES)" y está diseñado para contenedores de carga aérea o puertos.
SEDET es una colaboración entre SEADM, Morpho y el centro tecnológico CARTIF. Su objetivo es crear una nueva generación de sistemas para detectar las pequeñas huellas que dejan las sustancias explosivas.
Un ionizador de electrospray (ES) es un dispositivo que mezcla un aerosol cargado con una muestra de aire. Si el aire contiene vapores o partículas de los materiales que se buscan, las moléculas de esos materiales se ionizan. Esto ocurre por contacto con las gotas o por intercambio de carga con los iones del aerosol. Así se forman iones moleculares que pueden ser analizados.
La ionización ES es útil para detectar pequeñas cantidades de materiales con baja volatilidad por varias razones:
- Es una técnica "suave", lo que significa que no rompe la molécula que se va a ionizar. Esto permite una mayor precisión y sensibilidad.
- Permite ionizar vapores y partículas que están suspendidas en un gas.
- Se puede adaptar para ionizar muchos tipos diferentes de moléculas, mezclando un reactivo químico con el líquido pulverizado.
Véase también
En inglés: Ionization Facts for Kids
- Anión
- Catión
- Disociación (química)
- Enlace iónico
- Radiación ionizante
- Svante Arrhenius
