Estructura Atómica, Modelos Atómicos e Isótopos
Estructura del átomo
Al terminar vas a poder calcular protones, neutrones y electrones de cualquier átomo o ion, explicar por qué el número atómico define el elemento y el másico no, y entender por qué casi todo el átomo es espacio vacío.
Cómo está armado un átomo
El átomo tiene dos zonas, y son muy distintas entre sí:
- El núcleo, en el centro, con los protones —carga positiva— y los neutrones —sin carga—.
- La nube electrónica, alrededor, donde están los electrones, de carga negativa.
Y hay dos frases que resumen la estructura y que conviene entender, no repetir:
«Casi toda la masa está en el núcleo.» Un protón y un neutrón pesan más o menos lo mismo; el electrón pesa unas 1.836 veces menos. Si el electrón fuera una manzana, el protón sería un carro pequeño. Por eso al calcular la masa de un átomo los electrones no se cuentan: su aporte es despreciable.
«Casi todo el volumen es vacío.» El núcleo es diminuto comparado con el átomo entero: si el átomo fuera un estadio, el núcleo sería una canica en el centro del campo y los electrones andarían por las gradas. Todo lo de en medio está vacío.
Y de esas dos cosas juntas sale algo que sorprende y que el examen aprovecha: la materia sólida que tocás es, en su inmensa mayoría, espacio vacío. Lo que impide que tu mano atraviese la mesa no es que esté «llena», sino la repulsión entre las nubes de electrones de las dos.
Los dos números que describen a un átomo
Número atómico (Z) = cantidad de protones.
- Define el elemento, y por eso nunca cambia. Todo átomo con 6 protones es carbono; si llegara a tener 7, dejaría de ser carbono y sería nitrógeno.
- Es el número por el que están ordenados los elementos en la tabla periódica.
Número másico (A) = protones + neutrones.
- Es lo que hay en el núcleo, o sea prácticamente toda la masa.
- Sí puede cambiar sin cambiar el elemento: eso son los isótopos.
De esos dos salen las demás cuentas:
- Neutrones = A − Z
- En un átomo neutro: electrones = protones = Z
Fijate en la diferencia de fondo entre Z y A, porque es la pregunta conceptual del tema: el Z es la identidad —cambiarlo es cambiar de elemento— y el A es el peso —cambiarlo solo da una versión más pesada del mismo elemento—.
Notación
Se escribe con el número másico arriba y el atómico abajo, a la izquierda del símbolo, o simplemente elemento-A:
- carbono-14 o ¹⁴C: A = 14. Como el carbono tiene Z = 6, tiene 8 neutrones.
- uranio-235: A = 235, Z = 92, entonces 143 neutrones.
Ejemplos resueltos
1 · Átomo neutro. El uranio-235 tiene Z = 92. ¿Cuántas partículas de cada tipo?
- Protones = Z = 92.
- Neutrones = A − Z = 235 − 92 = 143.
- Como es neutro, electrones = 92.
2 · El mismo elemento, otro isótopo. Uranio-238.
Protones 92 —no cambia, es uranio—, neutrones 238 − 92 = 146, electrones 92. Lo único que cambió fueron los neutrones.
3 · Un ion. ¿Cuántos electrones tiene el Ca²⁺, con Z = 20?
- El calcio neutro tiene 20 electrones.
- La carga +2 significa que perdió dos.
- Quedan 18 electrones. Los protones siguen siendo 20.
El control que conviene hacer siempre: ¿quedó coherente la carga? 20 positivas − 18 negativas = +2. Cuadra.
4 · Al revés. Un átomo tiene 17 protones, 18 neutrones y 18 electrones. ¿Qué es?
- Z = 17 → es cloro.
- A = 17 + 18 = 35 → cloro-35.
- Tiene un electrón de más que protones → es el ion Cl⁻.
Por qué los electrones deciden la química
La masa está en el núcleo, pero el comportamiento químico está en los electrones, y en particular en los de la última capa, los electrones de valencia.
La razón es de contacto: cuando dos átomos se acercan, lo primero que se toca son sus nubes electrónicas. Los núcleos nunca llegan a encontrarse. Así que todo lo que un átomo hace —con quién se une, cuántos enlaces forma, si conduce electricidad— lo decide lo que tiene por fuera, no lo que guarda en el centro.
Esa es la razón de que los isótopos de un elemento se comporten químicamente igual: tienen distinto número de neutrones, pero los mismos electrones.
Los errores que más se cobran
- Restar al revés. Es A − Z, nunca Z − A. El número másico siempre es mayor o igual.
- Creer que el número másico son los electrones. Los electrones casi no pesan; A son protones más neutrones.
- Cambiar Z al hablar de isótopos o de iones. Los protones no cambian nunca. Los isótopos cambian neutrones; los iones, electrones.
- Poner los electrones en el núcleo. Están alrededor.
Clave de análisis
Todo sale de dos definiciones y una resta. Z son los protones y es la identidad del elemento —no cambia jamás—; A son protones más neutrones y es el peso; y neutrones = A − Z. Si el átomo es neutro, electrones = Z; si es un ion, restale la carga a Z con su signo, y comprobá que las cargas cuadren. Y para la parte conceptual acordate de la división del trabajo: el núcleo pone la masa, los electrones ponen la química.