Estructura del átomo, iones e isótopos
Estructura del átomo, iones e isótopos
Al terminar vas a poder deducir cuántos protones, neutrones y electrones tiene un átomo a partir de Z y A, explicar por qué un catión queda positivo aunque haya perdido algo, distinguir un ion de un isótopo sin dudar, y ubicar qué corrigió cada científico del modelo atómico.
En la prueba, este tema trae 11 preguntas.
Tres partículas y una sola que manda
El átomo tiene tres partículas, y la manera más rápida de ordenarlas es por dónde están y qué carga llevan:
| Partícula | Carga | Dónde está |
|---|---|---|
| Protón | positiva | en el núcleo |
| Neutrón | sin carga | en el núcleo |
| Electrón | negativa | alrededor del núcleo |
Fijate en el reparto: las dos que tienen masa apreciable están adentro, en el núcleo; la ligera anda por fuera. Eso explica de un solo golpe por qué la masa atómica cuenta protones y neutrones y no cuenta electrones.
Lo que hace único a cada elemento es su cantidad de protones. Cambiarle los neutrones da un isótopo; cambiarle los electrones da un ion. Cambiarle los protones da otro elemento. Con esa sola frase quedan separadas las tres situaciones que el examen cruza.
Quién corrigió a quién
El modelo atómico no lo inventó nadie de una vez: cada científico corrigió al anterior, y el examen pregunta por ese encadenamiento más que por las fechas.
- Demócrito: propuso, sin experimentos, que la materia estaba hecha de partículas indivisibles. Fue una idea filosófica.
- John Dalton: retomó la idea con base experimental y planteó el átomo como una esfera maciza e indivisible.
- J. J. Thomson: descubrió el electrón. Si hay una partícula más pequeña dentro, el átomo no puede ser indivisible: ahí cae Dalton.
- Ernest Rutherford: demostró que el átomo tiene un núcleo pequeño, denso y positivo, y por lo tanto está casi vacío. Eso corrige la idea de esfera maciza.
- Niels Bohr: propuso que los electrones giran en niveles de energía definidos, no en cualquier parte.
- Erwin Schrödinger: planteó el modelo actual, donde no se puede decir la posición exacta del electrón.
Leído así, el orden se sostiene solo: primero se imagina el átomo, luego se prueba, luego se descubre que tiene partes, luego que esas partes están ordenadas, y al final que ese orden no es una órbita fija.
Número atómico y masa atómica: dos números, dos preguntas distintas
- Número atómico (Z) = cantidad de protones. Responde «¿qué elemento es?».
- Masa atómica (A) = protones + neutrones. Responde «¿cuánto pesa este átomo?».
Los electrones no entran en A porque su masa es despreciable frente a la del núcleo. No es que se olviden: es que no cambian el resultado.
De ahí salen las tres cuentas, y ninguna hay que aprenderla suelta:
- Protones = Z. Por definición.
- Neutrones = A − Z. Si A es la suma de las dos partículas del núcleo y Z es una de ellas, la otra es la resta.
- Electrones: en un átomo neutro, iguales a Z, porque las cargas se cancelan. En un catión, Z − la carga. En un anión, Z + la carga.
Iones: el que pierde queda positivo
Un ion es un átomo que ganó o perdió electrones, o sea que dejó de estar neutro.
- Catión: perdió electrones y quedó positivo. Na⁺, Ca²⁺.
- Anión: ganó electrones y quedó negativo. Cl⁻, O²⁻.
Esto se invierte todo el tiempo, y se arregla con una sola idea: el electrón es negativo. Si el átomo bota cargas negativas, lo que le queda es un sobrante de positivo. Si recibe cargas negativas, queda con sobrante negativo. No hay que confiar en el nombre, hay que seguir la carga.
Y eso tiene una consecuencia práctica: el movimiento de cationes y aniones en una disolución es lo que le permite conducir electricidad. Las cargas que se desplazan son las que hacen la corriente.
Isótopos: mismo elemento, distinto peso
Dos átomos son isótopos si son del mismo elemento pero tienen distinta cantidad de neutrones: mismo Z, distinta A.
El caso clásico es el carbono: el carbono-12 y el carbono-14 tienen los dos 6 protones, así que los dos son carbono, pero uno tiene 6 neutrones y el otro 8. Cambió la masa, no la identidad. Por eso un isótopo no es un elemento nuevo: para que lo fuera tendría que cambiar el número de protones, y ahí ya no hablaríamos de isótopos.
Ejemplos resueltos
1. Un átomo neutro tiene Z = 15 y A = 31. ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tiene? Protones = 15, porque protones y Z son lo mismo. Neutrones = 31 − 15 = 16, porque A es la suma de los dos del núcleo. Electrones = 15, porque está neutro y las cargas se compensan.
2. Un átomo con Z = 20 pierde 2 electrones. ¿Qué queda? Queda con 20 − 2 = 18 electrones. Como botó dos cargas negativas, le sobran dos positivas: es un catión con carga 2+. Los protones siguen siendo 20, así que sigue siendo el mismo elemento.
3. Un átomo con Z = 17 gana 1 electrón. ¿Qué queda? Queda con 17 + 1 = 18 electrones: un anión con carga 1−. Fijate que tiene los mismos 18 electrones que el catión del ejemplo anterior, y sin embargo son elementos distintos, porque tienen distinto número de protones. Los electrones nunca deciden la identidad.
4. Dos átomos tienen Z = 6; uno tiene A = 12 y el otro A = 14. ¿Qué relación hay entre ellos? Los dos son carbono, porque los dos tienen 6 protones. Neutrones: 12 − 6 = 6 y 14 − 6 = 8. Mismo Z y distinta A: son isótopos entre sí.
5. ¿Qué le pasa a un átomo si se le agrega un protón? Se convierte en otro elemento, porque el número de protones es lo que define cuál es. No es un ion —eso sería cambiar electrones— ni un isótopo —eso sería cambiar neutrones—.
Los errores que más se cobran
- Invertir catión y anión. Los nombres no dicen cuál es cuál, así que hay que ir a la carga: el que pierde electrones negativos queda positivo.
- Restar cuando había que sumar en un anión. Pasa por aplicar la misma cuenta a los dos casos. Si el átomo ganó electrones, la operación es sumar.
- Sumarle los electrones a la masa atómica. Se cuela porque uno piensa «todas las partículas». Pero A cuenta solo lo que está en el núcleo, que es donde está la masa.
- Creer que un isótopo es otro elemento. El nombre suena a algo distinto, pero el número de protones no cambió, así que el elemento es el mismo.
- Cambiar Thomson por Rutherford. Van seguidos y los dos hablan del interior del átomo. Thomson descubrió el electrón; Rutherford, el núcleo.
- Atribuirle experimentos a Demócrito. Su aporte fue una idea sin base experimental; el que la volvió ciencia fue Dalton.
Clave de análisis
Casi todo este tema sale de una sola pregunta: ¿qué fue lo que cambió? Si cambiaron los protones, cambió el elemento. Si cambiaron los neutrones, es el mismo elemento con otra masa, o sea un isótopo. Si cambiaron los electrones, es el mismo elemento con carga, o sea un ion. Esas tres respuestas cubren prácticamente todos los enunciados del tema, y no hacen falta tres definiciones aparte: basta con ubicar cuál de las tres partículas se movió.
Las cuentas salen de ahí mismo. Z son los protones y A es lo que hay en el núcleo, así que los neutrones son la resta. Los electrones se igualan a Z solo cuando el átomo está neutro, y en cuanto aparece una carga hay que ajustarla en el sentido que indique el signo: positivo significa que faltan electrones, negativo que sobran. Y si se te cruza el orden de los científicos, reconstruilo por lo que cada uno corrigió: idea sin prueba, esfera maciza, aparece el electrón, aparece el núcleo, aparecen los niveles, y al final la posición deja de ser exacta.