Estructura Atómica

Protones

Los protones son partículas con carga positiva. Son bastante pequeños -un protón sólo pesa unos kg-, pero tendemos a medir su masa en una escala particular llamada escala de carbono-12. En esta escala, un átomo de carbono-12 tiene una masa de exactamente 12 y un protón tiene una masa de aproximadamente 1. Más adelante exploraremos qué es exactamente un átomo de carbono-12.

Encontrarás protones densamente agrupados en el núcleo, en el centro del átomo. Son muy importantes, porque una vez que conoces el número de protones de un átomo, sabes en qué parte de la tabla periódica lo encontrarás y de qué elemento forma parte.

Neutrones

Los neutrones son partículas neutras. También tienen una masa relativa de aproximadamente 1 y se encuentran junto a los protones en el núcleo. El número de neutrones puede variar entre átomos de un mismo elemento sin que ello afecte mucho a sus propiedades químicas.

Electrones

Los electrones son partículas negativas. Si pensabas que los protones eran diminutos, te vas a llevar una sorpresa: los electrones tienen una masa real deo una masa relativa de 1/1840 en la escala carbono-12. No se encuentran junto a los protones en el núcleo. No se encuentran junto a protones y neutrones. En cambio, los electrones pasan su tiempo en niveles de energía, también conocidos como envolturas, orbitando alrededor del núcleo. Los niveles de energía aumentan a medida que se alejan del núcleo y los electrones siempre intentarán estar en el nivel de energía más bajo posible. Para más información, consulta "Envolturas, subvolturas y orbitales de los electrones".

El número de electrones de un átomo determina sus propiedades químicas y cómo reacciona.

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Fig. 1 La estructura de un átomo. Los electrones orbitan alrededor del núcleo positivo, que contiene una masa densa de protones y neutrones.

La tabla siguiente ofrece un resumen de las cargas relativas, masas y ubicaciones dentro del átomo de las distintas partículas subatómicas:

Aunque los átomos parezcan abarrotados con todas sus partículas subatómicas, en realidad son en su mayoría espacio vacío: ¡resulta que Demócrito no estaba tan equivocado después de todo!

Encontrar la estructura atómica de un elemento

Está muy bien que te digan que tienes un átomo de un determinado elemento, pero ¿cómo sabes su estructura atómica y exactamente cuántas de cada tipo de partícula fundamental tiene? Aquí es donde resulta útil la tabla periódica. Tomemos como ejemplo el carbono:

Fig. 2: Carbono.

6 → Número atómico

12 → Número másico

El número atómico, Z, indica el número de prot ones del átomo y, por tanto, a qué elemento pertenece. El número másico , A, da el número total combinado de protones y neutrones del átomo. Por tanto, puedes hallar el número de neutrones restando A de Z. En un átomo sin carga, el número de electrones es siempre igual al número de protones, por lo que también viene dado por el número atómico. En nuestro ejemplo anterior, este átomo concreto de carbono tiene seis protones, seis electrones y seis neutrones.

Estructura atómica del litio

El litio tiene un número másico de 7 (con un decimal) y un número atómico de 3. Esto significa que tiene:

• Tres protones.

• Cuatro neutrones.

• Tres electrones.

Estructura atómica del oxígeno

Fig. 4: Oxígeno.

El oxígeno tiene un número másico de 16 y un número atómico de 8. Por tanto, tiene

• Ocho protones.

• Ocho neutrones.

• Ocho electrones.

Retomando nuestro ejemplo del carbono, podemos representar los números atómico y másico de la siguiente manera:

Más sencillamente, el número másico de un átomo puede representarse escribiéndolo después del nombre del elemento. Por ejemplo, el carbono-12 tiene un número másico de 12.

Para más información sobre las partículas subatómicas, consulta "Partículas fundamentales" e "Isótopos y número másico".

¿Qué son los iones y los isótopos?

¿Qué ocurriría si un átomo perdiera un electrón? Los átomos sin carga tienen, por definición, el mismo número de protones y electrones. Como los electrones son partículas negativas, si un átomo pierde un electrón se cargará positivamente. Esto se conoce como ion.

Los iones tienen propiedades químicas diferentes debido a sus distintas configuraciones electrónicas.

¿Y si un átomo perdiera un neutrón? Esto no afectaría mucho a su reacción, porque los neutrones son partículas neutras y no influyen en las propiedades químicas del átomo. Sin embargo, cambiaría su masa. A esta partícula la llamamos isótopo.

Como sus configuraciones electrónicas son las mismas, los isótopos tienen propiedades químicas similares.

Los iones y los isótopos se estudian con más detalle en el artículo "Iones e isótopos".

¿Qué es la masa atómica relativa?

Si echas un vistazo a la tabla periódica, que se muestra a continuación, verás que los números de masa rara vez son números enteros. Esto se debe a que tienen en cuenta las proporciones de isótopos que se encuentran de forma natural en las muestras del elemento. Por ejemplo, a menudo encuentras átomos de cloro con masas diferentes. Algunos tienen un número másico de 35 y otros tienen un número másico de 37. Los dos átomos diferentes son isótopos el uno del otro. La masa media de todos los isótopos de un elemento que se encuentran de forma natural se conoce como masa atómica relativa de un elemento .

Para averiguar la masa atómica relativa del cloro, por ejemplo, multiplicamos la masa de cada isótopo del cloro por su porcentaje de abundancia y los sumamos todos. Si en una muestra hay un 75% de cloro-35 y un 25% de cloro-37, la masa atómica relativa será (0,75*35) + (0,25*37) = 35,5.

Si quieres saber más sobre cómo averiguamos la masa y la abundancia de los isótopos de una muestra, consulta "Espectrometría de masas".

Fig.5: La tabla periódica. El hierro se muestra como ejemplo de masa atómica 55,845. Observa que no es un número entero.

¿Cómo están dispuestos los electrones en el átomo?

Los electrones se encuentran en envolturas que orbitan alrededor del núcleo, que también se conocen como niveles de energía. Las envolturas contienen subenvolturas y orbitales. La configuración de los electrones confiere a cada elemento sus propiedades químicas. Los electrones llenan los orbitales siguiendo ciertas reglas, como llenar primero las envolturas del nivel energético más bajo, para conseguir el estado energético más bajo posible. Aunque las reglas de llenado pueden parecer bastante complicadas, se trata de un sistema lógico. No entraremos ahora en demasiados detalles, pero la siguiente tabla ofrece una visión rápida de las distintas subcubiertas y del número de orbitales y electrones que pueden contener:

Para más información sobre el llenado y las envolturas de los electrones, consulta "Configuración de los electrones".

¿Cómo han cambiado las ideas sobre el átomo a lo largo del tiempo?

Los antiguos griegos fueron de los primeros en creer en la existencia de los átomos, pero como ahora sabemos, sólo estaban parcialmente en lo cierto sobre su naturaleza. Las ideas sobre el átomo han cambiado a lo largo de la historia gracias a los nuevos descubrimientos científicos, y algunos científicos especialmente influyentes son:

• Demócrito.
• John Dalton.
• J. J. Thompson.
• Ernest Rutherford.

Demócrito

Como sabes, Demócrito creía que los átomos eran la partícula más pequeña posible y, por tanto, indivisibles. También creía que los átomos eran indestructibles y estaban en constante movimiento.

Juan Dalton

Dalton, físico y químico nacido en 1766, también sugirió que los átomos no podían descomponerse. Además, amplió la idea para sugerir que todos los átomos de un elemento eran idénticos y que los átomos de elementos diferentes tenían masas diferentes.

JJ Thompson

Thompson, nacido en 1856, descubrió que los átomos contienen partículas subatómicas que hoy conocemos como electrones. Propuso que los electrones cargados negativamente se dispersaban aleatoriamente por el átomo positivo como las ciruelas en un pudin de ciruelas.

Ernest Rutherford

Entre 1908 y 1924, Rutherford y su equipo llevaron a cabo una serie de experimentos. Dispararon partículas cargadas positivamente a una lámina extremadamente fina de pan de oro. Gracias a sus observaciones descubrieron varias cosas.

En primer lugar, descubrieron que la mayoría de las partículas atravesaban directamente la lámina de oro. Esto significaba que el átomo era en su mayor parte espacio vacío.

En segundo lugar, vieron que algunas de las partículas se reflejaban en la lámina de oro. Como las cargas semejantes se repelen, esto significaba que en el centro del átomo había una pequeña masa positiva densamente cargada. Rutherford la denominó núcleo. Propuso que las partículas positivas de un átomo estaban confinadas en su centro y que los electrones negativos se encontraban en anillos que orbitaban alrededor del núcleo.