Estructura atómica: partículas subatómicas, isótopos y modelos atómicos

Toda la materia está formada por átomos, partículas tan pequeñas que en la cabeza de un alfiler caben billones de ellas. El átomo es la unidad más pequeña de un elemento que conserva su identidad química y la que participa en las reacciones químicas.

Partículas subatómicas

El núcleo reúne casi toda la masa del átomo en un espacio diminuto; los electrones ocupan la mayor parte del volumen.

Número atómico, número de masa y neutrones

• Número atómico ($Z$): número de protones. Identifica al elemento: todo átomo con 6 protones es carbono. En un átomo neutro, el número de electrones es igual a $Z$.
• Número de masa ($A$): protones más neutrones.
• Neutrones: $n = A - Z$.

Se escriben así: $^{A}_{Z}\text{X}$. Por ejemplo, $^{23}_{11}\text{Na}$.

Isótopos

Son átomos del mismo elemento (igual $Z$) con distinto número de neutrones y, por lo tanto, distinta masa.

Ejemplo: el hidrógeno tiene tres isótopos: protio $^{1}_{1}\text{H}$ (0 neutrones), deuterio $^{2}_{1}\text{H}$ (1 neutrón) y tritio $^{3}_{1}\text{H}$ (2 neutrones). El carbono-12 y el carbono-14 también son isótopos; el segundo es radiactivo y sirve para fechar fósiles.

La masa atómica que aparece en la tabla periódica es el promedio ponderado de las masas de los isótopos de un elemento según su abundancia. Por eso el cloro tiene 35.45 uma y no un número entero.

Iones

Un ion es un átomo con carga eléctrica porque ganó o perdió electrones (los protones nunca cambian en una reacción química).

• Catión (+): perdió electrones. $\ce{Na -> Na+ + e-}$. El $\ce{Na+}$ tiene 11 protones y 10 electrones.
• Anión (−): ganó electrones. $\ce{Cl + e- -> Cl-}$. El $\ce{Cl-}$ tiene 17 protones y 18 electrones.

Ejemplo: el ion $\ce{Ca^{2+}}$ ($Z = 20$) tiene 20 protones y $20 - 2 = 18$ electrones.

Modelos atómicos

Las ideas sobre el átomo cambiaron conforme los experimentos revelaron su estructura.

Teoría atómica de Dalton

1. Los elementos están formados por partículas indivisibles llamadas átomos.
2. Los átomos de un mismo elemento son iguales en masa y propiedades; los de elementos distintos son diferentes.
3. Los compuestos se forman cuando átomos de distintos elementos se combinan en proporciones de números enteros sencillos (1:1, 1:2, 2:3…).
4. En una reacción química los átomos solo se reordenan: no se crean ni se destruyen.

Hoy sabemos que los átomos sí se dividen (en partículas subatómicas) y que existen isótopos, pero las ideas 3 y 4 siguen vigentes.

Modelo de Thomson

Con los rayos catódicos, Thomson demostró que todos los átomos contienen partículas negativas, los electrones. Propuso que el átomo era una esfera de carga positiva con los electrones incrustados, como las pasas en un pudín.

Modelo de Rutherford

En 1909, Geiger y Marsden, bajo la dirección de Rutherford, bombardearon una lámina de oro muy delgada con partículas alfa. Casi todas la atravesaron sin desviarse, pero unas pocas rebotaron. Rutherford concluyó que el átomo es casi todo espacio vacío, con un núcleo pequeñísimo, positivo y muy denso, y los electrones girando alrededor. Puedes ver el experimento en la clase de física sobre modelos atómicos.

Modelo de Bohr

1. Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas circulares de energía fija, llamadas niveles ($n = 1, 2, 3\ldots$).
2. Mientras un electrón permanece en su nivel, no gana ni pierde energía.
3. Si absorbe energía, salta a un nivel superior; al regresar a un nivel inferior, emite esa energía como luz. Por eso cada elemento tiene un espectro de colores característico.

Modelo mecánico-cuántico

No es posible conocer al mismo tiempo la posición y la velocidad exactas de un electrón (principio de incertidumbre de Heisenberg). Por eso, en lugar de órbitas, se habla de orbitales: regiones del espacio donde es más probable encontrar al electrón. Este modelo se estudia en la clase de números cuánticos y configuración electrónica.

Comprueba lo aprendido

1. ¿Cuántos protones, electrones y neutrones tiene el ¹²⁷₅₃I?Ver respuestaOcultar respuesta

53 protones, 53 electrones y $127 - 53 = 74$ neutrones.

2. ¿Cuántos electrones tiene el ion S²⁻ (Z = 16)?Ver respuestaOcultar respuesta

Ganó 2 electrones: $16 + 2 = 18$ electrones.

3. ¿Qué descubrió el experimento de la lámina de oro?Ver respuestaOcultar respuesta

Que el átomo tiene un núcleo pequeño, denso y positivo, y que la mayor parte del átomo es espacio vacío.

Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:

Ejercicios resueltos de temas básicos

Referencias

• Chang, R. y Goldsby, K. A. (2017). Química (12.ª ed.). McGraw-Hill.
• Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J. y Woodward, P. M. (2014). Química, la ciencia central (12.ª ed.). Pearson Educación.
• Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).

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