Electrones, protones y neutrones
Todo está hecho de átomos. Durante mucho tiempo se pensó que un átomo no se podía dividir. Luego los científicos encontraron partículas más pequeñas dentro de él.
- Electrón (e⁻): lo descubrió J. J. Thomson en 1897. Carga −1. Muy ligero: cerca de 1/1836 de la masa de un protón. Se mueve fuera del núcleo.
- Protón (p⁺): se halló estudiando los rayos canales (E. Goldstein, 1886). Carga +1. Masa de unos 1 u.
- Neutrón (n): lo descubrió J. Chadwick en 1932. Sin carga. Masa de unos 1 u, un poco más que el protón. Todos los átomos tienen neutrones, salvo el hidrógeno común.
Un átomo tiene tantos protones como electrones. Las cargas + y − se cancelan, así que el átomo entero no tiene carga (es neutro).
Modelos del átomo: Thomson, Rutherford y Bohr
Modelo de Thomson
Thomson dijo que el átomo es una esfera de carga positiva. Los electrones están dentro, como las semillas en una sandía. Las cargas positiva y negativa son iguales, así que el átomo es neutro. Problema: no podía explicar el resultado de Rutherford.
El experimento de Rutherford con partículas alfa
Rutherford disparó partículas alfa rápidas (núcleos de helio, carga +2) contra una lámina de oro muy fina. Vio tres cosas:
- La mayoría de las partículas alfa pasó recta. Entonces casi todo el átomo es espacio vacío.
- Algunas se desviaron un ángulo pequeño. Entonces hay carga positiva en el átomo que las empuja.
- Muy pocas (cerca de 1 de cada 12 000) rebotaron hacia atrás. Entonces toda la carga positiva y casi toda la masa están en un centro muy pequeño, el núcleo.
Su modelo: un núcleo positivo diminuto y electrones que giran a su alrededor como los planetas alrededor del Sol. El núcleo es unas 100 000 veces más pequeño que el átomo. Problema: una partícula cargada que se mueve en círculo debería perder energía y caer al núcleo. Entonces los átomos no serían estables. Pero sí lo son.
Modelo de Bohr
Niels Bohr resolvió este problema. Dijo que los electrones solo pueden moverse en ciertas órbitas fijas, llamadas capas o niveles de energía. Mientras está en una capa, el electrón no pierde energía. Las capas se llaman K, L, M, N (o n = 1, 2, 3, 4) hacia afuera.
Capas K, L, M, N: cómo se ordenan los electrones
Reglas para los primeros 20 elementos (esquema de Bohr–Bury):
- La capa n puede tener como máximo 2n² electrones: K (n=1) = 2, L (n=2) = 8, M (n=3) = 18, N (n=4) = 32.
- La capa más externa no puede tener más de 8 electrones.
- Las capas internas se llenan primero. Una capa nueva empieza solo cuando la anterior está llena (en los primeros 20 elementos).
Ejemplos: carbono (6) = 2, 4. Sodio (11) = 2, 8, 1. Cloro (17) = 2, 8, 7. Calcio (20) = 2, 8, 8, 2. Abre el paso 4 del 3D para ver cómo se llenan las capas del sodio una por una.
Valencia, número atómico y número másico
Valencia
Los electrones de la capa más externa se llaman electrones de valencia. A los átomos les gusta tener la capa externa llena (8, o 2 en el helio). Esto se llama octeto. Los átomos con la capa externa llena, como el neón y el argón, no reaccionan, así que su valencia es 0.
Valencia = la capacidad de combinación de un átomo = cuántos electrones cede, toma o comparte para tener la capa externa llena.
- Si hay de 1 a 4 electrones externos: valencia = número de electrones externos. Sodio (2, 8, 1) → 1. Magnesio (2, 8, 2) → 2.
- Si hay de 5 a 7 electrones externos: valencia = 8 − electrones externos. Oxígeno (2, 6) → 8 − 6 = 2. Cloro (2, 8, 7) → 1.
Número atómico (Z)
Es el número de protones del núcleo. Decide cuál es el elemento. Todo átomo de carbono tiene Z = 6. En un átomo neutro, electrones = Z.
Número másico (A)
Los protones y neutrones juntos se llaman nucleones. Número másico = protones + neutrones. Por tanto, neutrones = A − Z. Escribimos un átomo así: ₆¹²C, con A arriba y Z abajo.
Isótopos e isóbaros
Isótopos
Átomos del mismo elemento (mismo Z) con distinto número másico (distinto número de neutrones). El hidrógeno tiene tres: protio ¹H (0 neutrones), deuterio ²H (1 neutrón), tritio ³H (2 neutrones). El cloro tiene ³⁵Cl y ³⁷Cl.
Los isótopos tienen los mismos electrones, así que tienen las mismas propiedades químicas. Sus masas son distintas, así que algunas propiedades físicas cambian.
¿Por qué la masa del cloro es 35,5 u? En la naturaleza, unos 3 de cada 4 átomos de cloro son ³⁵Cl y 1 de cada 4 es ³⁷Cl. Promedio = 35 × 3/4 + 37 × 1/4 = 26.25 + 9.25 = 35.5 u.
Usos: uranio-235 como combustible en reactores nucleares, cobalto-60 para tratar el cáncer, yodo-131 para tratar el bocio, carbono-14 para hallar la edad de objetos antiguos.
Isóbaros
Átomos de elementos distintos (distinto Z) con el mismo número másico. Ejemplo: ⁴⁰₁₈Ar y ⁴⁰₂₀Ca. Tienen distintos electrones, así que distintas propiedades químicas.
Pruébalo: construye un átomo en casa
Toma cosas pequeñas de tres colores: cuentas rojas (protones), lentejas negras (neutrones) y granos amarillos (electrones). Dibuja en un papel tres círculos para K, L, M.
- Elige un elemento, por ejemplo oxígeno: Z = 8, A = 16.
- Pon 8 rojas y 16 − 8 = 8 negras en el centro.
- Pon 8 amarillos en los círculos: 2 en K, 6 en L.
- Predice la valencia (8 − 6 = 2). Ahora compruébalo en el 3D: último paso, elige Oxígeno-16.
Luego cambia 2 lentejas negras por 2 más. ¡Acabas de hacer un isótopo! El elemento no cambió, porque la cantidad de rojas no cambió.
Fórmulas y definiciones clave
- Número atómico Z = número de protones = número de electrones (átomo neutro)
- Número másico A = protones + neutrones
- Neutrones = A − Z
- Máximo de electrones en la capa n = 2n² (K 2, L 8, M 18, N 32)
- Valencia = electrones externos (si son 1–4) u 8 − electrones externos (si son 5–7)
- Masa atómica promedio = suma de (masa del isótopo × fracción)
Ejemplos resueltos
1. Un átomo tiene 9 protones y 10 neutrones. Halla Z, A y el número de electrones.
Paso 1: Z = protones = 9. Paso 2: A = 9 + 10 = 19. Paso 3: átomo neutro, así que electrones = 9. Es flúor.
2. Escribe la distribución electrónica del oxígeno (Z = 8) y halla su valencia.
Paso 1: K toma 2, quedan 6. Paso 2: L toma 6. Queda 2, 6. Paso 3: electrones externos = 6, más de 4. Valencia = 8 − 6 = 2.
3. El magnesio tiene Z = 12 y A = 24. Halla neutrones, distribución y valencia.
Neutrones = 24 − 12 = 12. Distribución: K 2, L 8, M 2 → 2, 8, 2. Electrones externos = 2, así que valencia = 2.
4. El cloro tiene Z = 17. ¿Por qué su valencia es 1 y no 7?
Distribución 2, 8, 7. Solo necesita 1 electrón más para llegar a 8. Tomar 1 es más fácil que ceder 7, así que valencia = 8 − 7 = 1.
5. ¿Qué pareja son isótopos y cuál son isóbaros? ¹²₆C, ¹⁴₆C, ⁴⁰₁₈Ar, ⁴⁰₂₀Ca.
¹²C y ¹⁴C: mismo Z (6), distinto A → isótopos. ⁴⁰Ar y ⁴⁰Ca: mismo A (40), distinto Z → isóbaros.
6. Un elemento X tiene dos isótopos: ¹⁶X (90 %) y ¹⁸X (10 %). Halla su masa atómica promedio.
Promedio = 16 × 0.90 + 18 × 0.10 = 14.4 + 1.8 = 16.2 u.
7. En el experimento de Rutherford, ¿por qué muy pocas partículas alfa rebotaron?
Solo una partícula alfa que pasaba muy cerca del núcleo diminuto sentía un gran empujón de su carga positiva. El núcleo es tan pequeño que muy pocas partículas se acercaban tanto. Por eso muy pocas rebotaron.
Errores comunes
- Confundir el número atómico con el número másico. Z cuenta solo protones; A cuenta protones y neutrones.
- Escribir que la valencia del cloro es 7. Cuando hay de 5 a 7 electrones externos, valencia = 8 − electrones externos.
- Pensar que los isótopos tienen distinto número de protones. Los isótopos se diferencian solo en neutrones; los isóbaros, en protones.
- Poner 18 electrones en la capa M del potasio. En los primeros 20 elementos, la capa externa tiene como máximo 8, así que K es 2, 8, 8, 1.