Hace más de 2000 años, el filósofo griego Demócrito declaró lo siguiente:
Nada existe, excepto los átomos y el espacio vacío; todo lo demás es una opinión.
En parte tenía razón: todo —desde las rocas hasta las estrellas, pasando por la sangre y las pilas— está formado por átomos. Pero, Demócrito creía que los átomos eran la unidad más pequeña posible; incluso, la propia palabra átomo viene de indivisible en griego. Tras cientos de años de estudio, entendemos un poco más del universo y, en la actualidad, incluso estudiamos las partículas del interior del átomo para comprender su estructura atómica.
La estructura atómica es la disposición de las partículas subatómicas dentro del átomo. Un átomo es la unidad más pequeña de materia ordinaria dentro de un elemento.
- Este artículo trata sobre la estructura atómica.
- En primer lugar, veremos la estructura básica de un átomo: los protones, los neutrones y los electrones.
- A continuación, estudiaremos la estructura atómica de los elementos.
- Exploraremos también algunos ejemplos de estructuras atómicas.
- Después, analizaremos qué son los iones y los isótopos.
- Posteriormente aprenderemos qué es la masa atómica relativa y cómo están distribuidos los electrones en el átomo.
- Para terminar, observaremos los modelos atómicos a lo largo del tiempo.
Estructura básica de un átomo
Los átomos están formado por una estructura básica, un núcleo y unas capas que orbitan el núcleo. Para formar tal estructura, el átomo contiene tres tipos de partículas subatómicas:
protones, neutrones y electrones.
La siguiente tabla
ofrece un resumen de las cargas relativas, las masas y la ubicación dentro del átomo de las diferentes partículas subatómicas:
| Partícula | Masa | Carga | Ubicación dentro del átomo |
| Protón | 1 | +1 | Dentro del núcleo |
| Neutrón | 1 | 0 | Dentro del núcleo |
| Electrón | o | -1 | En las capas orbitando el núcleo |
Tabla 1. Tabla comparativa de los 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 lejos de la verdad!
Protones
Los protones son partículas con carga positiva. Son bastante importantes, porque una vez que conoces el número de protones de un átomo, sabes en qué período y grupo de la tabla periódica lo encontrarás, y de qué elemento forma parte.
Los protones se encuentran en el núcleo: la parte más densa y central del átomo. Los protones son bastante pequeños: un protón pesa alrededor de un 1,67 x 10-27 kg, pero solemos medir su masa en una escala llamada escala de carbono-12. En esta, un átomo de
carbono-12 tiene una masa de, exactamente, 12 y un protón tiene una masa de, aproximadamente, 1.
Más adelante exploraremos, a mayor profundidad, qué es exactamente un átomo de
carbono-12.
Neutrones
Los neutrones son partículas neutras. El número de neutrones puede variar entre los átomos de un mismo elemento, sin que ello afecte mucho a sus propiedades químicas.
También tienen una masa relativa de, aproximadamente, 1 y se encuentran junto a los protones en el núcleo. Los protones y los neutrones, conjuntamente, se denominan nucleón.
Electrones
Los electrones son partículas con carga negativa, que no se encuentran junto a los protones y los neutrones, sino orbitando el núcleo. El número de electrones de un átomo determina sus propiedades químicas y cómo reacciona.
Los electrones pasan su tiempo en niveles de energía, también conocidos como capas, que orbitan 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 la sección Capas, subcapas y orbitales de los electrones.
Si pensabas que los protones eran diminutos, te vas a llevar un susto: los electrones tienen una masa real de 9,11 · 10-31 kg o una masa relativa de 1/1840 en la escala del carbono-12.
Fig. 1: La estructura de un átomo. Los electrones, mostrados en verde, orbitan alrededor del núcleo positivo, que contiene una masa densa de protones y neutrones.
La estructura atómica de los elementos
Está muy bien que te digan que tienes un átomo de un determinado elemento, pero ¿cómo puedes saber su estructura atómica y cuántas partículas subatómicas de cada tipo tiene exactamente? Aquí es donde resulta útil la tabla periódica.
Veamos el carbono como ejemplo:
Fig. 2. Carbono
- 6 → Número atómico
- 12 → Número másico
Puedes encontrar el número de neutrones restando A de Z, porque:
- El número atómico (Z) da el número de protones del átomo y, por tanto, indica a qué elemento pertenece el átomo.
- El número másico (A) es el número total de protones y neutrones del átomo.
En un átomo sin carga, el número de
electrones siempre es igual al número de protones, por lo que también viene
dado por el número atómico. Esto se debe a que el protón es positivo y el
electrón es negativo, entonces se contrarrestan entre sí.
En
nuestro ejemplo anterior, este átomo de carbono en particular tiene seis
protones, seis electrones y seis neutrones.
Ejemplos de estructuras atómicas
Analicemos los siguientes elementos, para deducir su estructura atómica y calcular el número de partículas subatómicas de cada uno.
Estructura atómica del litio
Fig. 3. 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.
Ahora, resuelve tú:
¿Cuál es la estructura atómica del sodio?
Solución:
El sodio tiene el número atómico 3 y número másico 11. Esto significa que significa que cuenta con:
- 3 protones
- 3 electrones
- 8 neutrones
Estructura atómica del carbono
Retomando nuestro ejemplo del carbono, podemos representar
los números atómicos y másicos de la siguiente manera:
Fig. 5: Carbono
De forma más sencilla: 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 pasaría si un átomo pierde 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. Al tener más cargas positivas y adquirir una carga eléctrica neta, este se convierte en un ion.
Los iones son átomos que han ganado o perdido electrones para formar una partícula cargada. Los iones tienen diferentes propiedades químicas, debido a sus diferentes configuraciones electrónicas.
¿Qué pasa si un átomo pierde un neutrón? Esto no tendría mucho efecto en 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.
Los isótopos son átomos del mismo elemento con diferente número de neutrones. 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 analizamos a la tabla periódica que se muestra a continuación, verás que los números másicos rara vez son números enteros. Esto se debe a que tienen en cuenta la abundancia de los isótopos que se encuentran de forma natural en las muestras del elemento.
Por ejemplo, a menudo se encuentran átomos de cloro con masas diferentes. Algunos tienen una masa de 35u y otros de 37u. Los dos átomos diferentes son isótopos el uno del otro. .
La masa media de todos los isótopos naturales de un elemento se conoce como masa atómica relativa del elemento. Esta masa atómica relativa es la masa media de un átomo de un elemento comparada con un doceavo de la masa de un átomo de carbono-12.
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.
Para medir la masa atómica, se utiliza una máquina llamada espectrómetro de masas.
Fig. 6: La tabla periódica
¿Cómo están distribuidos los electrones en el átomo?
Los electrones se encuentran en capas que orbitan alrededor del núcleo, y que también se conocen como niveles de energía. Las capas contienen subcapas y orbitales. La configuración de los electrones da a cada elemento sus propiedades químicas. Los electrones llenan los orbitales siguiendo ciertas reglas, como llenar primero las capas del nivel de energía más bajo para conseguir el estado de energía más bajo posible.
Aunque las reglas de llenado pueden parecer bastante complicadas, se trata de un sistema lógico. No entraremos ahora en demasiados detalles al respecto, pero la siguiente tabla ofrece una rápida visión general de las distintas subcapas y del número de orbitales y electrones que pueden albergar:
| Subcapa | Número de orbitales | Número máximo de electrones |
| S | 1 | 2 |
| P | 3 | 6 |
| D | 5 | 10 |
Tabla 2. Distribución del electrón
Modelos atómicos, a lo largo del tiempo
Los antiguos griegos
fueron de los primeros en creer en la existencia de los átomos; pero, como
sabemos ahora, solo estaban parcialmente en lo cierto sobre su naturaleza. Las
ideas sobre el modelo atómico han cambiado, a lo largo de la historia, gracias a los
nuevos descubrimientos científicos. Algunos científicos especialmente
influyentes en esta área, por haber dado lugar a modelos atómicos, son:
- Demócrito.
- John Dalton.
- JJ Thompson.
- Ernest Rutherford.
- Niels Bohr
A continuación tienes una tabla de resumen con los diferentes modelos atómicos.
| Modelo atómico | Descripción |
| Demócrito | Como sabes, Demócrito pensaba que los átomos eran la partícula
más pequeña posible y que, por tanto, eran indivisibles. También creía que los
átomos eran indestructibles y estaban en constante movimiento. |
| John Dalton | Dalton, físico y químico nacido en 1766, también sugirió que
los átomos no podían descomponerse. Además, amplió la idea a 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 ahora conocemos como electrones. Propuso que los electrones cargados negativamente se incrustaban al azar en un átomo cargado positivamente, como las ciruelas en un budín. |
| Ernest Rutherford y Niels Bohr | Entre 1908 y 1924, Rutherford y su equipo llevaron a cabo una serie de experimentos. Dispararon partículas cargadas positivamente a una lámina de oro extremadamente fina. Gracias a sus observaciones, descubrieron esto: - La mayoría de las partículas atravesaban directamente la hoja de oro. Esto significaba que el átomo era en su mayor parte espacio vacío.
- Vieron que algunas de las partículas se reflejaban en la hoja de oro. Como las cargas similares se repelen, esto significaba que había una pequeña masa positiva densamente cargada en el centro del átomo.
- Rutherford la denominó núcleo y sugirió que las partículas positivas de un átomo estaban confinadas en su centro y los electrones negativos se encontraban en anillos que orbitaban alrededor del núcleo.
- Bohr, posteriomente modificó este modelo al explicar los niveles de energía de los orbitales.
|
| Modelo mecanocuántico | Actualmente, se considera que el átomo se parece al modelo mecanocuántico, que se basa en la dualidad onda-corpúsculo y el principio de incertidumbre de Heisenberg. El electrón puede actuar como una onda de luz o como una partícula, orbitando y recibiendo energía para saltar a niveles de energías mayores. Abordaremos esto con más detalle en Modelo atómico. |
Tabla 3: Estructura atómica. Resumen de los modelos atómicos.
Estructura atómica - Puntos clave
- Los átomos están formados por protones, neutrones y electrones.
- El número másico de un elemento indica su número total de protones y neutrones, mientras que el número atómico indica su número de protones.
- Los protones y los neutrones se encuentran en el núcleo de un átomo, mientras que los electrones se encuentran en las capas que orbitan alrededor del núcleo.
- Los electrones llenan las capas, siguiendo determinadas reglas, para alcanzar el estado de energía más bajo posible.
- Las hipótesis sobre el átomo y su estructura han cambiado con el tiempo, debido a los nuevos descubrimientos científicos.
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