Estructura atómica

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:

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 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.

Neutrones

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 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.

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.

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:

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.

¿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.

¿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.

¿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.

¿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:

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.

Tabla 3: Estructura atómica. Resumen de los modelos atómicos.