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Estructura atómica

Estructura atómica

Estructura atómica de la materia

Hace más de 2000 años, el filósofo griego Demócrito declaró:

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 del griego para indivisible. 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.

Estructura básica de un átomo

Los átomos están formado por una estructura básica, un núcleo y unas capas que orbitan el núcleo. Paraf formar tal estructura, contiene tres tipos de partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones.

Protones

Los protones son partículas con carga positiva. 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 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.

Los protones forman se encuentran en el nucleo, la parte más densa del átomo y que se encuentra en el centro del átomo. 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.

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 los átomos de un mismo elemento, sin que ello afecte mucho a sus propiedades químicas. Los protones y los neutrones conjuntamente se denominan nucleón.

Electrones

Los electrones son partículas negativas. Si pensabas que los protones eran diminutos, te vas a llevar un susto: los electrones tienen una masa real de 9,11 x 10-31 kg o una masa relativa de 1/1840 en la escala del carbono-12. No se encuentran junto a los protones y los neutrones. En cambio, 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".

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

La siguiente tabla ofrece un resumen de las cargas relativas, las masas y la ubicación dentro del átomo de las diferentes partículas subatómicas:

PartículaMasaCarga

Ubicación dentro del átomo

Protón1+1Dentro del núcleo
Neutrón10Dentro del núcleo
Electróno-1En las capas orbitando el núcleo
Tabla 1. Tabla comparativa de los partículas subatómicas. Fuente: StudySmarter

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!

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:

6 → Número atómico

12 → Número másico

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 consecuencia, puedes encontrar 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. Esto se debe a que el protón es positivo y el electrón es negativo, por lo que 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

Analizamos los siguientes elementos para deducir su estructura atómica y calcular el número de partículas subatómicas de cada uno.

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

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

  • Ocho protones.
  • Ocho neutrones.
  • Ocho electrones.

¿Cuál es la estructura atómica del sodio?

El sodio tiene el número atómico 3 y número másico 11, que significa que tiene

  • 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:

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 aquirir una carga electrica 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 35 u y otros de 37 u. 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.

La 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.

¿Cómo están distribuidos los electrones en el átomo?

Los electrones se encuentran en capas que orbitan alrededor del núcleo, 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, pero la siguiente tabla ofrece una rápida visión general de las distintas subcapas y del número de orbitales y electrones que pueden albergar:

SubcapaNúmero de orbitalesNúmero máximo de electrones
S12
P36
D510

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 ya que dieron lugar a modelos atómicos son:

  • Demócrito.
  • John Dalton.
  • JJ Thompson.
  • Ernest Rutherford.
  • Niels Bohr

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.

Jonh 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 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 de ciruelas.

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 múltiples cosas. En primer lugar, descubrieron que la mayoría de las partículas atravesaban directamente la hoja 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 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. 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.

Hablaremos más en detalle acerca de los diferentes modelos atómicos en "La evolución de los modelos atómicos"

Estructura atómica actual, 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 en más detalle en "Modelo atómico".

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.

Preguntas frecuentes sobre Estructura atómica

Un átomo está formado por un núcleo (protones y neutrones que forman los nucleones) y capas de electrones orbitando el núcleo. 

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. 

Por ejemplo el nitrógeno tiene:

  • Siete protones
  • Siete neutrones
  • Siente electrones

Y el cobre:

  • 29 protones
  • 34 neutrones
  • 29 electrones


El sodio tiene el número atómico 3 y número másico 11, que significa que tiene

  • 3 protones
  • 3 electrones
  • 8 neutrones

Actualmente, se considera que el átomo se parece al model 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 permitiendo que esté en orbita y le permite recibir energía para saltar a niveles de energías mayores. 

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 ya que dieron lugar a modelos atómicos son:

 

  • Demócrito.
  • John Dalton.
  • JJ Thompson.
  • Ernest Rutherford.
  • Niels Bohr

Cuestionario final de Estructura atómica

Pregunta

¿Qué son las capas de electrones?

Mostrar respuesta

Answer

Son regiones del espacio, en la periferia del núcleo y con un nivel de energía determinado, donde se encuentran los electrones orbitando.

Show question

Pregunta

¿Qué otro nombre se le da las capas de electrones?



Mostrar respuesta

Answer

Niveles de energía

Show question

Pregunta

La tercera capa de electrones puede contener como máximo 18 electrones. ¿Cuántos puede contener la cuarta capa?

Mostrar respuesta

Answer

32, ya que puede tener 2 del orbital s, 6 del orbital p, 10 de orbital d y 12 del orbital f

Show question

Pregunta

¿Qué son las subcapas de electrones?

Mostrar respuesta

Answer

Son subdivisiones de los niveles de energía dentro de una capa

Show question

Pregunta

Ordena las siguientes subcapas por nivel de energía, de menor a mayor: 3d, 3s, 3p

Mostrar respuesta

Answer

3s, 3p, 3d

Show question

Pregunta

Ordena las siguientes subcapas por nivel de energía, de menor a mayor: 4s, 1s, 2p, 3d, 3p, 2s

Mostrar respuesta

Answer

1s, 2s, 2p, 3p, 4s, 3d

Show question

Pregunta

Indica la forma del orbital 2p

Mostrar respuesta

Answer

Figura de 8

Show question

Pregunta

¿Cuántos electrones pueden tener las subcubiertas s, p y d?

Mostrar respuesta

Answer

Las subcapas s tienen 1 orbital y, por tanto, pueden tener 2 electrones


Las subcapas biertas p tienen 3 orbitales y, por tanto, pueden tener 6 electrones


Las subcapas d tienen 5 orbitales, por lo que pueden tener 10 electrones

Show question

Pregunta

¿Cuántos electrones puede tener como máximo un orbital?

Mostrar respuesta

Answer

2

Show question

Pregunta

¿Qué son los orbitales?

Mostrar respuesta

Answer

Áreas del espacio en las que se puede esperar encontrar un electrón el 95% de las veces


Show question

Pregunta

¿Qué es el número másico de un elemento?

Mostrar respuesta

Answer

El número total combinado de protones y neutrones en su núcleo.

Show question

Pregunta

¿Qué es el número atómico de un elemento?

Mostrar respuesta

Answer

Es el número de protones en su núcleo.

Show question

Pregunta

¿Cuál es el número másico del Argón, redondeado al número entero más cercano?

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Answer

40

Show question

Pregunta

Calcula la masa atómica relativa de una muestra de cobre que contiene un 69% de 63Cu y un 31% de 65Cu, con un decimal.

Mostrar respuesta

Answer

63.6

Show question

Pregunta

Define la masa atómica relativa.

Mostrar respuesta

Answer

La masa media de un átomo de un elemento en una muestra comparada con 1/12 de la masa de un átomo de ¹²C.

Show question

Pregunta

El berilio puede reaccionar para formar un ion perdiendo dos electrones. ¿Cuál es la carga de este ion?

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Answer

+2

Show question

Pregunta

¿Qué símbolo representa el número másico?

Mostrar respuesta

Answer

A

Show question

Pregunta

¿Qué símbolo representa el número atómico

Mostrar respuesta

Answer

Z

Show question

Pregunta

¿Qué es un ion?

Mostrar respuesta

Answer

Un átomo que ha ganado o perdido un electrón para formar una partícula cargada.

Show question

Pregunta

¿Cuál es el número másico del Cloro redondeado al número entero más cercano?

Mostrar respuesta

Answer

35

Show question

Pregunta

¿En qué se diferencian los isótopos de un mismo elemento?

Mostrar respuesta

Answer

Los isótopos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones y electrones pero diferente número de neutrones.

Show question

Pregunta

Compara los iones y los isótopos.

Mostrar respuesta

Answer

Los iones y los isótopos del mismo elemento tienen el mismo número de protones. Los isótopos tienen diferente número de neutrones pero el mismo número de electrones, mientras que los iones tienen diferente número de electrones. Los isótopos son neutros en general, mientras que los iones son partículas cargadas.

Show question

Pregunta

El aluminio puede formar un ion con una carga de + 3. Represéntalo con números romanos.

Mostrar respuesta

Answer

Al (III)

Show question

Pregunta

¿Cuales son los isótopos del hidrógeno?

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Answer

Protio

Show question

Pregunta

¿Qué es un campo eléctrico?

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Answer

El campo eléctrico es una región alrededor de una partícula cargada en la que otras partículas cargadas experimentan una fuerza.

Show question

Pregunta

Si hay una sola carga puntual positiva, ¿dónde se originan y donde terminan las líneas de campo eléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

Las líneas de campo eléctrico saldrán de la carga puntual y terminarán en el infinito.

Show question

Pregunta

El punto A tiene un campo eléctrico más intenso que el punto B. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta?

Mostrar respuesta

Answer

Las líneas de campo eléctrico en A son más densas que en B.

Show question

Pregunta

Hay una superficie plana cargada positivamente con el vector superficie apuntando hacia arriba. ¿Cuál es la dirección de las líneas de campo eléctrico?

Mostrar respuesta

Answer

Hacia arriba.

Show question

Pregunta

¿Cómo se puede crear un campo eléctrico entre la superficie A y la superficie B?

Mostrar respuesta

Answer

Creando una diferencia de potencial eléctrico entre las dos superficies.

Show question

Pregunta

¿Cuál es la dirección del campo eléctrico en el punto A debido a una carga puntual de -2C mantenida a 100m de él?

Mostrar respuesta

Answer

Hacia la carga.

Show question

Pregunta

q1 = 1C. q2 = -1C. distancia entre ellas (r) = 1m. ¿Cuál es la fuerza sobre q2 debida a q1, y en qué dirección está la fuerza?

Mostrar respuesta

Answer

F = 9·109 N ; la fuerza está hacía q1.

Show question

Pregunta

Selecciona la afirmación verdadera:

Mostrar respuesta

Answer

Las líneas de campo eléctrico nos indican el tipo de carga.


Show question

Pregunta

El átomo es indivisible

Mostrar respuesta

Answer

Falso

Show question

Pregunta

¿Qué partícula subatómica cede masa a las partículas?

Mostrar respuesta

Answer

Bosones

Show question

Pregunta

¿Qué partícula subatómica tiene carga positiva?

Mostrar respuesta

Answer

Protón

Show question

Pregunta

¿Qué son las partículas fundamentales?

Mostrar respuesta

Answer

Las partículas fundamentales son partículas que se encuentran dentro de un átomo y que no están formadas por ninguna otra partícula. Esto significa que no pueden dividirse más.

Show question

Pregunta

Qué dos tipos de partículas fundamentales hay según el modelo estándar?


Mostrar respuesta

Answer

Fermiones y bosones

Show question

Pregunta

¿Cuáles son las tres partículas subatómicas del atómo?

Mostrar respuesta

Answer

Electrón,  protón y neutrón

Show question

Pregunta

¿Dónde se encuentra los protones?

Mostrar respuesta

Answer

En el núcleo

Show question

Pregunta

¿Cuántos quarks forman un protón o un neutrón?

Mostrar respuesta

Answer

3

Show question

Pregunta

¿Cuál es más pequeño?

Mostrar respuesta

Answer

Electrón

Show question

Pregunta

¿Qué es un quark?

Mostrar respuesta

Answer

Un quark es una partícula subatómica con una carga eléctrica fraccionada.

Show question

Pregunta

¿Quién propuso inicialmente la idea de los átomos?

Mostrar respuesta

Answer

Demócrito

Show question

Pregunta

¿Cuál de los siguientes enunciados fue postulado por Dalton?

Mostrar respuesta

Answer

Los átomos no pueden ser creados ni destruidos

Show question

Pregunta

El principio de la mayor simplicidad implica que 

Mostrar respuesta

Answer

Cualquier hidrocarburo se presentara en sus proporciones numéricas más simples.

Show question

Pregunta

Las propuestas de Thomson le llevaron a ganar un premio Nobel por el descubrimiento del ______.

Mostrar respuesta

Answer

Electrón

Show question

Pregunta

El modelo de pudín de ciruela fue el nombre que se le dio al modelo propuesto por 

Mostrar respuesta

Answer

Thompson

Show question

Pregunta

El experimento de ______ fue el que permitió determinar la relación de carga/masa de los electrones.

Mostrar respuesta

Answer

Los tubos de rayos catódicos

Show question

Pregunta

El experimento de Rutherford se llamó ______.

Mostrar respuesta

Answer

Experimento de la lámina de oro

Show question

Pregunta

El tipo de partículas que Rutherford disparó contra láminas de oro eran partículas ______.

Mostrar respuesta

Answer

Alfa

Show question

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