Los isótopos

Los átomos son pequeños, muy pequeños. Imagina un pomelo, con todos sus átomos como átomos de nitrógeno. Si hicieras estallar el pomelo para que tuviera el tamaño de la Tierra, ¿qué tamaño crees que tendría cada uno de los átomos?: ¿El tamaño del Reino Unido? ¿Un campo de fútbol? ¿Un taxi de Londres? En realidad, solo tendrían el tamaño de un arándano. Puedes imaginar que esto hace que averiguar algunas de las propiedades más simples de un átomo, como su masa, sea un poco difícil. 

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Índice de temas
    • En este artículo aprenderemos sobre el número másico y atómico.
    • Luego, veremos lo que es un isótopo y unos ejemplos.
    • Después hablaremos de reactividad.
    • Finalizaremos con la masa atómicarelativa.

    Número másico y atómico

    Para representar la masa, utilizamos algo que se llama número de masa, un valor que es especialmente importante cuando se estudian los isótopos.

    El número de masa de un átomo, también conocido como A, es el número total combinado de protones y neutrones que hay en su núcleo.

    Recordarás que en Estructura de la materia hablábamos de que los átomos tienen tres partículas subatómicas principales. En realidad, tienen algunas más, pero ahora solo nos interesan el protón, el neutrón y el electrón. También hay que recordar que mientras los protones y los neutrones tienen masas muy similares, la masa de un electrón es casi inexistente. Por tanto, al calcular la masa de un átomo, podemos ignorar su número de electrones.

    La siguiente tabla te recuerda las masas y cargas relativas de las tres partículas fundamentales:

    PartículaMasaCarga
    Protón1+1
    Neutrón10
    Electrón-1

    Tabla 1. Masa y carga de las partículas subatómicas.

    Pero, conocer el número de masa de un átomo no es muy útil, ya que podría contener múltiples combinaciones diferentes de protones y neutrones. Por ejemplo, tomemos un átomo con un número másico de 14. ¿Tiene ocho protones y seis neutrones, o seis protones y ocho neutrones; o, quizás, siete de cada uno? Aquí es donde el número atómico resulta útil.

    El número atómico de un átomo, también conocido como Z, no es más que el número de protones de su núcleo. También nos indica exactamente a qué elemento de la tabla periódica pertenece, ya que todos los átomos de un mismo elemento tienen igual número de protones.

    ¿Por qué utilizamos la letra A para representar el número de masa, y la letra Z para representar el número atómico? Pues bien, la A proviene de la palabra alemana Atomgewicht, que significa peso del átomo; mientras que la Z proviene de la palabra alemana Zahl, que significa número.

    Isótopos

    Para saber exactamente cuántos protones, neutrones y electrones contiene un átomo, es necesario conocer su número de masa y su número atómico. Pero, por suerte, esta información acompaña a cada elemento en la tabla periódica.

    Ejemplos de isótopos

    Tomemos como ejemplo el carbono:

    El número mayor, 12, es su número másico; el menor, 6, es su número atómico. ¿Qué podemos aprender de esto? Bueno, como su número atómico es 6, el carbono debe tener seis protones. Los átomos neutros contienen el mismo número de electrones y protones, lo que significa que el carbono también tiene seis electrones. Recordarás que el número másico es simplemente el número de protones y neutrones combinados, así que para encontrar solo el número de neutrones podemos restar el número de protones, o número atómico, del número másico.

    Aquí, 12 - 6 = 6. Este átomo de carbono tiene seis neutrones.

    También podríamos indicar el número másico y el número atómico, escribiendo . Pero no todos los carbonos tienen un número másico de 12: existen carbonos como el .

    Veamos otro ejemplo:

    En este caso, el hidrógeno tiene un número másico de 1; pero, también, un número atómico de 1... hasta el número entero más cercano. Por tanto, debe tener un protón y un electrón:

    1 - 1 = 0: no tiene neutrones.

    ¿Qué son los isótopos?

    Verás que el número másico del hidrógeno no es un número entero. De hecho, casi ninguno de los números de masa de la tabla periódica lo es. ¿Por qué es así? Bueno, los números másicos tienen en cuenta los isótopos de un elemento. Más adelante analizaremos lo que esto significa; pero, por ahora, veamos qué es exactamente un isótopo.

    Los isótopos son átomos del mismo elemento con el mismo número de protones y electrones, pero con diferente número de neutrones.

    Esto significa que los isótopos tienen pesos atómicos y números de masa diferentes, pero el mismo número atómico. Los isótopos se producen de forma natural, debido a las diferentes estabilidades de las distintas disposiciones de protones y neutrones en el núcleo.

    Los isótopos de un mismo elemento tienen las mismas propiedades químicas, ya que tienen la misma configuración electrónica. Sin embargo, tienen propiedades físicas diferentes porque tienen masas diferentes. Los isótopos se representan con un pequeño número de masa en superíndice a la izquierda del símbolo químico.

    Por ejemplo, 12C tiene una masa atómica de 12; pero, 13C tiene una masa atómica de 13, lo que significa que contiene un neutrón extra.

    El número másico del Hidrógeno

    El hidrógeno tiene tres isótopos naturales:

    • El isótopo más abundante del hidrógeno, 1H: conocido como protio o simplemente como hidrógeno. Cada átomo tiene un protón, un electrón y ningún neutrón, por lo que tiene un número másico de 1.
    • El isótopo deuterio, 2H: también conocido como deuterio, tiene el mismo número de protones y electrones que el hidrógeno, pero tiene un neutrón, por lo que su número másico es 2.
    • El tritio, 3H: también tiene un protón y un electrón; no obstante, tiene dos neutrones, por lo que el número másico es 3.

    Radioactividad

    El número de neutrones de un átomo viene determinado por la estabilidad relativa del núcleo. Los elementos más ligeros, como el carbono, son más estables cuando tienen el mismo número de protones y neutrones en sus núcleos; mientras que los elementos más pesados prefieren tener un poco más de neutrones. De este modo, sus núcleos se mantienen estables.

    En la naturaleza existen átomos con demasiados o muy pocos neutrones, pero suelen ser inestables. Esto significa que se descomponen y liberan radiación. A estos átomos los llamamos isótopos radiactivos. Para volverse más estables, pueden emitir una partícula alfa, que es un paquete de dos protones y dos neutrones; o una partícula beta, que es un electrón de movimiento rápido. Esto ocurre cuando un neutrón se convierte en un protón y un electrón. Ambos tipos de desintegración radiactiva cambian la relación entre el número de masa y el número atómico del átomo; esto lo hace más estable.

    ¿Qué es un ion?

    Sabemos que todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de protones, y acabamos de aprender que pueden tener diferentes números de neutrones. Pero, ¿qué ocurre si tienen diferente número de electrones?

    Un ion es un átomo que ha ganado o perdido uno o más electrones para formar una partícula cargada.

    Sin embargo, los iones siguen teniendo el mismo número de protones; es decir, el mismo número atómico. Un ion negativo ha ganado electrones, mientras que un ion positivo ha perdido electrones, ya que los electrones tienen carga negativa.

    Los iones de un mismo elemento tienen propiedades químicas diferentes, porque tienen configuraciones electrónicas distintas. Los átomos tienden a querer tener una capa externa completa de electrones, por lo que su número de electrones puede cambiar drásticamente su reactividad.

    Por ejemplo, no encontrarás átomos de sodio en ninguna parte de la naturaleza, pero sí iones de sodio positivos, Na+. Esto se debe a que los átomos de sodio reaccionan fácilmente, perdiendo un electrón para tener una capa externa completa.

    Los iones se representan con un pequeño número en superíndice a la derecha del símbolo químico que muestra la carga del ion, o con números romanos.

    Por ejemplo, el Fe³⁺ ha perdido 3 electrones del átomo neutro de Fe para formar un ion positivo con una carga de +3. Esto también puede representarse por hierro (III).

    Ahora, tomemos el ion litio, Li+, como ejemplo.

    El litio tiene un número atómico de 3 y, por tanto, tres protones. Si se tratara de un átomo sin carga, también esperaríamos que tuviera tres electrones. Sin embargo, este ion está cargado positivamente, lo que significa que ha perdido un electrón. Por tanto, Li+ solo tiene dos electrones.

    ¿Qué es la masa atómica relativa?

    ¿Por qué los números de masa de los elementos no son números enteros? Pues porque los números de masa de la tabla periódica utilizan la masa atómica relativa.

    La masa atómica relativa es la masa media de un átomo de un elemento en una muestra comparada con 1/12 de la masa de un átomo de ¹²C, teniendo en cuenta la abundancia de los diferentes isótopos.

    Medimos la masa atómica relativa en la escala del carbono-12, donde el ¹²C tiene una masa de exactamente 12. Para calcular la masa atómica relativa de una muestra, representa el porcentaje de abundancia de cada isótopo como un decimal. Luego, multiplícalo por la masa del isótopo y suma todos los valores. Esto es tu masa atómica relativa.

    Por ejemplo, una muestra de cloro puede contener un 75% de y un 25% de .

    0.75 x 35 = 26.25

    0.25 x 37 = 9.25

    26.25 + 9.25 = 35.5

    Por lo tanto, la masa atómica relativa del cloro es 35,5.

    Si quieres saber más sobre los números de masa, consulta el artículo Masa relativa.

    Aplicaciones en la física

    La física nuclear utiliza los isótopos de varios elementos para estudiar las propiedades y comportamientos de los núcleos atómicos. ¡Veamos algunos ejemplos!

    • Los isótopos se usan en la fisión nuclear, en la que los núcleos pesados se dividen en núcleos más pequeños, liberando una gran cantidad de energía.
    • Los isótopos también se emplean en la fusión nuclear, en la que se combinan núcleos ligeros para formar un núcleo más pesado, liberando energía.
    • Los isótopos radiactivos también se emplean en la datación radiométrica, que permite determinar la edad de materiales antiguos, como rocas y fósiles.
    • Los isótopos se utilizan en la medicina nuclear para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.

    Por otro lado, en la física de partículas se utilizan los isótopos para estudiar las partículas subatómicas y las interacciones fundamentales que gobiernan el comportamiento del universo.

    • Los isótopos se usan en aceleradores de partículas para producir haces de partículas cargadas, como electrones, protones y iones, que se utilizan para investigar la estructura y las propiedades de la materia a nivel subatómico.
    • Los isótopos se utilizan en experimentos para estudiar la física de neutrinos, que son partículas subatómicas que interactúan muy débilmente con la materia. Los neutrinos se producen naturalmente en el sol y en procesos nucleares, y los isótopos se utilizan para producir haces de neutrinos y detectar su interacción con la materia.

    En resumen, los isótopos tienen aplicaciones cruciales tanto en la física nuclear como en la física de partículas, lo que permite avanzar en el conocimiento de la materia y las interacciones fundamentales que gobiernan el universo. Además, tienen aplicaciones importantes en la medicina, la industria y otros campos de la ciencia.

    Los isótopos - Puntos clave

    • El número atómico de un átomo, Z, es el número de protones en su núcleo. Su número de masa, A, es el número total combinado de protones y neutrones.

    • Los isótopos de un elemento contienen diferentes números de neutrones, mientras que los iones contienen diferentes números de electrones.

    • El hidrógeno tiene 3 isótopos, denominados protio, deuterio y tritio.

    • La radiactividad de un átomo está relacionada con su número de neutrones.

    • La masa atómica relativa puede calcularse utilizando la abundancia relativa de los isótopos.

    Preguntas frecuentes sobre Los isótopos

    ¿A qué llamamos isótopos?

    A los átomos de un mismo elemento que tienen el mismo número de protones y electrones, pero diferente número de neutrones.

    ¿A qué llamamos número másico?

    El número de masa, o número másico de un átomo, también conocido como A, es el número total combinado de protones y neutrones en su núcleo.

    ¿Cuáles son las diferencias entre número másico y número atómico?

    El número atómico de un átomo, Z, es el número de protones en su núcleo; mientras que el número de masa, A, es el número total combinado de protones y neutrones. 

    ¿Con qué letra se representa el número másico? 

    Utilizamos la letra A para representar el número de masa y la letra Z para representar el número atómico. 

    • La A proviene de la palabra alemana Atomgewicht, que significa peso del átomo. 
    • La Z proviene de la palabra alemana Zahl, que significa número.

    ¿Qué número de neutrones tiene el hidrógeno? 

    El hidrógeno tiene tres isótopos naturales:


    • El isótopo más abundante del hidrógeno, 1H, conocido como protio o simplemente como hidrógeno. Cada átomo tiene un protón, un electrón y ningún neutrón, por lo que tiene un número másico de 1.
    • El isótopo deuterio,2H, también conocido como deuterio, tiene el mismo número de protones y electrones que el hidrógeno, pero tiene un neutrón, por lo que su número másico es 2.
    • El tritio, 3H, también tiene un protón y un electrón, no obstante tiene dos neutrones, por lo que el número másico es 3.

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