1.2: Principios de la Estructura Atómica (Revisión)

Objetivo de aprendizaje

• Usar y aplicar el lenguaje de la Estructura Atómica (número atómico, número de masa, isótopos)

La naturaleza física precisa de los átomos emergió finalmente de una serie de elegantes experimentos realizados entre 1895 y 1915. El más notable de estos logros fue el famoso experimento de dispersión de rayos alfa-1911 de Ernest Rutherford, que estableció que

• Casi toda la masa de un átomo está contenida dentro de un núcleo minúsculo (y por lo tanto extremadamente denso) que lleva una carga eléctrica positiva cuyo valor identifica a cada elemento y se conoce como el número atómico del elemento.
• Casi todo el volumen de un átomo consiste en un espacio vacío en el que residen los electrones, los portadores fundamentales de carga eléctrica negativa. La masa extremadamente pequeña del electrón (1/1840 la masa del núcleo de hidrógeno) hace que se comporte como una partícula cuántica, lo que significa que no se puede especificar su ubicación en ningún momento; lo mejor que podemos hacer es describir su comportamiento en términos de la probabilidad de que se manifieste en cualquier punto del espacio. Es común (pero algo engañoso) describir el volumen de espacio en el que los electrones de un átomo tienen una probabilidad significativa de ser encontrados como la nube de electrones. Este último no tiene límite exterior definido, por lo que tampoco el átomo. El radio de un átomo debe definirse arbitrariamente, como el límite en el que se puede encontrar el electrón con 95% de probabilidad. Los radios atómicos suelen ser de 30-300pm.

Figura\(\PageIndex{1}\): La estructura del átomo nuclear con núcleo central y electrones circundantes.

El núcleo en sí está compuesto por dos tipos de partículas. Los protones son los portadores de carga eléctrica positiva en el núcleo; la carga protónica es exactamente la misma que la carga electrónica, pero de signo opuesto. Esto significa que en cualquier átomo [eléctricamente neutro], el número de protones en el núcleo (a menudo referido como la carga nuclear) se equilibra con el mismo número de electrones fuera del núcleo. La otra partícula nuclear es el neutrón. Como su nombre lo indica, esta partícula no lleva carga eléctrica. Su masa es casi la misma que la del protón. La mayoría de los núcleos contienen aproximadamente el mismo número de neutrones y protones, por lo que podemos decir que estas dos partículas juntas representan casi toda la masa del átomo.

Debido a que los electrones de un átomo están en contacto con el mundo exterior, es posible que se pierdan uno o más electrones, o se agreguen algunos nuevos. El átomo cargado eléctricamente resultante se llama ion.

Elementos

A la fecha, se han descubierto alrededor de 115 elementos diferentes; por definición, cada uno es químicamente único. Para entender por qué son únicos, es necesario comprender la estructura del átomo (la partícula fundamental, individual de un elemento) y las características de sus componentes. Los átomos consisten en electrones, protones y neutrones. Si bien se trata de una simplificación excesiva que ignora las otras partículas subatómicas que se han descubierto, es suficiente para la discusión de principios químicos. Algunas propiedades de estas partículas subatómicas se resumen en la Tabla\(\PageIndex{1}\), que ilustra tres puntos importantes:

1. Los electrones y protones tienen cargas eléctricas que son idénticas en magnitud pero de signo opuesto. Se asignan cargas relativas de −1 y +1 al electrón y al protón, respectivamente.
2. Los neutrones tienen aproximadamente la misma masa que los protones pero sin carga. Son eléctricamente neutros.
3. La masa de un protón o un neutrón es aproximadamente 1836 veces mayor que la masa de un electrón. Los protones y neutrones constituyen el grueso de la masa de los átomos.

El descubrimiento del electrón y del protón fue crucial para el desarrollo del modelo moderno del átomo y proporciona un excelente estudio de caso en la aplicación del método científico. De hecho, la elucidación de la estructura del átomo es una de las mayores historias de detectives en la historia de la ciencia.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Propiedades de las partículas subatómicas*

Partícula	Masa (g)	Masa atómica (amu)	Carga eléctrica (culombios)	Carga Relativa
electrón	\(9.109 \times 10^{-28}\)	0.0005486	−1.602 × 10 ^−19	−1
protón	\(1.673 \times 10^{-24}\)	1.007276	+1.602 × 10 ^−19	+1
neutrones	\(1.675 \times 10^{-24}\)	1.008665	0	0

En la mayoría de los casos, los símbolos para los elementos se derivan directamente del nombre de cada elemento, como C para carbono, U para uranio, Ca para calcio y Po para polonio. Los elementos también han sido nombrados por sus propiedades [como el radio (Ra) por su radiactividad], por el país natal del científico o científicos que los descubrieron [polonio (Po) para Polonia], por científicos eminentes [curium (Cm) para los Curies], por dioses y diosas [selenio (Se) para la diosa griega de la luna, Selene], y por otras razones poéticas o históricas. Algunos de los símbolos utilizados para los elementos que se conocen desde la antigüedad se derivan de nombres históricos que ya no están en uso; sólo quedan los símbolos para indicar su origen. Ejemplos son Fe para hierro, del latín ferrum; Na para sodio, del latín natrium; y W para tungsteno, del wolfram alemán. Los ejemplos están en la Tabla\(\PageIndex{2}\).

Tabla\(\PageIndex{2}\): Símbolos de elementos basados en nombres que ya no están en uso

Element	Símbolo	Derivación	Significado
antimonio	Sb	stibium	Latín para “mark”
cobre	Cu	cuprum	de Cyprium, nombre latino para la isla de Chipre, la principal fuente de mineral de cobre en el Imperio Romano
oro	Au	aurum	Latín para “gold”
hierro	Fe	ferrum	Latín para “iron”
plomo	Pb	plumbum	Latín para “heavy”
mercurio	Hg	hidrargiro	Latín para “liquid silver”
potasio	K	kalium	del árabe al-qili, “álcali”
plata	Ag	argentum	Latín para “silver”
sodio	Na	Natrium	Latín para “sodium”
estaño	Sn	stannum	Latín para “tin”
tungsteno	W	wolfram	Alemán para “piedra de lobo” porque interfería con la fundición de estaño y se pensó que devoraba la lata

Recordemos que los núcleos de la mayoría de los átomos contienen neutrones así como protones. A diferencia de los protones, el número de neutrones no está absolutamente fijo para la mayoría de los elementos. Los átomos que tienen el mismo número de protones, y de ahí el mismo número atómico, pero diferentes números de neutrones se denominan isótopos. Todos los isótopos de un elemento tienen el mismo número de protones y electrones, lo que significa que exhiben la misma química. Los isótopos de un elemento difieren únicamente en su masa atómica, la cual viene dada por el número de masa (A), la suma de los números de protones y neutrones.

El elemento carbono (C) tiene un número atómico de 6, lo que significa que todos los átomos de carbono neutros contienen 6 protones y 6 electrones. En una muestra típica de material que contiene carbono, 98.89% de los átomos de carbono también contienen 6 neutrones, por lo que cada uno tiene un número de masa de 12. Un isótopo de cualquier elemento se puede representar de manera única como\(^A_Z X\), donde X es el símbolo atómico del elemento. El isótopo de carbono que tiene 6 neutrones es por lo tanto\(_6^{12} C\). El subíndice que indica el número atómico es realmente redundante porque el símbolo atómico ya especifica de manera única Z. Consecuentemente,\(_6^{12} C\) se escribe más a menudo como ¹² C, que se lee como “carbono-12". Sin embargo, el valor de Z se incluye comúnmente en la notación para reacciones nucleares porque estas reacciones implican cambios en Z.

Figura\(\PageIndex{2}\): Formalismo utilizado para identificar nucleidos específicos (cualquier tipo particular de núcleo)

Además\(^{12}C\), una muestra típica de carbono contiene 1.11%\(_6^{13} C\) (¹³ C), con 7 neutrones y 6 protones, y una traza de\(_6^{14} C\) (¹⁴ C), con 8 neutrones y 6 protones. El núcleo de ¹⁴ C no es estable, sin embargo, pero sufre una lenta desintegración radiactiva que es la base de la técnica de datación por carbono-14 utilizada en arqueología. Muchos elementos distintos al carbono tienen más de un isótopo estable; el estaño, por ejemplo, tiene 10 isótopos. Las propiedades de algunos isótopos comunes se encuentran en la Tabla\(\PageIndex{3}\).

Tabla\(\PageIndex{3}\): Propiedades de Isótopos Seleccionados

Element	Símbolo	Masa atómica (amu)	Número de masa de isótopo	Masas isotópicas (amu)	Abundancias porcentuales (%)
hidrógeno	H	1.0079	1	1.007825	99.9855
			2	2.014102	0.0115
boro	B	10.81	10	10.012937	19.91
			11	11.009305	80.09
carbono	C	12.011	12	12 (definido)	99.89
			13	13.003355	1.11
oxígeno	O	15.9994	16	15.994915	99.757
			17	16.999132	0.0378
			18	17.999161	0.205
hierro	Fe	55.845	54	53.939611	5.82
			56	55.934938	91.66
			57	56.935394	2.19
			58	57.933276	0.33
uranio	U	238.03	234	234.040952	0.0054
			235	235.043930	0.7204
			238	238.050788	99.274

Fuentes de datos de isótopos: G. Audi et al., Nuclear Physics A 729 (2003): 337—676; J. C. Kotz y K. F. Purcell, Chemistry and Chemical Reactivity, 2a ed., 1991.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Un elemento con tres isótopos estables tiene 82 protones. Los isótopos separados contienen 124, 125 y 126 neutrones. Identificar el elemento y escribir símbolos para los isótopos.

Dado: número de protones y neutrones

Preguntado por: elemento y símbolo atómico

Estrategia:

1. Consulte la tabla periódica y utilice el número de protones para identificar el elemento.
2. Calcular el número de masa de cada isótopo sumando los números de protones y neutrones.
3. Dar el símbolo de cada isótopo con el número de masa como superíndice y el número de protones como subíndice, ambos escritos a la izquierda del símbolo del elemento.

Solución:

A El elemento con 82 protones (número atómico de 82) es plomo: Pb.

B Para el primer isótopo, A = 82 protones + 124 neutrones = 206. De igual manera, A = 82 + 125 = 207 y A = 82 + 126 = 208 para el segundo y tercer isótopos, respectivamente. Los símbolos de estos isótopos son\(^{206}_{82}Pb\),\(^{207}_{82}Pb\), y\(^{208}_{82}Pb\), que generalmente se abrevian como\(^{206}Pb\),\(^{207}Pb\), y\(^{208}Pb\).

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Identificar el elemento con 35 protones y escribir los símbolos para sus isótopos con 44 y 46 neutrones.

Contestar

\(\ce{^{79}_{35}Br}\)y\(\ce{^{81}_{35}Br}\) o, más comúnmente,\(\ce{^{79}Br}\) y\(\ce{^{81}Br}\).

Resumen

El átomo consiste en partículas discretas que gobiernan su comportamiento químico y físico. Cada átomo de un elemento contiene el mismo número de protones, que es el número atómico (Z). Los átomos neutros tienen el mismo número de electrones y protones. Los átomos de un elemento que contienen diferentes números de neutrones se denominan isótopos. Cada isótopo de un elemento dado tiene el mismo número atómico pero un número másico diferente (A), que es la suma de los números de protones y neutrones. Las masas relativas de los átomos se reportan usando la unidad de masa atómica (amu), la cual se define como una doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12, con 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones.