Estructura atómica El átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia que presenta las propiedades de un dado elemento químico. Está formado por un núcleo central cuyo volumen es muy pequeño comparado con las dimensiones del átomo y que concentra casi toda la masa de mismo. El núcleo está constituido por dos tipos de partículas subatómicas: los protones (p+) con carga eléctrica positiva y los neutrones (no) sin carga eléctrica. Alrededor del núcleo, y moviéndose a distancias relativamente grandes comparadas con el tamaño de este, se encuentran los electrones (e-) , las partículas subatómicas con carga eléctrica negativa. Es importante tener en cuenta que ni el átomo ni el núcleo tienen una “cáscara” que los limite, el núcleo es la agrupación misma de los protones y neutrones, por eso no es correcto hacer afirmaciones como que los protones y neutrones se hallan “dentro” del núcleo ya que ellos mismos constituyen el núcleo. Aclaración: el dibujo de arriba es una simplificación de la estructura de un átomo, más adelante se estudiará en qué condiciones se encuentran realmente los electrones alrededor del núcleo. Los átomos de todos los elementos que existen en la naturaleza contienen las mismas partículas indicadas anteriormente, pero se diferencian en el número de ellas. Lo que identifica a un cierto elemento es su número de protones, independientemente del número de neutrones o electrones que posea. El número de protones presentes en el núcleo de un átomo se llama número atómico y se identifica con la letra Z. El número atómico es como el “DNI” de cada elemento. Z = Nº p+ El número de protones sumado al número de neutrones, que constituyen el núcleo de un átomo, se llama número másico o número de masa y se indica con la letra A. A = Nº p+ + Nº no A = Z + Nº no IMPORTANTE: el número másico de un átomo no se encuentra indicado en la Tabla Periódica de los Elementos. Enseguida se verá la razón de esto. 1 NUCLEIDO Un nucleido es un átomo cuyo núcleo está caracterizado por un número determinado de protones y de neutrones. Lo podemos representar de la siguiente forma: A Z X Por ejemplo: 23 11 Na este nucleido contiene 11 protones, 12 neutrones y 11 electrones El átomo representado arriba corresponde a un átomo neutro, el cual contiene igual número de protones y de electrones (Nº p+ = Nº e-). IONES Un ion es un átomo cargado eléctricamente y su carga se debe a un exceso o defecto en el número de electrones respecto del que tendría el átomo neutro. Si tiene más electrones que protones su carga neta será negativa (-) y se llama anión. Si tiene menos electrones que protones presentará una carga neta resultante positiva (+) y se llama catión. átomo neutro + e- - e- - + anión catión Un ion lo podemos simbolizar de la siguiente manera: X carga neta A Z Ejemplos: catión divalente: 40 20 anión monovalente: 19 9 F (contiene 9 protones, 10 neutrones y 10 electrones) catión trivalente: 27 13 Al3+ (contiene 13 protones, 14 neutrones y 10 electrones) Ca2+ (contiene 20 protones, 20 neutrones y 18 electrones) 2 IMPORTANTE: los símbolos + y - representan las cargas eléctricas positivas y negativas respectivamente y no tienen nada que ver con la simbología utilizada en matemática para las operaciones de suma y resta. Las ecuaciones de obtención de los iones mostrados anteriormente son las siguientes: 40 20 40 20 Ca Ca2+ + 2 e- En este caso se dice que el átomo de calcio perdió 2 electrones F- 19 9 19 9 F + e- En este caso se dice que el átomo de flúor ganó 1 electrón 27 13 27 13 Al Al3+ + 3 e- En este caso se dice que el átomo de aluminio perdió 3 electrones Los iones 9F- y 13Al3+ contienen 10 electrones cada uno. Estas especies son llamadas isoelectrónicas ya que tienen el mismo número de electrones. Además de ser isolectrónicos entre si estos iones también lo son de otros iones como 11Na+, 12Mg2+, 8O2-, 7N3- y tambien del átomo neutro 10Ne (neón). ISÓTOPOS Los isótopos son átomos de un mismo elemento pero que tienen diferente número de neutrones en sus núcleos. Es decir que tienen el mismo número atómico pero distinto número másico. Por ejemplo, en la naturaleza existen tres isótopos del elemento carbono: 12 6 C 13 6 C 14 6 6 p+ 6 e6 no 6 p+ 6 e7 no 6 p+ 6 e8 no C También se suele representar a un cierto isótopo indicando el nombre del elemento con un guion y su número másico, por ejemplo: carbono-14, cobalto-60, uranio-235, etc. Casi todos los elementos poseen diferentes isótopos, algunos naturales y otros artificiales, pero en la Tabla Periódica solo existe un casillero para cada elemento, por este motivo el número másico no aparece en dicha tabla. 3 ISÓBAROS Los isóbaros son átomos de diferentes elementos pero que tienen el mismo número de partículas en el núcleo, es decir igual número másico: 14 6 C y 14 7 N son isóbaros UNIDAD DE MASA ATÓMICA Y MASAS ATÓMICAS Los átomos y las partículas subatómicas son entidades tan pequeñas que expresar sus masas con las unidades que utilizamos habitualmente (g, kg, mg, etc.) resultaría en valores extremadamente pequeños y poco prácticos. Por tal motivo se creó una unidad de masa llamada unidad de masa atómica (uma) definida actualmente como “la doceava parte (1/12) de la masa de un átomo de carbono-12”. La uma se representa con la letra “u” y su equivalencia es: 1 u = 1,6605×10-27 kg A partir de mediciones experimentales indirectas fue posible determinar las masas de las partículas subatómicas, resumidas en el siguiente cuadro: partícula protón neutrón electrón ubicación núcleo núcleo zona extranuclear símbolo p+ no e- masa (u) 1 1 5,4×10-4 carga relativa +1 0 -1 Como se puede observar en el cuadro, la masa del electrón es aproximadamente 1800 veces menor que la de un protón o un neutrón (que tienen masas similares, aunque el neutrón es levemente más pesado). Por este motivo decimos que casi toda la masa de un átomo está concentrada en el núcleo. Una vez definida la uma se fue determinando la masa de cada isótopo para todos los elementos. A esa masa la llamamos masa atómica (ma). Por ejemplo, la masa atómica del nucleido 30 14Si es 29,97 u. Si quisiéramos expresar su masa atómica en gramos utilizamos la equivalencia indicada arriba: -24 ma ( 30 g/u = 4,977×10-23 g 14Si) = 29,97 u × 1,6605×10 Como vimos anteriormente, en la Tabla Periódica existe un solo casillero para cada uno de los elementos por lo tanto no se pueden incluir todos los isótopos de un dado elemento. Entonces, ¿qué significado tiene la masa atómica indicada en la tabla? En realidad, esa masa es una especie de masa atómica promedio entre los distintos isótopos, estrictamente es un promedio ponderado en función de sus abundancias isotópicas. La abundancia isotópica indica qué porcentaje de todos los átomos que existen en la naturaleza, para un dado elemento, corresponde a un cierto isótopo. 4 Ejemplo: el magnesio presenta tres isótopos estables: isótopo 24 25 26 masa atómica (u) 23,985 24,986 25,983 abundancia isotópica (%) 78,99 10,00 11,01 La masa atómica (promedio) del elemento magnesio se calcula así: ma (Mg) = 23,985 𝑢 ×78,99 %+24,986 𝑢 ×10,00 %+25,983 𝑢 ×11,01 % 100 % = 24,3050798 u ma (Mg) = 24,31 u 24,31 es la masa atómica del magnesio que figura en las tablas periódicas. Para reforzar estos conceptos también podés ver el siguiente video, muy ilustrativo: https://vimeo.com/105784553 5
