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Átomo: estructura 1/4
QUÍMICA
La materia está formada por átomos
Estructura del átomo
Cualquier sistema que nos propongamos estudiar estará formado por materia y energía. Conocer la estructura de la materia
es uno de los dos intereses principales de la química (el otro es conocer como esta materia puede transformarse). Hoy
sabemos que la materia, esto es, todas las sustancias que podemos encontrar en el Universo, está constituida por átomos.
Ahora bien ¿cuál es la estructura de estas unidades de materia? ¿Son estas partículas indivisibles o están constituidas por
entidades más pequeñas? El conocimiento de estos aspectos de la estructura del átomo se hace imprescindible ya que son
el fundamento del comportamiento químico de todos los sistemas.
Las unidades estructurales de la materia: los átomos.
Toda la materia que podemos ver en el Universo está
constituida por átomos. Hoy en día se sabe que ésta no es
una unidad fundamental indivisible, como pensaba John
Dalton cuando propuso su existencia (átomo del griego: que
no se puede dividir). Por el contrario, actualmente está
establecido que en el átomo podemos diferenciar dos
regiones:
-
I
Imagen adaptada de The Particles Adventure:
Fundamental Particles and Interactions, 2006; Particle
Data Group del Lawrence Berkeley National Laboratory
(EEUU) http://www.cpepweb.org/particles.html
(imagen no representada a escala: si el átomo tuviese
un diámetro de aprox. 6 cm, como el la figura, el núcleo
debería ser menor de 0.01 mm y los quarks y los
electrones más pequeños de 0.000001 mm).
El núcleo: región cuya principal característica es que
presenta carga eléctrica positiva. En él encontramos
dos tipos de partículas: protones y neutrones.
Región externa al núcleo donde encontramos los
electrones (con carga eléctrica negativa).
De las tres partículas subatómicas mencionadas, a los
electrones se les considera partículas fundamentales. No es
así a los protones y a los neutrones, ya que actualmente se
sabe que, a su vez, están formados por otras partículas, que
sí se consideran fundamentales y que se han denominado
quarks. Distintas combinaciones de dos tipos de quarks
forman los protones y los neutrones. Por tanto, podemos
decir que toda la materia visible del universo está
formada
por
unas
partículas
fundamentales
denominadas quarks y electrones.
Desde un punto de vista químico, las propiedades de un átomo se
pueden describir en función del número de protones, neutrones y
electrones. Por tanto, para avanzar en nuestro conocimiento de la
estructura química del átomo nos quedamos con:
-
-
los protones, partículas subatómicas situados en el núcleo
atómico, que tienen carga eléctrica positiva (+1) y que, a su
vez, están constituidas por unas partículas fundamentales que
se han denominado quarks.
los neutrones, partículas subatómicas también situadas en el
núcleo atómico, sin carga, y de masa similar a la de los
protones. También están constituidas por quarks y, por último,
los electrones, partículas fundamentales que se sitúan
alrededor del núcleo y tienen carga negativa (-1).
Cada uno de los átomos que nos encontramos en la naturaleza (o que
se han obtenido de forma artificial) son el resultado de la combinación
de un número concreto de estas partículas fundamentales. Por
ejemplo, el átomo representado en la Figura 1 tiene 2 protones en su
núcleo, junto con dos neutrones, y como cabe esperar, para un átomo
neutro, encontramos dos electrones alrededor de él.
Átomos:
Unidades estructurales básicas
constituyentes de toda la materia.
Núcleo atómico:
Región del átomo, con carga positiva,
formada por protones y neutrones.
Protones:
Constituyentes del núcleo atómico, con
carga positiva (+1), formados por quarks.
Neutrones:
Constituyentes del núcleo atómico, con
carga neutra, formados por quarks
Electrones:
Partículas fundamentales subatómicas,
con carga negativa (-1).
Quarks:
Partículas fundamentales subatómicas.
Podemos encontrar 6 tipos de quarks.
Combinaciones de dos de ellos (quarks
up y quarks down) son los que forman
los protones y los neutrones.
Autora: Mercedes de la Fuente Rubio
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Átomo: estructura 2/4
QUÍMICA
La materia está formada por átomos
Estructura del átomo
Los átomos son unidades eléctricamente neutras: el número de protones
debe ser igual al número de electrones
La carga eléctrica de los protones y los electrones es igual y de signo contrario. Se
ha fijado como unidad de carga la carga de un protón o de un electrón. Por tanto
decimos que sus cargas son, respectivamente, +1 y -1.
Resulta obvio que, en un átomo neutro, el número de electrones debe ser igual al
número de protones.
Unidad de carga:
La carga que posee un
electrón, que es igual y de
signo contrario a la de un
protón.
Lo que determina el tipo de átomo es el número de protones
Cada uno de los diferentes elementos químicos está
constituido por un único tipo de átomo. El tipo de átomo viene
determinado por el número de protones que haya en su núcleo.
Así por ejemplo, los átomos con un protón son los átomos de
hidrógeno; con dos protones, los átomos de Helio; con tres
protones, los átomos de Litio, etc. El nombre de cada uno de
estos elementos lo podemos representar de forma abreviada,
mediante su símbolo químico (H, He, Li, …).
Figura 2. Esquema de la representación que
caracteriza a un átomo (ejemplo: átomo de helio).
(En muchas ocasiones se suprime de la
representación el número atómico, ya que éste ya
está implícito en el símbolo del elemento).
Al número de protones que un átomo tenga en su núcleo es a
lo que denominamos número atómico (Z).
Símbolo químico:
Representación abreviada
del nombre de cada uno
de los elementos
químicos.
La masa atómica y el número másico
Las masas de los átomos se han establecido de forma relativa: se comprobó, por
ej. , que el átomo más ligero era el H, y que el átomo de carbono, C, pesaba
aproximadamente 12 veces más que el átomo de H, el átomo de oxígeno 16 veces
más, etc. Para establecer las masa atómicas relativas de todos los átomos se
decidió tomar como referencia el átomo de carbono-12 (12C), asignándole una
masa de valor 12 unidades. A estas unidades es a lo que se denominó unidades
de masa atómica (uma). Así, actualmente decimos que: el átomo de C tiene una
masa de 12 uma (aprox.); el H 1 uma (aprox.), el oxígeno 16 uma (aprox.), etc.
Prácticamente toda la masa de un átomo está concentrada en ese pequeñísimo
espacio que ocupa el núcleo atómico. Se ha podido comprobar que las masas de
los protones y de los neutrones, que son prácticamente iguales entre sí, son, a la
vez, del orden de 1840 veces superiores a la masa del electrón. Además sabemos,
que en nuestra escala relativa de masas, el átomo de 1H (con 1 protón y ningún
neutrón en su núcleo) tiene 1 uma de masa: es decir, la masa de 1 protón será
aproximadamente 1 uma. Luego, con estos datos (masa de protones y neutrones
aproximadamente igual y ambas próximas a la unidad de masa atómica) podemos
concluir que la masa de un átomo será prácticamente igual a la suma del
número de protones y de neutrones que lo compongan.
A la suma del número de protones y de neutrones es a lo que denominamos
número másico (A).
Número atómico (Z):
Número de protones
presente en los núcleos
de los átomos de un
determinado elemento. Lo
representamos con la
letra Z.
Número másico (A):
Suma del número de
protones (Z) y del número
de neutrones (N) presente
en los núcleos de un
determinado átomo. Lo
representamos con la letra
A.
Masa atómica relativa:
Masa de un átomo de un
elemento, referida a la del
12
C (=12 uma), expresada
en unidades de masa
atómica.
Unidad de masa atómica
(uma):
La doceava parte de la
masa del átomo de
12
carbono-12 ( C).
Autora: Mercedes de la Fuente Rubio
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Átomo: estructura 3/4
QUÍMICA
La materia está formada por átomos
Estructura del átomo
Diferente número de neutrones determina la presencia de diferentes isótopos
dentro de un mismo tipo de átomos
Los neutrones son partículas sin carga, pero, como acabamos de ver, su masa es
similar a la del protón. En muchos de los diferentes elementos químicos existen
átomos que presentan diferente número de neutrones en su núcleo. Es decir,
existen átomos que aun siendo del mismo tipo (igual número de protones o número
atómico) tienen diferente número de neutrones. Esto implica que existirán, dentro
de ese elemento, átomos cuya masa sea ligeramente diferente, y que
denominamos isótopos. Así, por ejemplo: para el átomo de hidrógeno se han
encontrado tres isótopos distintos:
1
. el más abundante en la naturaleza (el que no presenta ningún neutrón): H,
. además existen átomos de H con 1 neutrón: 2H (deuterio), y
. átomos con dos neutrones: 3H (tritio).
Isótopos
Átomos de un mismo
elemento que únicamente
se diferencian en el
número de neutrones que
poseen en su núcleo,
siendo exactamente igual
el número de protones y,
por tanto, de electrones.
Masa atómica de un
elemento
Masa atómica ponderada
de los diferentes isótopos
que existen en ese
elemento.
El tener igual número de protones, y por tanto de electrones, implica que los
diferentes isótopos de un mismo elemento, tendrán las mismas características
químicas
Teniendo en cuenta la presencia de isótopos, la masa atómica de un elemento será
la masa atómica ponderada de los diferentes isótopos, medida en unidades de
masa atómica (uma).
Por ejemplo: existen tres isótopos para el carbono. Sus abundancias relativas son
98,892% para 12C (como hemos visto, átomo elegido como patrón), 1,108% para
13
C y una cantidad despreciable de 14C. La masa atómica del carbono será por
tanto:
MAC = (0,98892) x (12 uma) + (0,01108) x (13,00335 uma) = 12,011 uma
Es decir, consideramos como masa atómica del elemento la masa atómica
promedio de una muestra de ese elemento teniendo en cuenta que, en cada 100
átomos, aproximadamente encontraremos 99 de 12C y 1 de 13C.
Algunos de los isótopos de los distintos elementos no son estables. Esto implica
que los núcleos de esos átomos tienden, de forma espontánea, a emitir partículas o
radiaciones de alta energía, transformándose en otros isótopos. A los átomos que
presentan estas características los denominamos radioisótopos o isótopos
radiactivos.
Otros conceptos relacionados que conviene recordar/consultar
Elemento químico: Sustancias puras compuestas por un único tipo de átomos y que no pueden descomponerse en variedades más
simples de materia. Ver ficha: Moléculas y otras posibilidades.
Masa atómica en gramos: Ver ficha Átomo-gramo.
Autora: Mercedes de la Fuente Rubio
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Átomo: estructura 4/4
QUÍMICA
La materia está formada por átomos
Estructura del átomo
Ejemplo
Podrías completar el siguiente cuadro:
Elemento
Símbolo
Isótopo
Número
atómico
(Z)
2
Hidrógeno
Número
másico
(A)
Número
protones
Número
neutrones
Número
electrones
2
2
Li
4
238
92
U
56
26
Número
atómico
(Z)
2
Número
másico
(A)
4
Número
protones
Número
neutrones
Número
electrones
2
2
2
H
1
2
1
1
1
Li
3
7
3
4
3
U
92
238
92
146
92
Fe
26
56
26
30
26
Solución:
Elemento
Símbolo
Isótopo
Helio
He
Hidrógeno
H
Litio
Li
4
2
2
1
7
3
Uranio
U
238
92
Hierro
Fe
56
26
1.
2.
3.
4.
5.
He
El elemento cuyo número atómico (Z) es 2 es el Helio. Decir que Z es 2 es igual que decir que tiene 2 protones en su
núcleo. Como nos dicen que tiene además 2 neutrones sabremos que su número másico es 4. Por tanto se tratará del
isótopo de Helio-4. En cualquier átomo, el número de protones será igual al número de electrones.
El elemento Hidrógeno siempre tendrá como número atómico 1, es decir, un protón en su núcleo, lo que a su vez
implica que cada átomo tendrá un electrón. Como nos dicen que el número másico es 2, nos están diciendo que se
2
trata del isótopo H (deuterio), y por tanto deberá tener 1 neutrón (2-1=1).
El símbolo Li representa al elemento Litio, o lo que es lo mismo, el elemento cuyo número atómico es el 3 (luego
tendrá 3 protones y 3 electrones). Sabiendo que este isótopo tiene 4 neutrones en su núcleo, sabemos que el número
másico será 7 (3+4). Luego se trata del isótopo Litio-7.
representa al isótopo uranio-238. o lo que es lo mismo, el elemento cuyo número atómico es 92 (92
El símbolo 238
92 U
protones y 92 electrones) y que tiene 146 neutrones en su núcleo (número másico 238=92+146).
El elemento cuyo con 26 protones en su núcleo (Z=26), que tendrá, por tanto, 26 electrones es el Hierro (Fe). Si nos
dicen que este isótopo tiene 56 como número másico (isótopo Hierro-56), esto implica que tendrá 30 neutrones.
Ejercicio de autoevaluación
Analizamos una muestra de un elemento cuyos átomos tienen 80 protones en su núcleo. Dentro de esa
muestra observamos que existen átomos que presentan entre sí ligeras diferencias en sus masas y que
están en las siguientes proporciones:
Abundancia relativa (%)
Masa atómica (uma)
0,15
9,97
16,87
23,10
13,18
29,86
6,87
195,97
197,94
198,94
199,95
200,96
201,97
203,97
a) ¿Podrías decir de que elemento se trata? b) ¿Cómo se puede explicar la diferencia de masa entre los
átomos c)Según estos datos ¿cuál será la masa atómica de este elemento?
Solución: a)Hg; b) son distintos isótopos; c) 200,59 uma
Autora: Mercedes de la Fuente Rubio
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