Estructura atómica
La estructura atómica no es un sistema solar en miniatura. Un átomo contiene un núcleo diminuto formado por protones y neutrones, rodeado por electrones descritos mediante estados cuánticos. El núcleo determina la identidad y casi toda la masa; la distribución electrónica controla la mayor parte de la química.
Tres partículas, tres funciones distintas
Protón
Carga +e. Se encuentra en el núcleo. El número de protones Z define el elemento.
Neutrón
Sin carga neta. Se encuentra en el núcleo. Distintos números de neutrones originan isótopos.
Electrón
Carga −e. Su masa es aproximadamente 1/1836 de la de un protón. Ocupa estados cuánticos alrededor del núcleo y domina el comportamiento químico.
Un átomo neutro tiene el mismo número de electrones que de protones. Cambiar el número de electrones produce un ion; cambiar el de neutrones, un isótopo; cambiar el de protones, un elemento distinto.
Número atómico, número másico y notación isotópica
El número atómico Z es el número de protones. El número másico A cuenta protones y neutrones, por lo que el número de neutrones es N = A − Z.
²³₁₁Na: Z = 11, A = 23, N = 12.
²³₁₁Na⁺: sigue teniendo 11 protones y 12 neutrones, pero ahora tiene 10 electrones.
La masa atómica que aparece en la tabla periódica no suele ser un número entero porque es un promedio ponderado de los isótopos presentes en la naturaleza, no el número másico de un átomo concreto.
De Rutherford al átomo cuántico
La dispersión de Rutherford estableció la existencia del núcleo, pero un electrón clásico que orbitara alrededor de un núcleo positivo radiaría energía y acabaría cayendo sobre él. Bohr introdujo niveles de energía discretos para el hidrógeno; la mecánica cuántica sustituyó las órbitas fijas por funciones de onda y orbitales.
Un orbital no es una trayectoria. Es un estado cuántico cuya función de onda determina una distribución de probabilidad para localizar un electrón. Las capas y subcapas organizan estos estados según sus números cuánticos y su energía.
Esta distinción es esencial: las tendencias químicas —enlace, ionización, tamaño, espectros— dependen de las energías y distribuciones espaciales de los electrones, no de pequeñas «órbitas planetarias» alrededor del núcleo.
Construye un átomo: balance de carga y masa
La herramienta separa deliberadamente los tres recuentos. La identidad nuclear depende del número de protones; la carga, del desequilibrio entre protones y electrones.
Escalas, fuerzas y cohesión del átomo
Los electrones están ligados al núcleo por atracción electromagnética. Dentro del núcleo, los protones se repelen eléctricamente entre sí, pero a distancias nucleares la interacción fuerte puede mantener unidos protones y neutrones.
No deben confundirse ambas escalas: la química reorganiza sobre todo electrones y suele implicar energías del orden de electronvoltios por partícula; las reacciones nucleares modifican el núcleo y pueden liberar, por suceso, energías millones de veces mayores.
Incluso la expresión «tamaño de un átomo» exige cuidado. La densidad electrónica no tiene una frontera nítida, por lo que los radios atómicos se deducen de las distancias entre átomos en moléculas o sólidos.
Pruebas que construyeron el modelo atómico moderno
| Prueba | Qué permitió establecer | Qué no explicaba todavía |
|---|---|---|
| Rayos catódicos | Los átomos contienen electrones negativos; puede medirse la relación carga/masa del electrón. | La localización de la carga positiva. |
| Gotas de aceite de Millikan | La carga del electrón está cuantizada; combinada con e/m permite obtener su masa. | La estructura nuclear. |
| Dispersión de Rutherford | La carga positiva y casi toda la masa se concentran en un núcleo diminuto. | La estructura electrónica estable y los espectros. |
| Espectros atómicos | Los átomos poseen energías electrónicas discretas. | Una teoría completa para átomos con muchos electrones. |
| Experimentos de Chadwick sobre el neutrón | El núcleo también contiene partículas neutras de masa semejante a la del protón. | Las fuerzas nucleares en detalle y la estructura en capas. |
El modelo cambió porque los experimentos descartaron representaciones anteriores. Por ello, un diagrama atómico científicamente útil debe interpretarse como un modelo vinculado a pruebas concretas, no como una fotografía literal.
Masa, isótopos y escala de masas atómicas
Las masas del protón y del neutrón son cercanas a 1 unidad de masa atómica unificada, mientras que un electrón aporta solo unas 0,00055 u. Por eso el número másico A es un buen recuento entero de nucleones, pero no una masa atómica exacta.
La energía de enlace nuclear también modifica la masa. Un núcleo ligado tiene una masa ligeramente menor que la suma de sus protones y neutrones separados; esa diferencia de masa corresponde a la energía de enlace mediante E = mc². Además, las masas atómicas químicas se refieren a átomos neutros e incluyen la masa de los electrones.
El valor de la tabla periódica suele ser una media ponderada por las abundancias isotópicas. En el cloro, los isótopos naturales ³⁵Cl y ³⁷Cl producen un promedio cercano a 35,45 u. Ningún átomo ordinario de cloro tiene «35,45 nucleones».
Posición, probabilidad y nube electrónica
La mecánica cuántica no asigna al electrón una órbita clásica con posición y velocidad conocidas en cada instante. Una función de onda describe el estado, y |ψ|² proporciona una densidad de probabilidad para las medidas de posición.
Los dibujos de orbitales suelen encerrar una fracción elegida de la probabilidad —a menudo alrededor del 90 %—. Por tanto, la frontera es una convención gráfica: la densidad electrónica se extiende más allá de la superficie dibujada.
El principio de incertidumbre va más allá de una técnica de medida imperfecta: un estado cuántico no puede tener simultáneamente posición y cantidad de movimiento arbitrariamente precisas. Esa es una de las razones por las que el modelo de órbitas planetarias acaba fallando.
Ejercicios
Ion magnesio
²⁴Mg²⁺ tiene Z = 12. Calcula el número de protones, neutrones y electrones.
Solución
12 protones, 24 − 12 = 12 neutrones, y 12 − 2 = 10 electrones.
¿Isótopo o ion?
Dos átomos tienen 17 protones; uno posee 18 neutrones y el otro 20. ¿Qué relación hay entre ellos?
Solución
Son isótopos del cloro. Tienen el mismo número de protones y, por tanto, pertenecen al mismo elemento.
Prueba de Rutherford
¿Qué observación descarta que la carga positiva esté distribuida uniformemente?
Solución
Las poco frecuentes desviaciones de gran ángulo exigen que la carga positiva y casi toda la masa estén concentradas en una región muy pequeña: el núcleo.