Las partículas del átomo
Lo que vas a aprender
- Describir dónde están el protón, el neutrón y el electrón, y cuál es la carga y la masa relativa de cada uno.
- Calcular la carga de un átomo o de un ion a partir de sus protones y sus electrones.
- Calcular cuántos electrones tiene un ion a partir de sus protones y de su carga.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Frota un globo inflado contra tu pelo seco y acércalo a unos papelitos: los levanta sin tocarlos. Pásate un peine plástico por el pelo en un día seco y oirás chasquidos. En los dos casos se movieron partículas diminutas que están dentro de todo lo que te rodea: en el globo, en tu pelo, en el aire y en ti.
Todo está hecho de átomos, y los átomos no son bolitas macizas: tienen partes. Saber cuáles son, dónde está cada una y qué carga eléctrica tiene te sirve para entender por qué se pega el globo, por qué casi todo lo que tocas no tiene carga y, más adelante, cómo se unen los átomos para formar el agua o la sal de cocina.
Antes de empezar necesitas recordar que la materia está formada por partículas muy pequeñas, y saber sumar y restar números enteros con signo.
Explicación
Núcleo y corteza
Un átomo tiene dos zonas. En el centro está el núcleo, muy pequeño. Alrededor está la corteza, una región enorme comparada con el núcleo, por donde se mueven los electrones. Para hacerte una idea: si un átomo fuera tan grande como un estadio de fútbol, su núcleo sería como una canica en el centro de la cancha.
En el núcleo hay dos clases de partículas, los protones y los neutrones. En la corteza están los electrones. Cada partícula tiene su carga eléctrica y su masa:
| Partícula | Dónde está | Carga | Masa relativa |
|---|---|---|---|
| Protón | núcleo | +1 | 1 |
| Neutrón | núcleo | 0 | 1 |
| Electrón | corteza | −1 | casi 0 |
La masa relativa compara las masas entre sí, tomando la del protón como 1. El neutrón tiene casi la misma masa que el protón. El electrón es tan liviano que, al lado de ellos, su masa casi no cuenta. Por eso casi toda la masa del átomo está en el núcleo, aunque el núcleo ocupe una parte diminuta de su espacio.
Cargas que se atraen
Las cargas eléctricas de signo contrario se atraen, y las del mismo signo se repelen. Los protones, que son positivos, atraen a los electrones, que son negativos: esa atracción mantiene a los electrones alrededor del núcleo. Los neutrones no tienen carga, así que no atraen ni repelen eléctricamente a ninguna partícula.
Quizá te preguntes por qué el núcleo no se desarma, si los protones son todos positivos y se repelen entre sí. La razón es que protones y neutrones están unidos por una fuerza muy intensa que solo actúa a distancias diminutas, dentro del núcleo. Esa fuerza la estudiarás en física; por ahora basta saber que el núcleo es muy estable y que, cuando el átomo participa en un cambio químico, el núcleo no se altera: lo que cambia es la corteza.
El átomo neutro
La carga total de un átomo se cuenta así: cada protón aporta $+1$, cada electrón aporta $-1$ y cada neutrón aporta $0$. Todo junto se resume en una resta:
$$\text{carga} = \text{protones} - \text{electrones}$$
Un átomo que tiene tantos electrones como protones tiene carga $0$: es un átomo neutro. Por eso tu cuaderno, el agua y el aire casi nunca tienen carga, aunque estén llenos de partículas cargadas: las positivas y las negativas se compensan.
Los iones
Los electrones están afuera, en la corteza, y un átomo puede perder o ganar algunos cuando se encuentra con otros átomos. Los protones, en cambio, están dentro del núcleo y no cambian en esas situaciones. Si cambiaran, el átomo se volvería otro elemento, como verás en la próxima lección.
Un átomo que perdió o ganó electrones ya no es neutro: es un ion.
- Si pierde electrones, le quedan más protones que electrones y su carga es positiva. Se llama catión.
- Si gana electrones, tiene más electrones que protones y su carga es negativa. Se llama anión.
La carga se escribe arriba a la derecha del símbolo del elemento: K⁺ es un átomo de potasio que perdió un electrón, y N³⁻ es un átomo de nitrógeno que ganó tres. En el símbolo el número va antes del signo, pero la carga del N³⁻ es −3: en el texto la escribimos siempre con el signo adelante, −3 o +1.
Cuidado con un error muy frecuente: un ion positivo no ganó protones, perdió electrones. Y un ion negativo no perdió protones, ganó electrones.
Con el globo pasa algo parecido, pero con muchísimos átomos a la vez: al frotarlo, algunos electrones pasan de tu pelo al globo. El globo queda con más electrones que protones, con carga negativa, y tu pelo queda con carga positiva. Ningún protón se movió de su sitio.
Para resolver cualquier ejercicio de esta lección sirve el mismo orden: primero escribe cuántos protones hay, porque ese número no cambia; después, cuántos electrones había y cuántos se perdieron o se ganaron; al final, resta protones menos electrones para obtener la carga, y mira el signo para saber si es catión, anión o átomo neutro.
Un dibujo no es una foto
Nadie ha visto un átomo como los de los dibujos. Los esquemas usan bolitas de colores para poder contar partículas, pero los protones no tienen color y los electrones no son puntos quietos. Además, ningún dibujo de un cuaderno puede estar a escala: si el núcleo fuera del tamaño de un punto de lápiz, la corteza se saldría de la página y del salón. Un esquema es una herramienta para pensar y para contar, no un retrato del átomo.
Esquema de un átomo con tres protones y cuatro neutrones en el núcleo, y tres electrones en la corteza. No está a escala: el núcleo de verdad es muchísimo más pequeño, y los electrones no están quietos en esos puntos.
Ejemplo resuelto
La carga de un átomo
Un átomo tiene 9 protones, 10 neutrones y 9 electrones. ¿Cuál es su carga?
Ver la solución paso a paso
Cada protón aporta $+1$, cada neutrón $0$ y cada electrón $-1$:
$$9 \cdot 1 + 10 \cdot 0 + 9 \cdot \left(-1\right)$$
Los neutrones no cuentan, y los protones y los electrones se compensan:
$$9 - 9$$
$$0$$
Respuesta: La carga es 0: es un átomo neutro, con tantos electrones como protones.
Ejemplo resuelto
Un átomo que pierde un electrón
Un átomo neutro de potasio tiene 19 protones y pierde 1 electrón. ¿Cuántos electrones le quedan y cuál es su carga?
Ver la solución paso a paso
El potasio tiene 19 protones; lo dice su número atómico, que estudiarás en la próxima lección:
$$Z(\mathrm{K}) = 19$$
Como era neutro, tenía 19 electrones. Pierde uno:
$$19 - 1$$
Le quedan 18 electrones.
$$18$$
Su carga es protones menos electrones. Los protones siguen siendo 19:
$$19 - 18$$
$$1$$
Respuesta: Le quedan 18 electrones y su carga es +1: es el catión K⁺.
Ejemplo resuelto
Un átomo que gana electrones
Un átomo neutro de nitrógeno tiene 7 protones y gana 3 electrones. ¿Cuántos electrones tiene ahora y cuál es su carga?
Ver la solución paso a paso
El nitrógeno tiene 7 protones:
$$Z(\mathrm{N}) = 7$$
Neutro tenía 7 electrones, y gana 3:
$$7 + 3$$
Ahora tiene 10 electrones.
$$10$$
La carga es protones menos electrones:
$$7 - 10$$
La carga es negativa porque hay más electrones que protones.
$$-3$$
Respuesta: Tiene 10 electrones y su carga es −3: es el anión N³⁻. Sus protones siguen siendo 7.
Pon protones y neutrones en el núcleo y electrones en la corteza hasta cumplir cada reto. Fíjate en que, para cambiar la carga, solo mueves electrones: los protones dicen qué elemento es.
Práctica
Un átomo tiene 11 protones, 12 neutrones y 10 electrones. ¿Cuál es su carga?
Carga = protones − electrones = 11 − 10 = +1. Los 12 neutrones no aportan carga; si los sumas por error, te da 13.
Un ion de fósforo tiene 15 protones y carga −3. ¿Cuántos electrones tiene?
Una carga −3 quiere decir que tiene 3 electrones más que protones: 15 + 3 = 18. Es el ion P³⁻.
Un átomo de litio, con 3 protones, pierde 1 electrón. ¿Cuál es la carga del ion que se forma? Escribe solo el número.
Le quedan 3 − 1 = 2 electrones. Carga = 3 − 2 = +1: es el catión Li⁺.
¿Verdadero o falso? Un ion con 20 protones y 18 electrones tiene carga −2.
Carga = protones − electrones = 20 − 18 = +2. Tiene más protones que electrones, así que su carga es positiva: perdió dos electrones.
Cada opción es la cuenta protones − electrones de una partícula. Marca todas las que corresponden a átomos neutros.
Marca todas las que apliquen.
Un átomo es neutro cuando tiene tantos electrones como protones, y la resta da 0. La de 17 − 18 da −1 (un anión) y la de 12 − 10 da +2 (un catión).
Un ion tiene carga +3 y 10 electrones. ¿Cuántos protones tiene?
Una carga +3 quiere decir 3 protones más que electrones: 10 + 3 = 13. Es el ion Al³⁺.
Un átomo de berilio tiene 4 protones. Si pierde 2 electrones, ¿cuál es la carga del ion?
Le quedan 4 − 2 = 2 electrones, y la carga es 4 − 2 = +2. Perder electrones deja la carga positiva, no negativa.
Un átomo de cloro tiene 17 protones y 17 electrones. Gana 1 electrón. ¿Cuántos protones tiene ahora?
Al ganar un electrón cambian los electrones (ahora son 18), no los protones: siguen siendo 17. Por eso sigue siendo cloro.
El átomo del esquema tiene 3 protones, 4 neutrones y 3 electrones. Si cuentas 1 por cada protón, 1 por cada neutrón y casi 0 por cada electrón, ¿cuál es su masa relativa?
Protones y neutrones aportan 1 cada uno: 3 + 4 = 7. Los electrones casi no aportan masa.
¿Dónde está casi toda la masa de un átomo?
Los protones y los neutrones tienen casi toda la masa, y están en el núcleo. La corteza es grande, pero allí solo hay electrones, que casi no tienen masa.
Después de frotarlo contra el pelo, un globo queda con carga negativa. ¿Qué le pasó al globo?
Con más electrones que protones, la carga es negativa. Los protones no se mueven, porque están en el núcleo, y los neutrones no tienen carga.
Reto
Lleva cada partícula a su canasta.
Cada tarjeta es la cuenta protones − electrones de una partícula. Haz la resta y decide si es un átomo neutro, un catión o un anión.
Reto
Abre el candado de las cargas.
Cada respuesta es una cifra del código. Carga = protones − electrones.
Reto
El crucigrama del átomo.
Lee cada pista y escribe la palabra. No lleva tildes.
Cierre
En resumen
El átomo tiene un núcleo diminuto, con protones (+1) y neutrones (0), y una corteza mucho más grande donde se mueven los electrones (−1).
El protón y el neutrón tienen casi la misma masa; la del electrón casi no cuenta. Por eso casi toda la masa del átomo está en el núcleo.
La carga de un átomo o de un ion es protones − electrones; un átomo neutro tiene tantos electrones como protones.
Un catión perdió electrones y un anión los ganó; en los dos casos los protones no cambian.
Los dibujos del átomo son esquemas para contar partículas, no fotos ni dibujos a escala.
Vocabulario
- Núcleo
Zona central del átomo, muy pequeña, donde están los protones y los neutrones. Allí está casi toda la masa del átomo.
- Corteza
Región que rodea al núcleo, mucho más grande que él, por donde se mueven los electrones.
- Protón
Partícula del núcleo con carga eléctrica positiva, +1.
- Neutrón
Partícula del núcleo sin carga eléctrica, con una masa casi igual a la del protón.
- Electrón
Partícula de la corteza con carga eléctrica negativa, −1, y una masa muchísimo menor que la del protón.
- Ion
Átomo que perdió o ganó electrones y por eso tiene carga. Si es positivo se llama catión; si es negativo, anión.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Haga la experiencia del globo frotado contra el pelo y los papelitos. Pregunte qué se movió y anote las ideas sin corregirlas todavía.
- Explicación · 15 min — Núcleo y corteza con el esquema; la tabla de cargas y masas relativas; los tres ejemplos en el tablero, escribiendo siempre carga = protones − electrones.
- Práctica · 20 min — Preguntas y retos en parejas. Las canastas y el candado se pueden proyectar y resolver en grupo.
- Cierre · 5 min — Vuelva al globo: que cada estudiante explique por escrito, con la palabra electrón, por qué quedó con carga negativa.
Preguntas para el salón
- Si el núcleo es tan pequeño, ¿por qué decimos que allí está casi toda la masa del átomo?
- ¿Por qué un átomo puede perder electrones con facilidad y no protones?
- Un ion positivo, ¿tiene más protones que el átomo neutro del que salió? ¿Qué tiene de diferente?
Errores típicos
- Creer que un catión ganó protones. Pida que escriban protones y electrones antes y después del cambio, y que vean cuál de los dos números cambió.
- Sumar los neutrones al calcular la carga. Vuelva a la tabla: el neutrón aporta 0. Pida que tachen los neutrones antes de hacer la resta.
- Tomar el esquema del átomo como una foto a escala. Use la comparación del estadio y la canica, y pregunte qué tamaño tendría la corteza si el núcleo fuera un punto de lápiz.
Tarea sugerida
Dibujar el esquema de un átomo neutro de berilio, con 4 protones y 5 neutrones, y luego el del ion Be²⁺ que se forma si pierde 2 electrones, escribiendo la carga de cada uno.