Las partículas del átomo
Lo que vas a aprender
- Describir la carga y la ubicación del protón, el neutrón y el electrón.
- Calcular el número de protones, neutrones y electrones de un átomo a partir de Z y A.
- Calcular el número de electrones de un catión o de un anión a partir de su carga.
- Reconocer si dos átomos son isótopos comparando su Z y su A.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
En la lección anterior viste que un elemento está formado por átomos de una sola clase. Pero ¿qué hace que un átomo de oxígeno sea distinto de uno de hierro? La respuesta está dentro del átomo: en las partículas que lo forman y en cuántas tiene de cada una.
Contar esas partículas es la base de casi todo lo que sigue en química: por qué la sal de cocina está hecha de iones, por qué unos elementos se parecen a otros y cómo se unen los átomos para formar compuestos. Esta lección es, sobre todo, de contar bien.
Antes de empezar necesitas recordar la diferencia entre elemento y compuesto, y sumar y restar enteros con signo.
Explicación
Tres partículas
Un átomo tiene un núcleo muy pequeño en el centro y, alrededor, una zona mucho más grande donde se mueven los electrones. En el núcleo hay dos clases de partículas:
- El protón, con carga eléctrica positiva, $+1$.
- El neutrón, sin carga. Su masa es muy parecida a la del protón.
El electrón tiene carga negativa, $-1$, y una masa mucho menor que la de un protón. Por eso casi toda la masa del átomo está en el núcleo, aunque el núcleo ocupe una parte diminuta de su volumen.
El número atómico, Z
El número atómico, $Z$, es el número de protones del núcleo. Es la huella digital del elemento: todos los átomos de carbono tienen 6 protones, y un átomo con 7 protones ya no es carbono, es nitrógeno. La tabla periódica ordena los elementos por su $Z$.
Un átomo neutro tiene tantos electrones como protones, porque las cargas positivas y negativas se cancelan:
$$\text{electrones de un átomo neutro} = Z$$
El número másico, A
El número másico, $A$, cuenta todas las partículas del núcleo, protones y neutrones:
$$A = Z + N \qquad\Longrightarrow\qquad N = A - Z$$
donde $N$ es el número de neutrones. Los electrones no cuentan en $A$, porque no están en el núcleo. Un átomo se escribe con $A$ arriba y $Z$ abajo, a la izquierda del símbolo: $^{23}_{11}\mathrm{Na}$ es un átomo de sodio con 11 protones y 23 partículas en el núcleo. Como el símbolo ya dice cuál es el elemento, muchas veces se escribe solo $^{23}\mathrm{Na}$, o «sodio-23».
Cuidado: $A$ es un número entero, porque cuenta partículas. No es lo mismo que la masa atómica que trae la tabla periódica; de esa diferencia trata la próxima lección.
Los iones: cambian los electrones
En las reacciones químicas, los átomos pueden perder o ganar electrones. Los protones no cambian: están en el núcleo, y cambiar el número de protones sería convertir el átomo en otro elemento. Cuando un átomo pierde o gana electrones queda con carga, y se llama ion.
- Si pierde electrones, quedan más protones que electrones y la carga es positiva. Es un catión. El $\mathrm{Na^{+}}$ es un átomo de sodio que perdió un electrón.
- Si gana electrones, quedan más electrones que protones y la carga es negativa. Es un anión. El $\mathrm{Cl^{-}}$ es un átomo de cloro que ganó un electrón.
La carga del ion es la diferencia entre protones y electrones:
$$\text{carga} = Z - \text{electrones} \qquad\Longrightarrow\qquad \text{electrones} = Z - \text{carga}$$
Con esta fórmula, un catión con carga $+2$ tiene $Z - 2$ electrones, y un anión con carga $-2$ tiene $Z - (-2) = Z + 2$. Un error frecuente es pensar que un ion positivo «ganó protones»: no, perdió electrones.
Los isótopos: cambian los neutrones
No todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de neutrones. Hay átomos de carbono con 6 neutrones, con 7 y con 8. Los tres tienen 6 protones, así que los tres son carbono. Átomos del mismo elemento con distinto número de neutrones se llaman isótopos:
- tienen el mismo $Z$ (son el mismo elemento);
- tienen distinto $A$ (porque tienen distinto número de neutrones).
Como las propiedades químicas dependen sobre todo de los electrones, y los isótopos neutros tienen los mismos electrones, los isótopos de un elemento se comportan químicamente casi igual. Lo que cambia es la masa del átomo.
Para no confundirte, piensa en qué cambia en cada caso:
| Cambia | No cambia | |
|---|---|---|
| Ion | electrones (y la carga) | protones, neutrones, elemento |
| Isótopo | neutrones (y $A$) | protones, elemento |
Ejemplo resuelto
Las partículas de un átomo neutro
Un átomo neutro de sodio tiene Z = 11 y A = 23. ¿Cuántos protones, electrones y neutrones tiene?
Ver la solución paso a paso
Los protones son el número atómico. En la tabla periódica, el sodio tiene Z = 11: tiene 11 protones.
$$Z(\mathrm{Na}) = 11$$
El átomo es neutro, así que tiene tantos electrones como protones: 11 electrones.
Los neutrones son el número másico menos el atómico:
$$23 - 11$$
$$12$$
Comprobamos: protones más neutrones da el número másico.
$$11 + 12 = 23$$
Respuesta: El ²³Na neutro tiene 11 protones, 11 electrones y 12 neutrones.
Ejemplo resuelto
Los electrones de un catión y de un anión
El magnesio tiene Z = 12 y el cloro tiene Z = 17. ¿Cuántos electrones tienen el ion Mg²⁺ y el ion Cl⁻?
Ver la solución paso a paso
Los datos son los de la tabla periódica:
$$Z(\mathrm{Mg}) = 12$$
$$Z(\mathrm{Cl}) = 17$$
El Mg²⁺ tiene carga +2: perdió dos electrones. Sus protones siguen siendo 12.
$$12 - 2$$
El Mg²⁺ tiene 10 electrones.
$$10$$
El Cl⁻ tiene carga −1: ganó un electrón. Electrones = Z − carga:
$$17 - \left(-1\right)$$
El Cl⁻ tiene 18 electrones.
$$18$$
Respuesta: El Mg²⁺ tiene 10 electrones y el Cl⁻ tiene 18. Los dos conservan sus protones: 12 y 17.
Toca cada botón y cuenta. El sodio neutro de A = 23 tiene 11 protones, 12 neutrones y 11 electrones. El Mg²⁺ perdió dos electrones y le quedan 10; el Cl⁻ ganó uno y tiene 18. Los protones no cambian: son los que hacen al elemento.
Ejemplo resuelto
Tres isótopos del carbono
El carbono tiene Z = 6. ¿Cuántos neutrones tienen el ¹²C, el ¹³C y el ¹⁴C?
Ver la solución paso a paso
Para el carbono-12, N = A − Z:
$$12 - 6$$
$$6$$
Para el carbono-13:
$$13 - 6$$
$$7$$
Para el carbono-14:
$$14 - 6$$
$$8$$
Los tres tienen 6 protones, el Z del carbono en la tabla periódica, por eso son el mismo elemento. Solo cambia el número de neutrones, y con él el número másico.
$$Z(\mathrm{C}) = 6$$
Respuesta: El ¹²C tiene 6 neutrones, el ¹³C tiene 7 y el ¹⁴C tiene 8: son isótopos del carbono.
Ejemplo resuelto
Del ion al elemento
Un anión con carga 2− tiene 18 electrones. ¿Cuántos protones tiene?
Ver la solución paso a paso
Llamamos $x$ al número de protones. Un anión de carga 2− tiene dos electrones más que protones:
$$x + 2 = 18$$
Despejamos:
$$x = 16$$
Tiene 16 protones, así que Z = 16: en la tabla periódica es el azufre. El ion es S²⁻; el número de protones basta para saber el elemento.
$$Z(\mathrm{S}) = 16$$
Respuesta: $x = 16$
Práctica
Un átomo de aluminio tiene Z = 13 y A = 27. ¿Cuántos neutrones tiene?
N = A − Z = 27 − 13 = 14 neutrones.
El calcio tiene Z = 20. ¿Cuántos electrones tiene el ion Ca²⁺?
El Ca²⁺ perdió dos electrones: 20 − 2 = 18. Sigue teniendo 20 protones.
El oxígeno tiene Z = 8. ¿Cuántos electrones tiene el ion O²⁻?
El O²⁻ ganó dos electrones: 8 + 2 = 10.
El hierro tiene Z = 26. ¿Cuántos protones tiene el ion ⁵⁶Fe³⁺?
Un ion cambia sus electrones, no sus protones: sigue teniendo 26. El 23 son sus electrones (26 − 3) y el 30 son sus neutrones (56 − 26).
Un átomo tiene 15 protones y 16 neutrones. ¿Cuál es su número másico?
A = Z + N = 15 + 16 = 31. Los electrones no cuentan, porque no están en el núcleo.
Un ion de flúor (Z = 9) tiene 10 electrones. ¿Cuál es su carga? Escribe el número con su signo.
Carga = protones − electrones = 9 − 10 = −1. Es el anión F⁻.
¿Verdadero o falso? El cloro tiene Z = 17, y el ³⁷Cl tiene dos neutrones más que el ³⁵Cl.
El ³⁷Cl tiene 37 − 17 = 20 neutrones y el ³⁵Cl tiene 35 − 17 = 18. Son isótopos: mismo Z, distinto A.
¿Verdadero o falso? El potasio tiene Z = 19, y un átomo neutro de ³⁹K tiene 39 electrones.
Un átomo neutro tiene tantos electrones como protones: 19. El 39 es el número másico, que cuenta protones y neutrones.
Arma cada átomo con protones, neutrones y electrones y toca «Comprobar»: primero un ²⁷Al neutro, después el ion O²⁻ y al final el ion Ca²⁺. Empieza por los protones: el número atómico dice cuántos van.
Marca todas las parejas que son isótopos de un mismo elemento.
Marca todas las que apliquen.
¹²C y ¹⁴C, y ³⁵Cl y ³⁷Cl, son del mismo elemento (igual Z) y tienen distinto A. ¹⁴C y ¹⁴N tienen el mismo A pero son elementos distintos. ²³Na y ²³Na⁺ tienen el mismo núcleo: el segundo es un ion, no un isótopo.
Un átomo neutro se convierte en un catión. ¿Qué le pasó?
Al perder electrones quedan más cargas positivas que negativas. Los protones no cambian; si cambiaran, sería otro elemento.
Reto
Abre el candado del átomo.
Cada respuesta es una cifra del código. Neutrones = A − Z, y electrones = Z − carga.
Reto
Completa las partículas del ion aluminio.
El aluminio tiene Z = 13. Piensa qué cambia en un ion y qué no.
Reto
Encuentra las palabras del átomo.
Busca las seis palabras en la sopa de letras. No llevan tildes.
Cierre
En resumen
El átomo tiene un núcleo con protones (+1) y neutrones (sin carga), y electrones (−1) alrededor.
Z es el número de protones e identifica al elemento; un átomo neutro tiene Z electrones.
A es el número de protones más neutrones; los neutrones se calculan con N = A − Z.
Un ion gana o pierde electrones, no protones: el catión perdió electrones y el anión los ganó.
Los isótopos son átomos del mismo elemento (igual Z) con distinto número de neutrones (distinto A).
Vocabulario
- Protón
Partícula del núcleo con carga eléctrica positiva (+1).
- Neutrón
Partícula del núcleo sin carga eléctrica, con una masa parecida a la del protón.
- Electrón
Partícula con carga negativa (−1) que se mueve alrededor del núcleo; su masa es mucho menor que la del protón.
- Número atómico (Z)
Número de protones del núcleo. Identifica al elemento: todos los átomos de un elemento tienen el mismo Z.
- Número másico (A)
Número total de protones y neutrones del núcleo.
- Ion
Átomo o grupo de átomos con carga eléctrica porque ganó o perdió electrones. Si es positivo se llama catión; si es negativo, anión.
- Isótopos
Átomos del mismo elemento (igual Z) con distinto número de neutrones, y por eso con distinto A.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Pregunte qué hace que un átomo de oxígeno sea distinto de uno de hierro, y anote las ideas en el tablero sin corregirlas todavía.
- Explicación · 20 min — Las tres partículas, Z y A, iones e isótopos; los cuatro ejemplos en el tablero, con la tabla de qué cambia y qué no.
- Práctica · 20 min — Preguntas y retos en parejas; el candado se puede resolver en grupo proyectado.
- Cierre · 5 min — Que cada estudiante escriba un ion y un isótopo de un mismo elemento, con sus protones, neutrones y electrones.
Preguntas para el salón
- Si a un átomo de carbono le agregamos un protón, ¿sigue siendo carbono? ¿Y si le agregamos un neutrón?
- ¿Por qué los electrones no cuentan en el número másico?
- ¿Un ion Na⁺ y un átomo de neón pueden tener el mismo número de electrones? ¿Son el mismo elemento?
Errores típicos
- Creer que un catión ganó protones. Insista en que los protones están en el núcleo y definen el elemento; pida que escriban protones y electrones antes y después.
- Sumar la carga al revés en un anión (Z − 2 para O²⁻). Pida que usen electrones = Z − carga y que comprueben que la carga del resultado es la del ion.
- Confundir isótopos con iones. Use la tabla de qué cambia en cada caso: el ion cambia electrones, el isótopo cambia neutrones.
Tarea sugerida
Para el ²⁴Mg, el ²⁶Mg y el ²⁴Mg²⁺ (Z = 12), hacer una tabla con protones, neutrones y electrones, y explicar cuáles son isótopos y cuál es un ion.