Estructura atómica

Los átomos son los componentes básicos de todo lo que nos rodea. Los hay de diferentes tipos, llamados elementos, pero cada átomo comparte ciertas características en común. Todos los átomos tienen un núcleo central denso llamado núcleo atómico. El núcleo está formado por dos tipos de partículas: los protones, que tienen carga eléctrica positiva, y los neutrones, que no tienen carga. Todos los átomos tienen al menos un protón en su núcleo, y el número de protones determina qué tipo de elemento es un átomo. Por ejemplo, un átomo de oxígeno tiene 8 protones. Si de alguna manera se pudiera cambiar el número de protones de este átomo a 7, aunque todo lo demás permaneciera igual, ya no sería un átomo de oxígeno, sino de nitrógeno. Por esta razón, enumeramos los diferentes elementos por su número de protones, o número atómico. La tabla periódica de los elementos es una tabla de todos los elementos que se han descubierto hasta ahora, ordenados por su número atómico.

Además de protones y neutrones, todos los átomos tienen electrones, partículas con carga negativa que se mueven en el espacio que rodea al núcleo nuclear con carga positiva. Los electrones suelen representarse en los dibujos como mucho más pequeños que los protones o los neutrones porque su masa es mucho menor. De hecho, la masa de los electrones es tan pequeña que no se cuenta en la masa de un átomo. Sin embargo, la fuerza de carga de un solo electrón es igual a la de un solo protón y, a pesar de su pequeña masa, los electrones son importantes para equilibrar la carga de un átomo. A menos que se indique lo contrario, los átomos siempre tienen el mismo número de electrones que de protones; por lo tanto, se puede encontrar el número de electrones mirando el número atómico. Pero, a diferencia de los protones, el número de electrones puede cambiar, y de hecho lo hace, sin que ello afecte al tipo de elemento que es un átomo

Ahora sabemos cómo encontrar el número de protones y el número de electrones de un átomo determinado, pero ¿qué pasa con los neutrones? ¿Cuántos neutrones tienen los átomos de un elemento determinado? NO es siempre el mismo que el número de protones y electrones. Por ejemplo, el hidrógeno tiene un protón y un electrón, pero no tiene ningún neutrón. Esto lo determinamos observando la masa atómica. Aunque un átomo es tan pequeño que se necesitaría casi un millón para ver incluso un pequeño punto en la pantalla del ordenador, cada pequeño átomo tiene definitivamente masa y ocupa espacio. Esta masa proviene del núcleo. Cada protón y neutrón tiene aproximadamente la misma cantidad de masa, medida en daltons, o unidades de masa atómica (amus). Como la unidad de medida está definida por un protón, 1 protón = 1 neutrón = 1 dalton = 1 amu. Los electrones tienen algo de masa, pero es casi 2000 veces menor que la masa de un protón. No hay suficientes electrones en ninguno de los átomos que conocemos para afectar a la masa total; por tanto, la masa total es igual a la suma de los protones y los neutrones de un átomo.

Como podemos encontrar el número de protones y la masa atómica de un átomo mirando la información de su elemento en la tabla periódica, podemos calcular el número de neutrones de ese átomo restando el número de protones de la masa atómica.

Cuando el número de neutrones es diferente para átomos individuales del mismo elemento, cada átomo se llama isótopo. Cuando se lee una tabla periódica, la masa atómica indicada es la masa atómica media de todos los isótopos de ese elemento que se encuentran en la naturaleza. Por ejemplo, el carbono tiene una masa atómica de 12,01 en la tabla periódica. El carbono no puede tener 6,01 neutrones porque no puede tener parte de un neutrón. El valor es superior a 6 porque, aunque la mayoría de los átomos de carbono tienen 6 neutrones, algunos átomos de carbono se encuentran con 7 neutrones y otros con 8 neutrones. Para nuestros propósitos, redondeamos la masa atómica al número entero más cercano para calcular el número de neutrones.

Estructura atómica

Este vídeo ilustra cómo los átomos y sus componentes funcionan juntos.

Electrones de valencia

Ahora que has tenido la oportunidad de trabajar con átomos en general, vamos a profundizar un poco más. Los electrones permanecen en un átomo debido a su atracción por la carga positiva de los protones, pero no están tan estrechamente asociados al átomo como los protones o los neutrones. Los electrones son partículas complicadas porque tienen mucho espacio que ocupar en un átomo y, sin embargo, también están ligados a una zona específica dentro de ese átomo. Aunque los dibujos con los que hemos estado trabajando muestran el núcleo como un objeto visible de tamaño medio en el centro de un átomo, en realidad es muy pequeño, y la mayor parte de un átomo es el espacio alrededor del núcleo en el que se mueven los electrones.

Debido a su carga negativa compartida, los electrones se repelen entre sí si se acercan demasiado. Al mismo tiempo, los electrones son atraídos por la carga positiva del núcleo. Los detalles de la energía y la posición de los electrones pueden llegar a ser realmente complicados, pero nos centraremos sólo en lo que necesitamos entender para estudiar las moléculas de la vida.

Los electrones están dispuestos en cáscaras de energía (también conocidas como cáscaras de electrones) alrededor del núcleo atómico. Aunque los electrones tienen mucho espacio, todos quieren estar más cerca de la carga nuclear positiva que los atrae. Al mismo tiempo, los electrones se repelen entre sí debido a su carga negativa, y sólo unos pocos pueden acercarse al núcleo en un momento dado. En la práctica, sólo caben dos electrones en el espacio tridimensional más cercano al núcleo. Este espacio se denomina primera capa de energía. Si hay tres electrones en un átomo, los dos primeros se encontrarán en la primera capa de energía. El tercer electrón tendrá que conformarse con la segunda capa energética, un espacio tridimensional un poco más alejado del núcleo, donde estará solo. En este ejemplo, el electrón solitario se llama electrón de valencia, y la cáscara de energía más externa que contiene cualquier electrón se llama cáscara de valencia.

La segunda cáscara de energía es lo suficientemente grande como para contener hasta ocho electrones, agrupados en pares dentro de cuatro orbitales de electrones, o espacios donde los electrones pasan la mayor parte de su tiempo. Esto significa que si sólo hay un electrón en la segunda capa de energía, queda mucho espacio extra.

Cuando una capa de energía está incompleta, los electrones de esa capa no son tan estables y es más probable que reaccionen. Por esta razón, los átomos tienden a reaccionar con otros átomos de manera que llenen o vacíen su capa de valencia para obtener la estabilidad de una capa de energía exterior completa. Los átomos pueden hacer esto ganando o perdiendo electrones para convertirse en iones o compartiendo electrones con otros átomos para formar asociaciones estables.

Usando el número de electrones y las cáscaras de energía, podemos determinar el número de electrones de valencia para cualquier átomo y su nivel esperado de reactividad. A medida que trabaje con el siguiente ejemplo, debe recordar que aunque dibujamos las capas de energía como círculos alrededor de un núcleo atómico, esto no pretende representar una ruta real de electrones. El estilo de círculos concéntricos para dibujar las capas de energía pretende representar la distancia media a la que los electrones de esa capa de energía orbitan alrededor del núcleo. En realidad, los electrones no se mueven en una órbita circular como se representa en el dibujo, sino que recorren caminos mucho más complicados alrededor de un núcleo atómico.