Conceptos Clave de Química: Átomos, Iones, Isótopos y Enlaces Químicos

Introducción a la Estructura Atómica

En la naturaleza se encuentran 92 clases de átomos, y el hombre ha fabricado alrededor de una docena más.

Componentes del Átomo

Un átomo neutro de Oxígeno (O) tiene 8 protones y 8 electrones.

Iones

Los iones son átomos que han ganado o perdido electrones, adquiriendo una carga eléctrica. Pueden ser:

• Anión: Átomo con exceso de carga negativa (ha ganado electrones). Son iones negativos.
• Catión: Átomo con exceso de carga positiva (ha perdido electrones). Son iones positivos.

Número Atómico y Número Másico

Los átomos se diferencian por la cantidad de protones, electrones y neutrones. Con estos valores se determina:

• Número Atómico (Z): Total de protones en el núcleo. Define el elemento químico.
• Número Másico (A): Suma de protones y neutrones en el núcleo.

Neutrón

El neutrón es una partícula subatómica sin carga eléctrica, ubicada en el núcleo. El número de neutrones en un átomo se calcula como la diferencia entre el número másico (A) y el número atómico (Z).

En un átomo neutro, la carga positiva total del núcleo (dada por los protones) es igual a la suma de las cargas negativas de los electrones que orbitan el núcleo.

Isótopos y Radiactividad

Isótopos

Isótopos: Átomos de un mismo elemento (igual Z) cuyo núcleo tiene una cantidad distinta de neutrones (distinto A).

Átomos Inestables y Radiactividad

Átomos inestables: Algunos isótopos son inestables y se desintegran espontáneamente con el tiempo, transformándose en átomos de otros elementos. Este proceso emite radiación y se conoce como radiactividad.

Radioisótopos: Isótopos con núcleo inestable donde la fuerza de repulsión supera a la de atracción. Estos núcleos se desintegran espontáneamente emitiendo partículas y/o radiación.

Carbono-14

El Carbono-14 es un isótopo radiactivo del carbono. Es un átomo inestable. Al cabo de 5730 años (su vida media), queda la mitad de la cantidad original; el resto se transforma en nitrógeno. Esto permite averiguar la edad de restos antiguos de seres vivos (datación por Carbono-14).

Vida Media

Vida media de un isótopo: Intervalo de tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos radiactivos originales de una muestra.

Fenómenos y Técnicas Nucleares

Fisión Nuclear

Fisión nuclear: Proceso en el que un núcleo atómico pesado se divide en dos o más núcleos más pequeños, liberando una gran cantidad de energía.

Partículas Radiactivas

• Partículas alfa (α): Están formadas por 2 protones y 2 neutrones (equivalente a un núcleo de helio). Tienen carga positiva (+2). Poseen masa y volumen apreciable, pero bajo poder de penetración; una hoja de papel las detiene.
• Partícula beta (β): Son electrones o positrones emitidos por el núcleo durante la desintegración de un neutrón o protón. Tienen carga negativa (-1) o positiva (+1). Abandonan el átomo a velocidades cercanas a la de la luz. Una lámina de aluminio puede detenerlas.
• Rayos gamma (γ): Son ondas electromagnéticas de alta energía. No tienen masa ni carga. Son muy penetrantes; solo grandes bloques de plomo o concreto pueden atenuarlas significativamente.

Técnicas Analíticas

• Acelerador Tándem: Dispositivo que acelera iones a altas energías, utilizado en diversas aplicaciones, incluyendo el análisis de materiales (como en obras de arte).
• Técnica PIXE (Emisión de Rayos X Inducida por Partículas): Técnica analítica que permite determinar la composición elemental de muestras, como cenizas volcánicas, mediante la detección de rayos X característicos emitidos tras la excitación por un haz de partículas.

Enlaces Químicos

Enlace Iónico

Enlace iónico: Se forma cuando un átomo transfiere uno o más electrones a otro átomo, creando iones con cargas opuestas que se atraen electrostáticamente. Típicamente ocurre entre metales y no metales.

Enlace Covalente

Enlace covalente: Se forma cuando dos átomos comparten uno o más pares de electrones. Ocurre generalmente entre no metales, formando moléculas.

Enlace Metálico

Enlace metálico: Se presenta en metales. Los átomos metálicos ceden sus electrones de valencia, que forman una 'nube' electrónica deslocalizada que rodea a los iones metálicos positivos. Esta nube de electrones es responsable de las propiedades características de los metales.

Propiedades de las Sustancias según su Tipo de Enlace

Sustancias Iónicas

Las sustancias iónicas suelen formar redes cristalinas sólidas. Son solubles en disolventes polares como el agua. Conducen la electricidad cuando están fundidas o disueltas en agua (no en estado sólido). Tienen altos puntos de fusión y ebullición.

Sustancias Covalentes

Las sustancias covalentes pueden ser gases, líquidos o sólidos con bajos puntos de fusión. Generalmente no conducen la electricidad (excepto algunas excepciones como el grafito). La solubilidad en agua varía: las sustancias covalentes polares suelen ser solubles, mientras que las no polares no lo son.

Sustancias Metálicas

Las sustancias metálicas: La mayoría son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio). Son excelentes conductores de calor y electricidad. Son maleables (se pueden laminar) y dúctiles (se pueden estirar en hilos). Tienen brillo metálico.