Fundamentos de Química: Composición del Átomo, Partículas Subatómicas y Conceptos Clave (Z, A, Iones)
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El Átomo: Estructura y Composición
El átomo es la partícula fundamental a partir de la cual se construye la materia. Toda la materia está formada por átomos, que varían según el cuerpo del que se trate. Aunque históricamente se consideró indivisible, el átomo contiene varias partes y partículas en su interior.
Varios modelos atómicos han intentado explicar su estructura (como los de Thomson y Rutherford). A continuación, exploraremos el modelo más utilizado para la enseñanza introductoria: el modelo de Bohr.
El Núcleo Atómico
El núcleo es la región central del átomo donde se concentra prácticamente toda su masa. Su tamaño es aproximadamente 10,000 veces menor que el tamaño total del átomo, lo que implica que la mayor parte del átomo es espacio vacío.
En el núcleo encontramos dos tipos de partículas fundamentales:
- Protones (p⁺): Partículas con carga eléctrica positiva (+1). Su masa es de aproximadamente 1 unidad de masa atómica (u).
- Neutrones (n⁰): Partículas sin carga eléctrica (0). Su masa es similar a la del protón (aproximadamente 1 u).
La Corteza (Nube Electrónica)
La corteza es la región exterior del átomo donde se encuentran los electrones (e⁻). Estas partículas giran en órbitas circulares (según el modelo de Bohr) alrededor del núcleo. Las órbitas posibles se designan mediante números enteros (n = 1, 2, 3, ...).
Características del electrón:
- Masa: Se considera despreciable (aproximadamente 0 u).
- Carga Eléctrica: Negativa (-1).
Distribución de Electrones y Configuración Electrónica
Según el modelo de Bohr, los electrones se distribuyen en niveles de energía (E) siguiendo reglas específicas:
- Nivel n=1: Máximo 2 electrones (2e⁻)
- Nivel n=2: Máximo 8 electrones (8e⁻)
- Nivel n=3: Máximo 18 electrones (18e⁻)
- Nivel n=4: Máximo 32 electrones (32e⁻)
Esta distribución de electrones en los niveles de energía se denomina Configuración Electrónica.
El último nivel ocupado se conoce como Capa de Valencia, y los electrones presentes en ese nivel son los Electrones de Valencia. Estos electrones son cruciales, ya que son los responsables directos de las propiedades químicas de las sustancias.
Iones: Cationes y Aniones
Un átomo se considera neutro cuando el número de protones es igual al número de electrones, resultando en una carga eléctrica neta de cero.
Los iones son átomos o moléculas que han adquirido una carga eléctrica neta debido a la ganancia o pérdida de electrones:
- Catión: Si un átomo neutro pierde uno o más electrones, adquiere una carga positiva y se transforma en un catión.
- Anión: Si, por el contrario, gana uno o más electrones, adquiere una carga negativa y se convierte en un anión.
Número Atómico (Z) y Número Másico (A)
Estos números definen la identidad y la masa de un átomo:
- Número Atómico (Z): Es el número de protones que contiene el núcleo de un átomo. Este número define el elemento químico. Dado que un átomo neutro es eléctricamente neutro, el número de electrones coincide con el número de protones (Z).
- Número Másico (A): Representa la masa total del átomo. Dado que la masa del electrón es casi cero, el número másico es la suma de las masas de protones y neutrones.
La relación se expresa mediante la siguiente fórmula:
$$A = Z + N$$
Donde A es el número másico, Z es el número atómico (protones) y N es el número de neutrones.
Isótopos
Un elemento químico está determinado de forma unívoca por su número atómico (Z). Sin embargo, un mismo elemento puede presentar diferentes números de neutrones.
Los isótopos son átomos de un mismo elemento químico que poseen el mismo número atómico (Z) pero diferentes números másicos (A), debido a que varían en el número de neutrones.
Por ejemplo, el hidrógeno tiene tres isótopos naturales: Protio, Deuterio y Tritio.
Masa Atómica Relativa y la Unidad de Masa Atómica (u)
Para expresar la masa de un átomo, las unidades convencionales como el kilogramo (kg) o el gramo (g) resultan ser demasiado grandes. Por ello, se utiliza una unidad específica.
La Unidad de Masa Atómica (u), anteriormente conocida como u.m.a., se define como la doceava parte (1/12) de la masa del átomo de carbono-12.