Química escolar — Años 1 a 12 · Grades 1–12
16El interior del átomo
En 1909, en un laboratorio de Mánchester, se lanzó un haz de partículas diminutas y rápidas contra una lámina de pan de oro de unos pocos cientos de átomos de espesor. Casi todas la atravesaron en línea recta, como si el oro estuviera vacío. Pero más o menos una de cada varios miles rebotó. “Era como si disparases un proyectil de quince pulgadas contra un trozo de papel de seda y volviera y te diera”, dijo Ernest Rutherford, cuyos alumnos habían hecho el experimento. El átomo, el trozo indivisible de materia, tenía una estructura, y estaba casi completamente vacío.
Lo que ya sabes
Toda la materia está hecha de átomos, de un centenar de clases distintas, cada una con un símbolo como , , , . Los átomos se unen en moléculas, descritas por fórmulas como (Capítulo 11).
16.1 Núcleo y electrones
Definición 16.1 (Núcleo y electrón)
Todo átomo tiene un centro diminuto y pesado, el núcleo, que lleva una carga eléctrica positiva. A su alrededor se mueven unas partículas mucho más ligeras, los electrones, cada uno con la misma carga negativa, .
Proposición 16.2 (Un átomo es neutro)
Un átomo en su conjunto no tiene carga eléctrica: la carga positiva de su núcleo está exactamente compensada por las cargas negativas de sus electrones. La carga es diminuta: (el culombio, unidad de carga, pertenece al libro de física).
16.2 Protones y neutrones
Definición 16.3 (Protón, neutrón, nucleón)
El núcleo está formado por dos clases de partículas: los protones, cada uno con la carga , y los neutrones, que no tienen carga. Los protones y los neutrones, que tienen casi la misma masa, se llaman en conjunto nucleones.
Definición 16.4 (Número atómico y número másico)
El número de protones de un núcleo es el número atómico, que se escribe . El número de nucleones (protones y neutrones juntos) es el número másico, que se escribe . El número de neutrones es .
Notación 16.5 (El símbolo del núclido)
Un átomo con un núcleo dado se escribe con su símbolo, el número másico arriba a la izquierda y el número atómico abajo a la izquierda: . Por ejemplo, tiene 6 protones y neutrones; tiene 26 protones y 30 neutrones.
Método 16.6 (Leer el símbolo de un núclido)
Para :
- protones: ;
- neutrones: ;
- electrones del átomo neutro: , los mismos que protones.
Para : 11 protones, 12 neutrones, 11 electrones.
16.3 El elemento químico y sus isótopos
Definición 16.7 (Elemento químico)
Un elemento químico es el conjunto de todos los átomos, y de todos los átomos con carga que se forman a partir de ellos, que tienen el mismo número atómico . Cada elemento tiene un nombre y un símbolo: todo átomo con 6 protones es un átomo de carbono, ; todo átomo con 8 protones es un átomo de oxígeno, .
Definición 16.8 (Isótopos)
Los átomos de un mismo elemento que tienen distinto número de neutrones, y por tanto distinto número másico, son isótopos de ese elemento. Tienen el mismo y distinto .
Ejemplo 16.9 (Isótopos del carbono y del hidrógeno)
El carbono natural tiene alrededor de un de carbono 12, , y un de carbono 13, , con una traza de carbono 14, , cuya lenta transformación en otro núcleo sirve para datar maderas y huesos antiguos (la radiactividad pertenece al libro de física). El hidrógeno tiene tres isótopos: , sin ningún neutrón, con mucho el más abundante; el deuterio , unos pocos átomos de cada cien mil; y el tritio .
Proposición 16.10 (Los isótopos se comportan igual en química)
La química de un átomo depende de sus electrones, y los isótopos de un elemento tienen el mismo número de electrones. Por tanto, los isótopos reaccionan de la misma manera: el agua hecha con deuterio tiene casi exactamente el mismo aspecto y el mismo comportamiento que el agua ordinaria.
16.4 Tamaños y masas
Proposición 16.11 (El núcleo es diminuto y contiene casi toda la masa)
Un átomo mide alrededor de de diámetro; su núcleo, entre y : entre diez mil y cien mil veces menos. Las masas de las partículas son
Un protón es unas 1836 veces más pesado que un electrón, así que más del de la masa de un átomo está en su núcleo.
Ejemplo 16.12 (Una canica en un estadio)
Si el núcleo de un átomo fuera una canica de de diámetro, el átomo mediría alrededor de : una canica en el centro de un estadio enorme, con unas motas de polvo (los electrones) girando alrededor de las gradas. La materia es, sobre todo, espacio vacío.
Método 16.13 (La masa de un átomo)
Como los protones y los neutrones tienen casi la misma masa y los electrones son muy ligeros, la masa de un átomo se acerca a , donde es su número másico. Un átomo de carbono 12: .
16.5 Breve historia del modelo atómico
Historia — De lo indivisible al núcleo, 1897–1932
En 1897, J. J. Thomson descubrió el electrón, una partícula mucho más ligera que cualquier átomo: después de todo, los átomos sí se podían dividir. Imaginó el átomo como una bola de materia positiva salpicada de electrones. En 1909–1911, el experimento de la lámina de oro del equipo de Rutherford mostró que la carga positiva y casi toda la masa se encuentran en un núcleo diminuto. En 1913, Niels Bohr propuso que los electrones ocupan niveles de energía fijos a su alrededor, y en 1932 James Chadwick descubrió el neutrón.

16.6 Ejercicios
Ejercicio 16.1 ★
Nombra las partículas del núcleo y las partículas que lo rodean, con el signo de su carga.
Solución
Solución de Ejercicio 16.1.
En el núcleo: protones (positivos) y neutrones (sin carga). A su alrededor: electrones (negativos).
Ejercicio 16.2 ★
Da el número de protones, neutrones y electrones de , y .
Solución
Solución de Ejercicio 16.2.
: 8 protones, 8 neutrones, 8 electrones. : 13, 14, 13. : 20, 20, 20.
Ejercicio 16.3 ★
¿Por qué un átomo es eléctricamente neutro?
Solución
Solución de Ejercicio 16.3.
Tiene tantos electrones (de carga cada uno) como protones (de carga cada uno): las cargas se anulan.
Ejercicio 16.4 ★
Un átomo tiene 26 protones y 30 neutrones. Escribe el símbolo de su núclido (el elemento es el hierro, ).
Solución
Solución de Ejercicio 16.4.
: .
Ejercicio 16.5 ★★
¿Son y el mismo elemento? ¿Son isótopos? Explícalo.
Solución
Solución de Ejercicio 16.5.
Sí: los dos tienen , así que los dos son cloro. Tienen distinto número másico (18 y 20 neutrones): son isótopos.
Ejercicio 16.6 ★★
¿Son isótopos y ? Explícalo.
Solución
Solución de Ejercicio 16.6.
No: tienen distinto número atómico (6 y 7), así que son elementos distintos, el carbono y el nitrógeno. Los isótopos tienen el mismo .
Ejercicio 16.7 ★★
Calcula, en notación científica, la masa aproximada de un átomo de .
Solución
Solución de Ejercicio 16.7.
.
Ejercicio 16.8 ★★
En el experimento de la lámina de oro, ¿por qué la mayoría de las partículas atraviesan el oro en línea recta?
Ejercicio 16.9 ★★
¿Cuántas veces más pequeño que un átomo () es un núcleo de ? Escribe la respuesta como una potencia de diez.
Solución
Solución de Ejercicio 16.9.
: cien mil veces más pequeño.
Ejercicio 16.10 ★★
¿Por qué los isótopos de un elemento tienen la misma química?
Solución
Solución de Ejercicio 16.10.
La química depende de los electrones, y los isótopos de un elemento tienen el mismo número de electrones (el mismo ).
Ejercicio 16.11 ★★★
Un átomo de hierro tiene 26 electrones. Calcula su masa total y, después, la fracción de la masa de un átomo de que representan (usa la masa hallada en el ejercicio 7).
Solución
Solución de Ejercicio 16.11.
. Fracción: , alrededor del de la masa.
Ejercicio 16.12 ★★★
El cobre natural tiene un de cobre 63 y un de cobre 65. De cada 10 000 átomos de cobre, ¿cuántos son de cada isótopo? ¿Cuál es el número medio de nucleones por átomo de cobre?
16.7 Problema: Pesar el cloro
Problema 16.1
Problema de fin de semana — dos isótopos del cloro, la masa de cada átomo y la masa media de un átomo de cloro
El cloro natural es una mezcla de dos isótopos, el cloro 35 y el cloro 37: de cada 1000 átomos de cloro, unos 758 son de cloro 35 y 242 de cloro 37. Toma como masa de un nucleón y como masa de un electrón . El número atómico del cloro es 17.
Parte I — Dos núcleos.
- Escribe los símbolos de los núclidos de los dos isótopos.
- Da el número de protones, neutrones y electrones de cada uno.
- ¿Por qué los dos se llaman cloro? ¿Por qué son isótopos?
- ¿Reaccionará con el sodio una muestra de cloro 37 igual que una muestra de cloro 35? Explícalo.
Parte II — La masa de cada átomo.
- Calcula la masa del núcleo de un átomo de cloro 35.
- Calcula la masa de los 17 electrones, y comprueba que se puede despreciar al lado del núcleo.
- Calcula la masa de un átomo de cloro 37.
- ¿Cuántos átomos de cloro 35 pesarían ? Da la respuesta en notación científica.
Parte III — El átomo medio.
- ¿Qué porcentaje de los átomos de cloro son de cloro 35? ¿Y de cloro 37?
- En 1000 átomos de cloro natural, calcula la masa total de los átomos de cloro 35 y la de los átomos de cloro 37.
- Calcula la masa de esos 1000 átomos.
- Deduce la masa media de un átomo de cloro.
Solución
Solución de Problema 16.1.
1. y .
2. Cloro 35: 17 protones, 18 neutrones, 17 electrones. Cloro 37: 17 protones, 20 neutrones, 17 electrones.
3. Los dos tienen 17 protones, así que los dos son el elemento cloro; solo se diferencian en el número de neutrones, así que son isótopos.
4. Sí: la química depende de los electrones, y los dos tienen 17.
5. .
6. : unas 4000 veces menos que el núcleo, despreciable.
7. .
8. ; átomos.
9. y .
10. ; .
11. .
12. : la masa media de un átomo de cloro.