El modelo cuántico y las partículas subatómicas
En las fiestas patronales, cada color de los cohetes y la pólvora sale de átomos cuyos electrones cambian de nivel de energía. Pero ¿dónde están esos electrones? Si pudieras fotografiar un electrón mientras se mueve alrededor del núcleo, nunca saldría dos veces en el mismo sitio. No es que la cámara sea mala: un electrón no sigue una órbita como un planeta, aunque el modelo de Bohr lo dibujara así. El modelo cuántico cambia la idea de «órbita» por otra más extraña y mucho más exacta, y te da el lenguaje de niveles de energía que necesitas para saber cómo se distribuyen los electrones de un átomo, entender los isótopos y los iones, y hasta por qué algunos núcleos son radiactivos.
Del «peldaño» de Bohr a la «nube» cuántica
Al medir con gran precisión los espectros de átomos con varios electrones, los científicos vieron detalles que las órbitas circulares de Bohr no explicaban. Entonces, ¿cómo se distribuyen los electrones alrededor del núcleo si no siguen trayectorias fijas?
Las partículas subatómicas
Un protón o un neutrón pesa unas 2000 veces más que un electrón. Por eso casi toda la masa del átomo está en el núcleo, aunque este ocupe una parte diminuta del volumen. Las cargas eléctricas opuestas (protones y electrones) se atraen y mantienen unido al átomo.
Indica la carga eléctrica (positiva, negativa o nula) y la ubicación en el átomo (núcleo o corteza) del protón, del neutrón y del electrón. ¿Cuáles de las tres…
Indica la carga eléctrica (positiva, negativa o nula) y la ubicación en el átomo (núcleo o corteza) del protón, del neutrón y del electrón. ¿Cuáles de las tres partículas tienen casi la misma masa? ¿Cuál es unas $2000$ veces más liviana que las otras dos?
Número atómico, número de masa e isótopos
Representación simbólica del elemento
En la tabla periódica cada elemento tiene un símbolo, su número atómico $Z$ y su masa atómica. Para un isótopo concreto se escribe ${}^{A}_{Z}\text{X}$. Por ejemplo, el carbono-12 es ${}^{12}_{6}\text{C}$: 6 protones, 6 electrones (si es neutro) y $12 - 6 = 6$ neutrones.
Las centrales nucleares usan como combustible uranio-235, mientras que el uranio más abundante en la naturaleza es el uranio-238; ambos tienen número atómico $Z = 92$.…
Las centrales nucleares usan como combustible uranio-235, mientras que el uranio más abundante en la naturaleza es el uranio-238; ambos tienen número atómico $Z = 92$. La figura representa los dos núcleos.
- a) Explica qué son los isótopos de un elemento.
- b) Calcula cuántos neutrones tiene en el núcleo cada uno de estos dos isótopos del uranio.
El yodo es un oligoelemento esencial que se añade a la sal de mesa; su isótopo más común tiene $Z = 53$ y $A = 127$. a) Calcula los protones, neutrones y electrones de…
El yodo es un oligoelemento esencial que se añade a la sal de mesa; su isótopo más común tiene $Z = 53$ y $A = 127$.
- a) Calcula los protones, neutrones y electrones de un átomo neutro de yodo.
- b) Escribe su símbolo con la notación ${}^{A}_{Z}\text{X}$.
Masa media con varios isótopos
Cuando un elemento tiene varios isótopos, la masa atómica que figura en la tabla periódica es la media ponderada de todos ellos. Cuanto más abundante es un isótopo, más «pesa» en el resultado: por eso la media queda siempre más cerca del isótopo más abundante.
Iones
Si disuelves sal fina en agua, la solución conduce la electricidad, algo que no hace el agua pura ni el azúcar disuelta. ¿Qué partículas con carga aparecen al romperse los cristales neutros de sal?
Calcula los protones, neutrones y electrones de cada una de estas especies y responde después: a) ${}^{40}{20}\text{Ca}^{2+}$ b) ${}^{37}{17}\text{Cl}^{-}$ c)…
Calcula los protones, neutrones y electrones de cada una de estas especies y responde después:
- a) ${}^{40}_{20}\text{Ca}^{2+}$
- b) ${}^{37}_{17}\text{Cl}^{-}$
- c) ${}^{35}_{17}\text{Cl}$
- d) ¿Cuáles de ellas son isótopos entre sí? ¿Por qué?
- e) ¿Cuáles tienen el mismo número de electrones?
Distribución de los electrones por niveles
El helio ($Z=2$), el neón ($Z=10$) y el argón ($Z=18$) casi no reaccionan con nada, mientras que el litio ($Z=3$) y el sodio ($Z=11$) reaccionan de inmediato con el agua. ¿Por qué átomos con distinto número de electrones repiten propiedades?
Los electrones ocupan primero los niveles de menor energía, los más cercanos al núcleo. Para los elementos hasta $Z = 20$ se usan estos límites: K admite 2 electrones, L admite 8 y M se llena con 8 antes de que empiece el N. El nivel N admite más electrones en general, pero hasta $Z = 20$ solo recibe 1 o 2. Se escribe cuántos electrones hay en cada nivel, separados por guiones: el argón ($Z = 18$) es 2-8-8, que son $2 + 8 + 8 = 18$ electrones. Un nivel se completa antes de empezar el siguiente.
¿Por qué ese orden? Todo sistema tiende al estado de menor energía, que es el más estable: los electrones ocupan primero los niveles más cercanos al núcleo y más atraídos por él.
El esmalte de los dientes contiene calcio y muchas pastas dentales llevan flúor. a) El átomo de calcio ($Z = 20$) forma el ion $\text{Ca}^{2+}$: ¿cuántos electrones…
El esmalte de los dientes contiene calcio y muchas pastas dentales llevan flúor.
- a) El átomo de calcio ($Z = 20$) forma el ion $\text{Ca}^{2+}$: ¿cuántos electrones tiene ese ion?
- b) El átomo de flúor ($Z = 9$) forma el ion $\text{F}^{-}$: ¿cuántos electrones tiene ese ion?
- c) Explica, pensando en sus configuraciones electrónicas, por qué los átomos tienden a ganar o perder electrones hasta quedarse con el último nivel completo.
Radiactividad
En un hospital de Managua, un equipo de radioterapia usa cobalto-60 para destruir las células de un tumor. ¿Qué tiene ese átomo de especial para emitir radiación?
Las emisiones son de tres clases. Las alfa (núcleos de helio) las frena una hoja de papel. Las beta (electrones muy rápidos) las frena una lámina de aluminio. La gamma es radiación muy penetrante y hace falta plomo o concreto para frenarla.
Los núcleos inestables se desintegran al azar, pero en un tiempo característico, la vida media (o periodo de semidesintegración), se desintegra la mitad de los que había:
En el interactivo, la «semivida» que ves es la vida media: el tiempo en que la mitad de los núcleos se desintegra.
La radiactividad sirve en radioterapia, para esterilizar material médico y para estudiar el interior del cuerpo. Pero la radiación daña las células: por eso se trabaja con poco tiempo de exposición, distancia y blindaje.
En radioterapia contra el cáncer se utiliza cobalto-60, una fuente radiactiva con $Z = 27$. a) Escribe el símbolo del cobalto-60 con la notación ${}^{A}{Z}\text{X}$. b)…
En radioterapia contra el cáncer se utiliza cobalto-60, una fuente radiactiva con $Z = 27$.
- a) Escribe el símbolo del cobalto-60 con la notación ${}^{A}_{Z}\text{X}$.
- b) Calcula sus protones, neutrones y electrones, suponiendo el átomo neutro.
- c) ¿Qué diferencia hay entre el cobalto-60 y el cobalto-59, el isótopo estable del mismo elemento?
Vuelve al principio: si superpusieras miles de esas fotos instantáneas del electrón, no verías una órbita cerrada, sino una nube tridimensional más densa donde es más probable encontrarlo. Y los colores de los cohetes de las fiestas patronales aparecen cuando los electrones de los átomos pasan de un nivel de energía a otro.