Un átomo está formado por un núcleo y una capa electrónica: en el diminuto núcleo viven los protones y los neutrones, mientras que los electrones se mueven a su alrededor. Con solo dos números de la tabla periódica puedes «construir» cualquier átomo: contar todas sus partículas y repartir los electrones en sus niveles. En esta página encontrarás un modelo visual del átomo, las fórmulas de Z y A, los isótopos, ejemplos resueltos y un quiz interactivo para practicar.
De qué está hecho un átomo
Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento químico que conserva sus propiedades. Es más sencillo de lo que parece: solo tiene dos «piezas»:
- El núcleo es el centro del átomo. En él viven dos tipos de partículas: los protones, positivos, y los neutrones, neutros. El núcleo es inimaginablemente pequeño —unas 100 000 veces menor que todo el átomo—, pero en él se concentra más del 99,9 % de la masa.
- La capa electrónica es el resto del espacio del átomo, donde los ligeros electrones, de carga negativa, se mueven alrededor del núcleo.
Si ampliaras un átomo hasta el tamaño de un estadio, el núcleo sería un guisante en el centro del campo: todo lo demás sería la capa electrónica, «casi vacía».
Protones, neutrones y electrones: las tres partículas del átomo
Todos los átomos del universo están formados por solo tres tipos de partículas; lo único que cambia es su cantidad. Lo más fácil es compararlas por tres rasgos: carga, masa y «lugar donde viven».
El protón y el neutrón tienen casi la misma masa: alrededor de 1 uma (unidad de masa atómica) cada uno. El electrón es unas 1836 veces más ligero, así que su masa se desprecia en los cálculos. En cambio, las cargas del protón y del electrón son iguales en magnitud y opuestas en signo: mientras el átomo tenga tantos protones como electrones, será eléctricamente neutro.
Fórmulas del átomo: Z, A y el número de neutrones
La composición de cualquier átomo se describe con dos números:
- Número atómico Z: la cantidad de protones en el núcleo. Es también la posición del elemento en la tabla periódica: el n.º 1 es el hidrógeno (1 protón), el n.º 8 es el oxígeno (8 protones), el n.º 79 es el oro (79 protones). Por eso, en el modelo planetario del átomo, el número de protones del núcleo es igual al número de electrones: el átomo es neutro y a cada protón le corresponde exactamente un electrón.
- Número másico A: el número total de partículas del núcleo: \(A = Z + N\), donde N es el número de neutrones. De ahí sale la fórmula principal para los ejercicios escolares: \(N = A - Z\).
La composición de un átomo se escribe así: \(^{A}_{Z}\text{X}\). Por ejemplo, \(^{35}_{17}\text{Cl}\) es el cloro, con 17 protones y 35 − 17 = 18 neutrones. La chuleta de abajo resume todo el método en tres líneas.
La capa electrónica: niveles de 2, 8, 18
Los electrones no vuelan alrededor del núcleo al azar: se sitúan en niveles de energía (capas). Cuanto más lejos está un nivel del núcleo, más electrones admite; el máximo se calcula con la fórmula \(2n^2\):
- Nivel 1: no más de 2 electrones;
- Nivel 2: no más de 8;
- Nivel 3: no más de 18;
- Nivel 4: no más de 32.
Los niveles se llenan en orden, del más cercano al más lejano. Por ejemplo, el oxígeno (Z = 8) tiene sus electrones distribuidos como 2, 6; el sodio (Z = 11), como 2, 8, 1; el cloro (Z = 17), como 2, 8, 7. A los electrones del nivel externo se les llama electrones de valencia: son los que participan en las reacciones químicas y determinan las propiedades del elemento.
La tabla periódica también indica el número de niveles: coincide con el número del periodo en el que está el elemento. En cursos más avanzados, los niveles se dividen además en subniveles s, p, d, f, y se escriben las configuraciones electrónicas; por ejemplo, la del oxígeno es 1s²2s²2p⁴.
Isótopos: un mismo elemento, átomos distintos
El número de protones de un elemento no se puede cambiar: si añades un protón al núcleo, obtienes un elemento distinto. Pero el número de neutrones sí puede variar. Los isótopos son átomos de un mismo elemento con igual Z pero distinto número de neutrones, y por tanto distinto número másico A.
El ejemplo clásico es el hidrógeno y sus tres isótopos: el protio \(^{1}_{1}\text{H}\) (sin neutrones), el deuterio \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 neutrón) y el tritio \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 neutrones). Químicamente, los isótopos son casi indistinguibles: en las reacciones el papel principal lo tienen los electrones, y los isótopos tienen exactamente el mismo número de ellos.
Precisamente por los isótopos, las masas atómicas de la tabla periódica son decimales: son el promedio ponderado de todos los isótopos naturales del elemento. El cloro, por ejemplo, tiene 35,45 porque el cloro natural es una mezcla de cloro-35 y cloro-37.
Modelos del átomo: de la «partícula indivisible» al modelo planetario
La palabra «átomo» viene del griego atomos, «indivisible»: así lo imaginó ya Demócrito, y a principios del siglo XIX John Dalton construyó sobre esa idea la primera teoría científica. Pero los descubrimientos del cambio de siglo XIX-XX demostraron que el átomo sí tiene estructura interna.
- 1897, modelo de Thomson (el «pudin de pasas»). J. J. Thomson descubrió el electrón y propuso que los electrones estaban incrustados en un «medio» de carga positiva, como las pasas en un pudin.
- 1911, modelo planetario de Rutherford. Bombardeando una lámina de oro con partículas alfa, Ernest Rutherford descubrió que casi toda la masa y toda la carga positiva estaban concentradas en un núcleo diminuto, mientras los electrones giraban a su alrededor como planetas alrededor del Sol.
- 1913, modelo de Bohr. Niels Bohr precisó que los electrones no se mueven por cualquier trayectoria, sino por órbitas estrictamente definidas y con energía fija; así surgieron los niveles de energía.
- Años 1920, modelo cuántico-mecánico. La física moderna describe el electrón no como una bolita en una órbita, sino como una nube electrónica: una región del espacio donde el electrón puede encontrarse con cierta probabilidad.
El modelo planetario con niveles (como el del esquema de arriba) es el que sigue usando la química escolar hoy en día: su precisión es más que suficiente para contar partículas y repartir electrones.
Ejemplos resueltos: analizamos un átomo con la tabla periódica
Ejemplo 1. Análisis completo de un átomo de cloro
Problema. Determina la composición de un átomo de cloro y reparte sus electrones en niveles. En la tabla periódica: el cloro Cl es el elemento n.º 17, con masa atómica 35,45.
Paso 1. Número atómico Z = 17 → el núcleo tiene 17 protones.
Paso 2. El átomo es neutro → hay el mismo número de electrones: 17 electrones.
Paso 3. El número másico es la masa atómica redondeada: A = 35. Neutrones: \(N = A - Z = 35 - 17 = 18\).
Paso 4. Repartimos los 17 electrones en niveles del más cercano al más lejano: 2, luego 8, quedan 7 → 2, 8, 7. En el nivel externo hay 7 electrones de valencia, que son los que determinan las propiedades químicas del cloro.
Respuesta: 17 p⁺, 18 n⁰, 17 e⁻; niveles electrónicos: 2, 8, 7.
Ejemplo 2. Cuántos neutrones tiene el uranio-235
Problema. ¿Cuántos neutrones hay en el núcleo del isótopo de uranio \(^{235}_{92}\text{U}\)?
Paso 1. Leemos la notación: el número inferior es el número atómico, Z = 92 (protones); el superior es el número másico, A = 235.
Paso 2. Calculamos: \(N = A - Z = 235 - 92 = 143\).
Respuesta: 143 neutrones. Fíjate en que el uranio natural también tiene el isótopo \(^{238}_{92}\text{U}\): los mismos 92 protones, pero 146 neutrones.
Ejemplo 3. Identificar el elemento a partir de sus electrones
Problema. Los electrones de un átomo se distribuyen en niveles así: 2, 8, 1. ¿Qué elemento es?
Paso 1. Contamos los electrones: 2 + 8 + 1 = 11.
Paso 2. En un átomo neutro hay tantos electrones como protones → Z = 11.
Paso 3. Consultamos la tabla periódica: el elemento n.º 11 es el sodio (Na).
Respuesta: sodio. De paso, se entiende por qué es tan reactivo: tiene un solo electrón en el nivel externo, y el sodio lo cede con facilidad.
Errores frecuentes en los ejercicios de estructura del átomo
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Confundir la masa atómica con el número másico: usar en la fórmula N = A − Z la masa decimal de la tabla (por ejemplo, 35,45 para el cloro).
El número másico A siempre es un número entero: es la cantidad de partículas (protones y neutrones) de un átomo concreto. Para los ejercicios, redondea la masa atómica de la tabla a un número entero: en el cloro, A = 35, así que N = 35 − 17 = 18.
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Pensar que el número atómico del elemento es el total de todas las partículas del átomo.
El número atómico Z es solo el número de protones (y de electrones en un átomo neutro). Los neutrones no forman parte de Z: se calculan aparte, con la fórmula N = A − Z.
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Colocar los electrones dentro del núcleo: «el átomo está formado por protones, neutrones y electrones, todos dentro del núcleo».
En el núcleo solo hay protones y neutrones. Los electrones se mueven alrededor del núcleo, en la capa electrónica, a distancias decenas de miles de veces mayores que el tamaño del propio núcleo.
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Contar los electrones de un ion según el número del elemento: decir que el Na⁺ tiene «11 electrones».
Z da el número de electrones solo en un átomo neutro. Un ion tiene carga: el Na⁺ ha perdido un electrón y le quedan 10; el Cl⁻ ha ganado uno y tiene 18. El número de protones no cambia.
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Rellenar los niveles a partes iguales o al azar: por ejemplo, escribir 8, 8, 1 para el cloro.
Los niveles se rellenan estrictamente de dentro hacia fuera: primero el nivel 1 (máximo 2 electrones), luego el nivel 2 (8) y después el nivel 3. Para el cloro, con sus 17 electrones, lo correcto es 2, 8, 7.
Preguntas y respuestas
¿De qué está hecho un átomo? En pocas palabras
Un átomo está formado por un núcleo y una capa electrónica. El núcleo está hecho de protones (carga +1) y neutrones (sin carga); la capa, de electrones (carga −1). El número de protones coincide con el número atómico del elemento en la tabla periódica.
¿Por qué se llama al átomo partícula indivisible si en realidad se divide?
El nombre viene del griego antiguo atomos, «que no se puede cortar»: hasta finales del siglo XIX se consideraba al átomo el «ladrillo» más simple de la materia. Después se descubrieron el electrón y el núcleo. Pero en las reacciones químicas el átomo, en efecto, no se divide: solo se reorganizan las capas electrónicas, así que para la química sigue siendo la partícula más pequeña de un elemento.
¿Es cierto que un átomo está formado por protones y neutrones?
Solo a medias: los protones y neutrones forman el núcleo. La composición completa del átomo es el núcleo (protones + neutrones) más los electrones, que se mueven alrededor del núcleo y forman la capa electrónica.
¿Por qué en el modelo planetario del átomo el número de protones del núcleo es igual al de electrones?
Porque el átomo en su conjunto es eléctricamente neutro: la carga positiva del núcleo (+Z, de los protones) debe compensarse por completo con la carga negativa de los electrones (−Z). Si el átomo pierde o gana un electrón, ese equilibrio se rompe y se obtiene una partícula cargada: un ion.
¿Cómo se calculan el número de protones, neutrones y electrones con la tabla periódica?
Los protones equivalen al número atómico del elemento, Z. Un átomo neutro tiene la misma cantidad de electrones. Para los neutrones, redondea la masa atómica a un número entero (es el número másico A) y réstale el número atómico: N = A − Z. Por ejemplo, el hierro, n.º 26 con masa 56, tiene 26 protones, 26 electrones y 56 − 26 = 30 neutrones.
¿Por qué la masa atómica de la tabla periódica es decimal?
Porque es un promedio de todos los isótopos naturales del elemento, ponderado según su abundancia. Cada átomo concreto tiene un número másico entero (35 o 37 en el caso del cloro), pero el promedio de la mezcla de isótopos da un valor decimal: 35,45.
