Conceptos Fundamentales de la Estructura Atómica: Número Atómico, Masa Atómica e Isótopos
De la misma forma que es posible identificar a una persona por su DNI, los átomos de los distintos elementos se identifican por dos números: el número atómico (Z) y el número másico (A).
Número Atómico y Número Másico
El Número Atómico (Z)
El número atómico (Z) es el número de protones que tiene un átomo en el núcleo.
- $Z = \text{Número de protones}$
Al ser el átomo eléctricamente neutro, el número de protones tiene que ser igual al de electrones. Por lo tanto, el número atómico también indica el número de electrones que tiene el átomo neutro.
El Número Másico (A)
El número másico (A) es la suma de protones ($Z$) y neutrones ($N$) del núcleo.
- $A = Z + N$
El número másico indica la masa del átomo. No se tiene en cuenta la masa de los electrones porque es insignificante respecto a la de los protones y los neutrones. Las partículas del núcleo (protones y neutrones) se denominan nucleones.
Masa Atómica
Los átomos son tan pequeños que no hay balanzas tan sensibles como para medir la masa de un solo átomo. Por ello, es posible determinar masas atómicas relativas, comparando la masa de un átomo respecto a la masa de otro.
La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) estableció el átomo de carbono como referencia y una unidad de masa atómica (u) como la duodécima parte de la masa del átomo de carbono, lo que establece una tabla de masas atómicas relativas.
Átomo de Referencia
El átomo tomado como referencia para la medida de la masa de los átomos es el carbono. Al átomo de carbono se le asigna el valor exacto de 12.
Unidad de Masa Atómica (u)
Se define como la $\frac{1}{12}$ parte de la masa del átomo de carbono. Así, a la masa del carbono le corresponden 12 u y la masa del hidrógeno 1 u.
Masa Atómica Relativa
Es el número de veces que la masa de un átomo contiene la unidad de masa atómica. La masa atómica relativa del carbono es 12.
La masa atómica relativa es un número abstracto. Cuando decimos que la masa atómica del magnesio es de 24, significa que la masa de un átomo de magnesio es 24 veces mayor que la unidad de la masa atómica (u), es decir, 24 veces mayor que la de un átomo de hidrógeno.
La unidad de masa atómica se ha fijado arbitrariamente como la $\frac{1}{12}$ parte de la masa del átomo de carbono.
Isótopos y sus Aplicaciones
Según la teoría atómica de Dalton, los átomos eran iguales y tenían la misma masa. Sin embargo, en 1911, Thomson descubrió que podían existir átomos de helio con diferente masa. Estos átomos fueron denominados isótopos.
Los Isótopos
Los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen el mismo número de protones (igual número atómico, $Z$), pero diferente número de neutrones (distinto número másico, $A$).
La mayoría de los elementos químicos tienen varios isótopos con diferente presencia en la naturaleza. La abundancia isotópica indica el tanto por ciento del número de átomos de un isótopo con respecto al total de una muestra en la naturaleza.
Aplicaciones de los Isótopos
Los isótopos se pueden clasificar en isótopos estables (existen menos de 300) e inestables o isótopos radiactivos (existen unos 1200), dependiendo de la estabilidad del núcleo. Los últimos se desintegran con el tiempo para dar lugar a otros isótopos más estables, emitiendo partículas o radiación electromagnética. Los isótopos radiactivos tienen aplicaciones en numerosos campos como la energía, la industria, la investigación, la medicina y la agricultura.
Fuente de Energía
El uranio-235 y el plutonio-239 se emplean en las centrales nucleares como combustibles para obtener una gran cantidad de energía.
Medicina
El cobalto-60 se utiliza en radioterapia con fines terapéuticos y curativos para destruir tejidos malignos y tratar todo tipo de tumores.
Investigación
El carbono-14 se utiliza para analizar procesos químicos como la fotosíntesis y para determinar la antigüedad de restos arqueológicos.
Industria
El oro-198 es útil en la industria del petróleo para buscar pozos y mejorar la productividad. También se emplea como trazador para analizar procesos industriales.
Agricultura
El cobalto-60 y el cesio-137 se utilizan para esterilizar insectos y controlar plagas que podrían dañar las frutas y disminuir su productividad.
Alimentación
El cobalto-60 se emplea para esterilizar alimentos y eliminar microorganismos patógenos que transmiten enfermedades a través de los alimentos.
Modelo Atómico de Bohr
Según el modelo de Rutherford, en la corteza atómica se encuentran los electrones girando alrededor del núcleo atómico. Más adelante se vio que este modelo atómico presentaba dos problemas:
- Por un lado, el átomo según Rutherford era energéticamente inestable.
- Por otro lado, este modelo no explicaba los resultados de los experimentos sobre la luz emitida por diferentes elementos.
Modelo de Bohr
En 1913, el físico danés Niels Bohr propuso que los electrones solo pueden ocupar unas órbitas determinadas en la corteza atómica, y estas órbitas se caracterizan por sus niveles de energía.
Postulados del Modelo Atómico de Bohr
- Los electrones solo pueden girar en órbitas a determinadas distancias del núcleo.
- En las órbitas o capas, los electrones giran con energía constante.
- Cada capa, llamada también nivel de energía, tiene un número diferente de electrones. El número de electrones por nivel es $2n^2$, donde $n$ es el número del nivel ($n = 1, 2, 3, \dots$).