Imaginemos un átomo neutro de hidrógeno. Tiene un electrón. Si le aportamos suficiente energía para separar ese electrón, ¿desaparece el hidrógeno? ¿Se convierte en otro elemento químico? La pregunta importa para las estrellas: en su materia caliente, muchos electrones ya no están ligados a núcleos individuales.
Un átomo tiene un pequeño núcleo con carga positiva y electrones ligados a él por la interacción eléctrica. El número de protones del núcleo determina el elemento. Perder un electrón cambia la carga, pero no ese número: queda un ion de hidrógeno. Para comprender la materia de la Tierra y de las estrellas conviene llevar cuentas separadas de protones, neutrones y electrones. OpenStax: estructura atómica y carga.
El pequeño núcleo concentra casi toda la masa
El núcleo contiene protones, con carga positiva, y, en la mayoría de las variedades de átomos, neutrones, sin carga eléctrica neta. Hay una excepción que conviene recordar desde el principio: el núcleo del hidrógeno-1 es un solo protón, sin neutrones. El hidrógeno-1 neutro también tiene un electrón.
El electrón tiene una carga negativa de la misma magnitud que la carga positiva del protón. El protón y el neutrón tienen masas parecidas, mientras que el electrón es mucho más ligero. Por eso casi toda la masa del átomo se concentra en el núcleo, aunque su distribución electrónica ocupa una región del espacio mucho mayor. No es una bolita dura dentro de una envoltura; volveremos a la descripción de los electrones. DOE: núcleos.
En un átomo neutro hay tantos protones como electrones. Sus cargas se compensan al sumarlas; las propias partículas cargadas no desaparecen. El neutrón no añade carga neta positiva ni negativa.
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Por qué los protones positivos no se separan
Las cargas del mismo signo se repelen, de modo que los protones se repelen eléctricamente. En los núcleos con varios protones, la interacción nuclear fuerte contrarresta esa repulsión y liga protones y neutrones a distancias muy pequeñas. Es de corto alcance: no sustituye a la atracción eléctrica que mantiene ligados los electrones al núcleo. OpenStax: fuerzas en el núcleo.
Los neutrones contribuyen a la unión nuclear sin añadir repulsión eléctrica. Pero «añadir más neutrones hace más estable un núcleo» no es una regla general: la estabilidad depende de su composición, y algunos isótopos son radiactivos. Las cuentas de abajo sirven para identificar una partícula, pero por sí solas no predicen su estabilidad. DOE: isótopos.
Elemento, isótopo e ion responden a preguntas distintas
Contemos primero los protones. Uno significa hidrógeno; dos, helio; seis, carbono. Esa cantidad se llama número atómico. El hidrógeno sigue siendo hidrógeno cuando forma parte del agua o pierde un electrón: su núcleo aún tiene un protón. Cambiar el número de protones supone cambiar de elemento.
Comparemos ahora núcleos con el mismo número de protones y distintos números de neutrones. Son isótopos del mismo elemento. El hidrógeno-1 no tiene neutrones; el hidrógeno-2 tiene uno. El hidrógeno-2 también se llama deuterio. Ambos son hidrógeno, pero difieren en su composición nuclear y su masa. El número tras el nombre es la suma de protones y neutrones, llamada número másico. DOE: qué define un isótopo.
Por último, comparemos electrones y protones. Si un átomo pierde un electrón, sus cargas positivas dejan de estar totalmente compensadas: se forma un ion positivo. La incorporación de un electrón adicional puede dar un ion negativo. El elemento y el isótopo no cambian, porque el núcleo mantiene su composición. También existen iones moleculares; aquí solo consideramos iones de átomos individuales.
En el esquema, los tres ejemplos inferiores se comparan con el mismo átomo neutro de deuterio de arriba. En cada comparación solo difiere una cantidad. Observa que aumentar los protones sin cambiar los electrones modifica tanto el elemento como la carga.
Cambia mentalmente una sola cantidad
Compara cada uno de los tres ejemplos inferiores con el hidrógeno-2 neutro de arriba.
Ejemplo de partida
Hidrógeno-2 · deuterio
- Protones
- 1
- Neutrones
- 1
- Electrones
- 1
- Número másico A
- 2
- Carga q/e
- 0
Átomo neutro: una carga positiva y una negativa.
Un neutrón menos
Hidrógeno-1
- Protones
- 1
- Neutrones
- 0
- Electrones
- 1
- Número másico A
- 1
- Carga q/e
- 0
Mismo elemento, distinto isótopo. La carga no cambia.
Un protón más
Ion de helio-3
- Protones
- 2
- Neutrones
- 1
- Electrones
- 1
- Número másico A
- 3
- Carga q/e
- +1
Otro elemento. Con los mismos electrones, la carga también pasa a +1.
Un electrón menos
Ion de hidrógeno-2
- Protones
- 1
- Neutrones
- 1
- Electrones
- 0
- Número másico A
- 2
- Carga q/e
- +1
Mismo elemento e isótopo. La carga pasa a +1.
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Leer tres cantidades sin adivinar
Llamemos Z al número de protones, N al de neutrones y N_(e) al de electrones. El número másico A cuenta las partículas del núcleo:
A = Z + N.
Sea e la carga elemental positiva. La carga total q se obtiene de la diferencia entre dos cantidades:
(q)/(e) = Z − N_(e).
Los números Z, N, N_(e) y A son adimensionales. También lo es q/e: un valor de + 1 significa una carga de + e, no de un culombio.
Para el ion de helio-3 del esquema:
Z = 2,; N = 1,; N_(e) = 1.
Por tanto:
A = 2 + 1 = 3,; q/e = 2 − 1 = + 1.
El helio-3 neutro tendría dos electrones: su carga sería cero y A seguiría siendo 3. El número másico es un recuento, no la masa exacta del átomo: no tiene en cuenta la diferencia de masa entre protones y neutrones, los electrones ni la energía de enlace. OpenStax: número másico y masa atómica.
Una nube electrónica no es una órbita dibujada
Muchos símbolos del átomo muestran electrones sobre círculos o elipses. Es una forma sencilla de representar «algo alrededor de un centro», pero un átomo no es un pequeño sistema solar clásico. En la descripción cuántica moderna, el electrón no sigue una trayectoria planetaria determinada alrededor del núcleo.
Un orbital atómico es una descripción cuántica espacial del estado del electrón que permite calcular la probabilidad de detectarlo en una región determinada. El dibujo de una «nube electrónica» representa esa distribución de probabilidad. Una zona más oscura puede indicar mayor densidad de probabilidad, si esa es la escala elegida. No es una nube sólida de materia ni una fotografía del recorrido de un electrón. OpenStax: descripción cuántica de los electrones.
Por ello, el átomo no tiene una única superficie exterior dura como una bola de metal. Para indicar su tamaño hay que elegir una definición. Nuestra comparación no la necesita: las fichas solo cuentan partículas, sin mostrar dónde se encuentran ni las distancias entre ellas.
Separar un electrón y cambiar un núcleo son procesos distintos
En un gas caliente, las colisiones y la radiación pueden separar electrones de los átomos. En condiciones adecuadas se forma plasma: un medio con electrones libres e iones cuyo comportamiento depende de manera importante de las interacciones eléctricas y magnéticas. El plasma puede estar parcialmente ionizado, de modo que conviven átomos neutros y partículas cargadas. Las condiciones del interior de una estrella y de las distintas capas de su atmósfera difieren; no debemos imaginar el mismo estado en toda ella. Princeton Plasma Physics Laboratory: plasma.
Cuando el hidrógeno-1 pierde su único electrón, su ion positivo es simplemente un protón aislado. Pero sigue siendo un núcleo de hidrógeno, no de helio. La ionización no crea un elemento nuevo.
En las reacciones químicas ordinarias cambian los enlaces electrónicos y las combinaciones de átomos, mientras que se conservan los números de protones y neutrones de sus núcleos. Así, el hidrógeno puede formar parte de una molécula nueva. Las reacciones nucleares cambian los propios núcleos; si cambia el número de protones de un núcleo, cambia también su elemento. OpenStax: cambios químicos y nucleares.
Son las transformaciones nucleares, y no la simple pérdida de electrones, las que permiten al Sol producir helio a partir de hidrógeno y liberar energía. Se trata de una secuencia de reacciones con núcleos y otras partículas; la imagen de «añadir un electrón para obtener helio» no representa ese proceso. OpenStax: reacciones nucleares en el Sol.
Comprueba el razonamiento: un núcleo tiene dos protones y dos neutrones, con un solo electrón ligado. ¿Qué es? Dos protones determinan el helio. Las cuatro partículas del núcleo dan helio-4. El electrón compensa solo una de las dos cargas positivas: es un ion de helio-4 con carga + e. La respuesta no depende de dónde aparezca dibujado el electrón.
La estructura atómica nos da tres referencias distintas: los protones determinan el elemento; los protones junto con los neutrones, el isótopo; el balance de protones y electrones, la carga. Con ellas podemos comprender tanto las moléculas de agua como el plasma estelar sin confundir un cambio químico con uno nuclear. La siguiente pregunta del curso es de dónde proceden los propios elementos químicos.