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Estructura atómica 2.º y 3.º ESO: protones, neutrones, electrones, isótopos e iones
Estructura atómica en 2.º y 3.º ESO: protones, neutrones, electrones, isótopos e iones
Aprender a leer un átomo, no solo a completar una tabla
La notación de un átomo parece pequeña, pero cuenta una historia completa: qué elemento es, cuántas partículas hay en su núcleo y si ha ganado o perdido electrones. Cuando se entiende esa historia, las cuentas dejan de ser una colección de reglas sueltas.
Esta guía avanza desde los modelos atómicos hasta los iones. Cada ejemplo cambia una decisión importante, los modelos enseñan a comprobar y las soluciones permiten corregir el trabajo completo.
1. Diez preguntas para saber desde dónde empiezas
Contesta sin consultar la teoría. No se trata de sacar nota: las respuestas muestran qué bloque conviene estudiar primero.
- ¿Qué dato determina la identidad del elemento químico?
- ¿Dónde se concentra casi toda la masa del átomo?
- ¿Qué significa \(Z\)?
- ¿Qué significa \(A\)?
- ¿Cuántos neutrones tiene \({}^{23}_{11}\mathrm{Na}\)?
- ¿Cuántos electrones tiene un átomo neutro con \(Z=17\)?
- ¿Qué cambia cuando un átomo se convierte en ion?
- ¿En qué se parecen dos isótopos del mismo elemento?
- ¿Un ion \(2+\) ha ganado o perdido electrones?
- ¿La masa atómica decimal de la tabla es lo mismo que \(A\)?
Comprobar el diagnóstico
- El número de protones.
- En el núcleo.
- El número de protones.
- Protones más neutrones de un isótopo concreto.
- 12.
- 17.
- El número de electrones.
- Tienen el mismo \(Z\), es decir, el mismo número de protones.
- Ha perdido dos electrones.
- No: la masa atómica de la tabla suele ser un promedio; \(A\) es entero y corresponde a un isótopo.
2. El átomo que imaginamos hoy se construyó paso a paso
Los modelos científicos no son dibujos decorativos. Son explicaciones que se aceptan mientras describen bien las observaciones y que se modifican cuando aparece una prueba que ya no encaja.
| Modelo | Aportación esencial | Por qué hubo que avanzar |
|---|---|---|
| Dalton | La materia está formada por átomos; los de elementos distintos son diferentes. | El átomo resultó tener estructura interna y existen isótopos. |
| Thomson | Descubrió el electrón y propuso carga negativa dentro de una masa positiva. | No explicaba la concentración de carga positiva observada después. |
| Rutherford | Situó casi toda la masa y la carga positiva en un núcleo muy pequeño; el átomo es casi vacío. | No describía con suficiente precisión la estabilidad y la energía de los electrones. |
| Bohr | Introdujo niveles de energía cuantizados; resulta útil para una primera distribución por capas. | Funciona especialmente bien para el hidrógeno, pero no basta para todos los átomos. |
| Modelo actual | Describe electrones mediante regiones de probabilidad y niveles, no como planetas en órbitas fijas. | Es el marco vigente; en ESO se trabaja con representaciones simplificadas. |
3. Tres partículas, tres papeles diferentes
\(+1\) neutrón
\(0\) electrón
\(-1\)
| Partícula | Símbolo | Carga relativa | Masa aproximada | Lugar |
|---|---|---|---|---|
| Protón | \(p^+\) | \(+1\) | \(1\ \mathrm{u}\) | Núcleo |
| Neutrón | \(n\) | \(0\) | \(1\ \mathrm{u}\) | Núcleo |
| Electrón | \(e^-\) | \(-1\) | Aproximadamente \(0{,}00055\ \mathrm{u}\); unas 1836 veces menor que la del protón | Nube electrónica |
El núcleo ocupa una fracción minúscula del volumen, pero reúne prácticamente toda la masa. Los electrones aportan muy poca masa y son decisivos en la formación de iones y enlaces.
4. Leer \(Z\), \(A\) y la carga sin mezclar datos
\(Z\): número atómico
Es el número de protones. Identifica al elemento y no cambia al formar un ion ni al pasar de un isótopo a otro.
\(A\): número másico
Es la suma de protones y neutrones de un isótopo concreto. Por eso es un número entero.
\(q\): número de carga
Es la carga relativa expresada en unidades de la carga elemental y compara protones con electrones. Si no aparece, se interpreta un átomo neutro.
Para los electrones conviene razonar con la carga, no memorizar signos:
Así, si \(q=+2\), \(e=Z-2\); si \(q=-1\), \(e=Z+1\).
5. Qué cambia en un isótopo y qué cambia en un ion
Isótopos
Mismo elemento, por tanto igual \(Z\); distinto número de neutrones y distinto \(A\). Por ejemplo, \({}^{35}_{17}\mathrm{Cl}\) y \({}^{37}_{17}\mathrm{Cl}\).
Catión
Tiene carga positiva porque ha perdido electrones. El núcleo no pierde protones durante una ionización química ordinaria.
Anión
Tiene carga negativa porque ha ganado electrones. Tampoco cambia \(Z\), así que continúa siendo el mismo elemento.
| Cambio | Protones | Neutrones | Electrones | ¿Cambia el elemento? |
|---|---|---|---|---|
| Otro isótopo | Igual | Cambia | Igual si ambos son neutros | No |
| Formar un ion | Igual | Igual | Cambia | No |
| Cambiar \(Z\) | Cambia | Puede cambiar | Depende del estado | Sí |
6. Una primera distribución de electrones por capas
Para los primeros veinte elementos suele emplearse en ESO una distribución simplificada por capas. Se llenan de dentro hacia fuera y se escribe el número de electrones en cada una: 2, 8, 8 y 2 para el calcio neutro.
Sodio, \(Z=11\)
Átomo neutro: 11 electrones. Distribución simplificada: \(2,8,1\).
Cloro, \(Z=17\)
Átomo neutro: 17 electrones. Distribución simplificada: \(2,8,7\).
Ion cloruro, \(\mathrm{Cl^-}\)
Ha ganado un electrón: 18 electrones. Distribución simplificada: \(2,8,8\).
7. Método de cinco pasos para resolver cualquier recuento
8. Diez modelos razonados
Lee primero la pregunta de cada modelo. La operación es corta; lo importante es reconocer qué información permanece y cuál cambia.
Partículas de \({}^{27}_{13}\mathrm{Al}\)
\(p=Z=13\), \(n=A-Z=27-13=14\) y, al no aparecer carga, \(e=13\).
Partículas de \({}^{24}_{12}\mathrm{Mg}^{2+}\)
El núcleo contiene 12 protones y 12 neutrones. La carga \(2+\) indica dos electrones menos que protones: \(e=12-2=10\).
Partículas de \({}^{19}_{9}\mathrm{F}^{-}\)
\(p=9\), \(n=19-9=10\). La carga negativa aparece porque hay un electrón más; por tanto, \(e=10\).
Un átomo tiene 8 protones, 9 neutrones y 8 electrones
Ocho protones identifican al oxígeno: \(Z=8\). El número másico es \(A=8+9=17\) y la carga es cero.
Una especie tiene 20 protones, 20 neutrones y 18 electrones
\(Z=20\) corresponde al calcio; \(A=40\). Como \(20-18=+2\), el símbolo es \({}^{40}_{20}\mathrm{Ca}^{2+}\).
Compara \({}^{12}_{6}\mathrm{C}\), \({}^{13}_{6}\mathrm{C}\) y \({}^{14}_{6}\mathrm{C}\)
Los tres tienen \(Z=6\), luego son carbono. Sus neutrones son 6, 7 y 8, respectivamente. Son isótopos, no elementos distintos.
“Una especie con \(Z=11\) tiene 12 protones”
Es imposible: \(Z\) es, por definición, el número de protones. Si hay 12 protones, \(Z=12\) y el elemento ya no es sodio, sino magnesio.
Una especie tiene \(Z=16\) y 18 electrones
Tiene 16 protones. La carga es \(q=p-e=16-18=-2\); se trata de \(\mathrm{S}^{2-}\). Sin \(A\), no podemos calcular los neutrones.
¿Puede escribirse \({}^{35{,}45}_{17}\mathrm{Cl}\)?
No como notación de un isótopo: \(A\) cuenta nucleones y debe ser entero. El valor 35,45 es una masa atómica promedio asociada al cloro natural.
En un ejemplo escolar simplificado con 75 % de cloro-35 y 25 % de cloro-37, el promedio usando números másicos sería \(0{,}75\cdot35+0{,}25\cdot37=35{,}5\ \mathrm{u}\). El valor tabulado preciso emplea masas isotópicas y abundancias medidas.
Distribuye los electrones de \(\mathrm{K^+}\)
El potasio tiene \(Z=19\). El ion (+) ha perdido un electrón, así que tiene 18. En el modelo simplificado: \(2,8,8\).
9. Veinticuatro ejercicios graduados
Escribe siempre \(p\), \(n\), \(e\) y carga cuando sea posible. Si falta un dato, indícalo: reconocer que algo no puede calcularse también es una respuesta científica.
Nivel 1 · Leer la notación
- Calcula \(p\), \(n\) y \(e\) en \({}^{16}_{8}\mathrm{O}\).
- Haz lo mismo para \({}^{31}_{15}\mathrm{P}\).
- Haz lo mismo para \({}^{40}_{20}\mathrm{Ca}^{2+}\).
- Haz lo mismo para \({}^{35}_{17}\mathrm{Cl}^{-}\).
- Indica \(Z\) y \(A\) de un átomo con 7 protones y 8 neutrones.
- Escribe la notación de un átomo de boro con 5 protones y 6 neutrones.
- ¿Qué elemento tiene 14 protones?
- Calcula la carga de una especie con 12 protones y 10 electrones.
Nivel 2 · Comparar y reconstruir
- Escribe el símbolo de una especie con 11 \(p\), 12 \(n\) y 10 \(e\).
- Escribe el símbolo de una especie con 9 \(p\), 10 \(n\) y 10 \(e\).
- ¿Son isótopos \({}^{24}_{12}\mathrm{Mg}\) y \({}^{25}_{12}\mathrm{Mg}\)? Justifica.
- ¿Son isótopos \({}^{23}_{11}\mathrm{Na}\) y \({}^{24}_{12}\mathrm{Mg}\)? Justifica.
- ¿Qué cambia al pasar de \(\mathrm{Na}\) a \(\mathrm{Na^+}\)?
- Una especie tiene \(Z=13\), \(A=27\) y 10 electrones. Halla su carga.
- Una especie tiene \(A=32\), 16 neutrones y 18 electrones. Identifícala.
- Distribuye por capas los electrones de \(\mathrm{O^{2-}}\).
Nivel 3 · Explicar y detectar errores
- Corrige: “Un catión se forma cuando el núcleo gana protones”.
- Corrige: “Todos los átomos de un elemento tienen el mismo \(A\)”.
- Decide si puede existir una especie con \(Z=10\), \(A=9\). Razona.
- Con \(Z=17\) y carga \(-1\), ¿puedes saber los neutrones? Explica.
- Dos especies tienen 18 electrones: \(\mathrm{Ar}\) y \(\mathrm{Ca^{2+}}\). ¿Son el mismo elemento?
- Un alumno asigna 35,45 neutrones al cloro. Localiza la confusión.
- Ordena \({}^{12}_{6}\mathrm{C}\), \({}^{13}_{6}\mathrm{C}\) y \({}^{14}_{6}\mathrm{C}\) por número de neutrones.
- Explica con una frase por qué cambiar electrones no cambia la identidad del elemento.
Ver soluciones razonadas de los 24 ejercicios
- \(p=8\), \(n=16-8=8\), \(e=8\).
- \(p=15\), \(n=16\), \(e=15\).
- \(p=20\), \(n=20\), \(e=18\).
- \(p=17\), \(n=18\), \(e=18\).
- \(Z=7\), \(A=7+8=15\).
- \({}^{11}_{5}\mathrm{B}\).
- Silicio, \(\mathrm{Si}\), porque \(Z=14\).
- \(q=12-10=+2\).
- \({}^{23}_{11}\mathrm{Na}^{+}\).
- \({}^{19}_{9}\mathrm{F}^{-}\).
- Sí: mismo \(Z=12\) y distinto \(A\); tienen 12 y 13 neutrones.
- No: sus números atómicos son distintos, así que son elementos diferentes.
- Pierde un electrón; protones y neutrones permanecen iguales.
- \(q=13-10=+3\).
- \(p=A-n=16\), luego es azufre; \(q=16-18=-2\): \({}^{32}_{16}\mathrm{S}^{2-}\).
- El oxígeno tiene 8 protones y el ion 10 electrones: \(2,8\).
- Un catión se forma al perder electrones; el núcleo no cambia en una ionización química.
- Los isótopos de un elemento comparten \(Z\), pero pueden tener distinto \(A\).
- No: \(A=p+n\) no puede ser menor que \(Z=p\).
- No. Falta \(A\) o el número de neutrones.
- No. Tener el mismo número de electrones no iguala \(Z\): Ar tiene 18 protones y Ca tiene 20.
- 35,45 es la masa atómica promedio del cloro natural, no un recuento de neutrones.
- Tienen 6, 7 y 8 neutrones; ya están ordenados de menor a mayor.
- La identidad depende de los protones, es decir, de \(Z\), no de los electrones.
10. Autoevaluación final · 8 puntos
Resuélvela sin consultar los modelos y corrige después con otro color. Cada cuestión vale un punto.
- Cita dos observaciones que obligaron a sustituir la idea de un átomo macizo e indivisible por un átomo con estructura interna y núcleo.
- Calcula \(p\), \(n\) y \(e\) en \({}^{56}_{26}\mathrm{Fe}^{3+}\).
- Escribe la notación de una especie con 16 \(p\), 18 \(n\) y 18 \(e\).
- Compara \({}^{35}_{17}\mathrm{Cl}\) y \({}^{37}_{17}\mathrm{Cl^-}\): semejanzas y diferencias.
- Una especie tiene \(A=39\), 20 neutrones y carga \(+1\). Identifícala y calcula sus electrones.
- Explica por qué 63,546 no puede usarse como \(A\) de un átomo de cobre.
- Distribuye por capas los electrones de \(\mathrm{Na^+}\) con el modelo simplificado.
- Detecta el error: “Si un átomo gana un electrón, \(Z\) aumenta una unidad”.
Ver soluciones y criterio de corrección
- El descubrimiento de partículas subatómicas mostró estructura interna; después, la dispersión de partículas alfa apoyó un núcleo pequeño y concentrado.
- \(p=26\), \(n=56-26=30\), \(e=26-3=23\).
- \(Z=16\), \(A=34\), \(q=16-18=-2\): \({}^{34}_{16}\mathrm{S}^{2-}\).
- Ambos son cloro y tienen 17 protones. El primero tiene 18 neutrones, 17 electrones y carga cero; el segundo tiene 20 neutrones y 18 electrones por su carga \(-1\).
- \(p=39-20=19\): potasio. Al ser \(+1\), \(e=19-1=18\): \({}^{39}_{19}\mathrm{K}^{+}\).
- Es una masa atómica promedio, mientras que \(A\) cuenta protones y neutrones y debe ser entero.
- El sodio tiene 11 protones; \(\mathrm{Na^+}\) tiene 10 electrones: \(2,8\).
- Ganar un electrón cambia la carga, no el número de protones. \(Z\) permanece igual.
11. Seis errores que conviene detectar a tiempo
Restar \(Z-A\)
Los neutrones son \(A-Z\). El resultado no puede ser negativo.
Usar \(A\) como protones
Los protones los fija \(Z\); \(A\) incluye también los neutrones.
Sumar electrones en un catión
La carga positiva significa que faltan electrones.
Cambiar el núcleo al ionizar
En los procesos químicos ordinarios cambian electrones, no protones.
Confundir isótopo e ion
El isótopo cambia neutrones; el ion cambia electrones.
Redondear la tabla sin avisar
Redondear una masa atómica no identifica necesariamente un isótopo real.
12. Ruta para continuar
Cuando ya puedes leer \(Z\), \(A\) y la carga, el siguiente paso es descubrir cómo se ordenan los elementos y qué permite anticipar su posición.
Para pasar del átomo individual a cantidades macroscópicas, continúa con mol, masa molar y número de Avogadro.
Cuando sabes la regla, pero el ejercicio sigue sin salir
A veces el bloqueo no está en restar \(A-Z\), sino en leer la notación, distinguir qué dato falta o explicar el resultado. En las clases trabajamos ese punto exacto con el temario real del alumno y una corrección que pueda reutilizar.
Ver clases particulares onlinePreguntas frecuentes
¿Qué diferencia hay entre \(Z\) y \(A\)?
\(Z\) es el número de protones e identifica al elemento. \(A\) suma protones y neutrones de un isótopo concreto.
¿Cómo se calculan los neutrones?
Si se conocen el número másico y el número atómico, se aplica \(n=A-Z\).
¿Cuántos electrones tiene un ion positivo?
Tiene menos electrones que protones. Para una carga \(q\), puede usarse \(e=Z-q\), conservando el signo de \(q\).
¿Qué tienen en común los isótopos?
Tienen el mismo número atómico y, por tanto, el mismo número de protones. Se diferencian en los neutrones y en el número másico.
¿La masa atómica decimal de la tabla es \(A\)?
No. Suele ser un promedio relacionado con los isótopos naturales. El número másico \(A\) corresponde a un isótopo y es entero.
¿Los electrones giran en órbitas circulares?
Las capas circulares son una representación escolar útil. El modelo actual describe regiones de probabilidad, no trayectorias planetarias exactas.