Protones, neutrones y electrones

¿Dónde está cada partícula y qué número la cuenta?

El modelo nuclear deja un núcleo muy pequeño de protones, positivos, y neutrones, sin carga, rodeado por electrones negativos. Casi toda la masa está en el núcleo, porque protón y neutrón pesan mucho más que el electrón. Casi todo el volumen lo ocupan los electrones. El diámetro del átomo es del orden de $10^{-10}\ \mathrm{m}$ y el del núcleo, de unos $10^{-15}\ \mathrm{m}$: cerca de $100\,000$ veces más chico. Si el núcleo fuera un arándano, el átomo sería un estadio de futbol americano. ¹

Para masas tan pequeñas se usa la unidad de masa atómica. Desde 1961 se define con el carbono-12, al que se le asignan exactamente $12$ u. Una u es $\frac{1}{12}$ de la masa de un átomo de carbono-12, igual a $1.6605 \times 10^{-24}\ \mathrm{g}$. El dalton y la unidad de masa atómica unificada equivalen a la u. La carga elemental $e$ es la magnitud de la carga del electrón: $1.602 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}$. ¹

Ideas clave

• Protón: en el núcleo, carga $1+$, masa $1.00727$ u. Neutrón: en el núcleo, carga $0$, masa $1.00866$ u. Electrón: fuera del núcleo, carga $1-$, masa $0.00055$ u. ¹
• Hacen falta unos $1800$ electrones para igualar la masa de un protón. ¹
• $Z$, el número atómico, es el número de protones y define al elemento. En un átomo neutro también es el número de electrones. ¹
• $A$, el número de masa, es protones más neutrones. Los neutrones son $A - Z$. ¹
• La carga es protones menos electrones. Si gana electrones, el átomo es un anión, negativo. Si los pierde, es un catión, positivo. ¹
• El símbolo escribe $A$ como superíndice izquierdo y $Z$ como subíndice izquierdo. La carga, si la hay, va como superíndice derecho. ¹

La tabla de las tres partículas fija la comparación. El electrón está fuera del núcleo, con carga $-1.602 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}$ ($1-$) y masa $0.00055$ u. El protón está en el núcleo, con $+1.602 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}$ ($1+$) y masa $1.00727$ u. El neutrón está en el núcleo, con carga $0$ y masa $1.00866$ u. ¹

Esas piezas se descubrieron por separado. El electrón salió del rayo catódico: negativo y mucho más ligero que el átomo. El protón es el núcleo de hidrógeno, el bloque positivo de los demás núcleos. El neutrón se detectó en 1932: sin carga, y por eso costó verlo, con masa cercana a la del protón. ²

$Z$ no cambia si cambian los neutrones. Cualquier átomo con seis protones es carbono, $Z = 6$. Un átomo neutro iguala cargas positivas y negativas, así que trae tantos electrones como protones. ¹

$A$ cuenta nucleones, protones más neutrones. No es la masa en gramos. Es un entero. Los neutrones salen de restar: ¹

$$A - Z = \text{número de neutrones}.$$

Si los electrones no empatan con los protones, el átomo es un ion. La carga es el número de protones menos el número de electrones. Ganar electrones da un anión. Perderlos da un catión. Un sodio neutro ($Z = 11$) tiene $11$ electrones. Si pierde uno, la carga es $11 - 10 = 1+$. ¹

El símbolo de un isótopo pone el número de masa arriba a la izquierda y, a veces, $Z$ abajo a la izquierda. Como $Z$ ya está en el símbolo químico, a menudo se omite. El magnesio-24, el magnesio-25 y el magnesio-26 se escriben $^{24}\mathrm{Mg}$, $^{25}\mathrm{Mg}$ y $^{26}\mathrm{Mg}$. Los tres tienen $12$ protones. El primero tiene $12$ neutrones, el segundo $13$ y el tercero $14$. ¹

La primera letra del símbolo va en mayúscula y el resto en minúscula. Co es cobalto. CO es monóxido de carbono, un compuesto, no un elemento. ¹

La suma de las masas de las partículas sueltas no da exactamente la masa del átomo. Seis protones, seis neutrones y seis electrones suman $12.0993$ u, un poco más que las $12$ u del carbono-12. Esa diferencia es el defecto de masa. Estas fichas no lo calculan. ¹

Ejemplos resueltos

Carbono-13 neutro

El carbono-13 tiene $A = 13$ y $Z = 6$. El átomo es neutro. ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tiene?

1. $Z = 6$ fija $6$ protones. Si es neutro, hay $6$ electrones. ¹
2. Los neutrones son $13 - 6 = 7$.
3. El símbolo es $^{13}_{6}\mathrm{C}$.
4. Cambiar los neutrones no cambia el elemento. Cambiar los protones sí.

Un anión de nitrógeno

Un ion de nitrógeno tiene número de masa $14$ y $10$ electrones. Halla protones, neutrones y carga. El nitrógeno tiene $Z = 7$.

1. Los protones son $7$, los de cualquier nitrógeno. ¹
2. Neutrones: $14 - 7 = 7$.
3. Carga: $7 - 10 = 3-$. Ganó tres electrones, así que es un anión.
4. Se puede escribir $^{14}_{7}\mathrm{N}^{3-}$.

Qué partícula pesa

Compara, con la tabla, la masa del electrón y la del protón.

1. El electrón pesa $0.00055$ u y el protón $1.00727$ u. ¹
2. El cociente es del orden de $1800$: harían falta unos $1800$ electrones para igualar un protón.
3. Por eso el núcleo se lleva la masa y los electrones, el volumen.
4. El neutrón, $1.00866$ u, pesa un poco más que el protón y no aporta carga.

Errores comunes

Usar $A$ como si fuera el número de protones. $A$ suma protones y neutrones. El elemento lo decide $Z$. ¹

Igualar neutrones con electrones para que el átomo sea neutro. La neutralidad compara protones y electrones. Los neutrones no tienen carga. ¹

Restar al revés la carga, electrones menos protones, y cambiarle el signo al ion. La definición es protones menos electrones. Si hay más electrones, el resultado es negativo. ¹

Leer CO como cobalto. El símbolo del elemento es Co, con la segunda letra minúscula. CO nombra un compuesto. ¹

Cómo lo pregunta el examen

Dan el símbolo con $A$ y $Z$, o el nombre del elemento y el número de masa, y piden protones, neutrones y electrones. Si hay una carga, los electrones ya no son $Z$: sumas electrones cuando la carga es negativa y los restas cuando es positiva. Otras preguntas piden solo qué partícula identifica al elemento o dónde está cada una. No confundas el número de masa con la masa promedio de la tabla periódica: esa promedio mezcla isótopos y no es $A$.

Resumen

• Protón y neutrón están en el núcleo. El electrón está fuera y pesa mucho menos. ¹
• $Z$ es el número de protones y nombra al elemento. ¹
• $A$ es protones más neutrones. Los neutrones son $A - Z$. ¹
• En el neutro, electrones y protones empatan. La carga es protones menos electrones. ¹
• El símbolo pone $A$ arriba a la izquierda, $Z$ abajo a la izquierda y la carga arriba a la derecha. ¹