Iones

Un ion es un átomo o un grupo de átomos que tiene una carga neta positiva o negativa. El número de protones, cargados positivamente, del núcleo de un átomo permanece igual durante los cambios químicos comunes (llamados reacciones químicas), pero se pueden perder o ganar electrones, cargados negativamente. La pérdida de uno o más electrones a partir de un átomo forma un catión, un ion con carga neta positiva. Por ejemplo, un átomo de sodio (Na) fácilmente puede perder un electrón para formar el catión sodio que se presenta como Na⁺:

Átomo de Na           ion Na⁺

11 protones              11 protones

11 electrones            10 electrones

Por otra parte, un anión es un ion cuya carga neta es negativa debido a un incremento en el número de electrones. Por ejemplo, un átomo de cloro (Cl) puede ganar un electrón para formar el ion cloruroCl^-:

Átomo de Cl          ion  Cl^-

17 protones            17 protones

17 electrones          18 electrones

Se dice que el cloruro de sodio (NaCl), la sal común de mesa, es un compuesto iónico porque está formado por cationes y aniones.

Un átomo puede perder o ganar más de un electrón. Como ejemplos de iones formados por la pérdida o ganancia de más de un electrón están : Mg²⁺, Fe³⁺, S^2- y N^3-. Estos iones, lo mismo que los iones Na⁺ y Cl^-, reciben el nombre de iones monoatómicos porque contienen solamente un átomo. Salvo algunas excepciones, los metales tienden a formar cationes y los no metales, aniones.

Además, es posible es posible combinar dos o más átomos y formar un ion que tenga una carga neta positiva o negativa. Los iones que contienen más de un átomo, como el caso de OH^- (ion hidroxilo), NH⁺, (ion amonio) se llaman iones poliatómicos.

Número atómico, número de masa e isótopos

Todos los átomos se pñueden identificar por el número de protones y neutrones que contienen. El número atómico (Z) es el número de protones en el núcleo del átomo de un elemento. En un átomo neutro el número de protones es igual al número de electrones, de manera que el número atómico también indica el número de electrones presente en un átomo. La identidad química de un átomo queda determinada por su número atómico. Por ejemplo, el número atómico del nitrógeno es 7. Esto significa que cada átomo neutro de nitrógeno tiene 7 protones y 7 electrones. O bien, visto de otra forma, cada átomo en el universo que contenga 7 protones, se llama "nitrógeno".

El número de masa (A) es el número total de protones y neutrones presentes en el núcleo de un átomo de un elemento. Con excepción de la forma más común del hidrógeno, que tiene un protón y no tiene neutrones, todos los núcleos atómicos contienen tanto protones como neutrones. En general, el número de masa está dado por:

número de masas = número de protones + número de neutrones
                           = número atómico + número de neutrones

El número de neutrones de un átomo es igual a la diferencia entre el número de masa y el número atómico (A-Z), por ejemplo, el número de masa de flúor es 19 y su número atómico es 9 (lo que indica que tiene 9 protones en el núcleo). Así el número de neutrones es un átomo de flúor es 19 - 9 = 10. Observe que el número atómico, el número de neutrones y el número de masa deben ser enteros positivos.

No todos los átomos de un elemento determinado tienen la misma masa. La mayoría de los elementos tienen dos o más isótopos, átomos que tienen el mismo número atómico pero diferente número de masa. Por ejemplo, existen tres isótopos de hidrógeno. Uno de ellos, que se conoce como hidrógeno, tiene un protón y no tiene neutrones. El isótopo llamada deuterio contiene un protón y un neutrón, y el tritio que tiene un protón y dos neutrones.

Como otro ejemplo, considere dos isótopos comunes de uranio, con números de masa 235 y 238, respectivamente.

El primer isótopo se utiliza en reactores nucleares y en bombas atómicas, mientras que el segundo carece de las propiedades necesarias para tener tales aplicaciones. Con excepción del hidrogeno, que tiene un nombre para cada uno de sus isótopos, los isótopos de los elementos se identifican por su número de masa. Así, los isótopos anteriores se llaman uranio-235 (uranio doscientos treinta y cinco) y uranio-238 (uranio doscientos treinta y ocho).

Las propiedades quimicas de un elemento están determinadas, principalmente, por los protones y electrones de sus átomos; los neutrones no participan en los cambios químicos en condiciones normales. En consecuencia, los isótopos del mismo elemento tiene un comportamiento químico semejante, forman el mismo tipico de compuesto y presentan reactividades semejantes.

El neutrón

El modelo de Rutherford de la estructura atómica dejaba un importante problema sin resolver. Se sabía que el hidrógeno, el átomo más sencillo, contenía solamente un protón, y que el átomo de helio contenía dos protones. Por lo tanto, la relación entre las masas de un átomo de hidrógeno y un átomo de helio debía ser 2:1. (Debido a que los electrones son mucho mas ligeros que los protones, se puede ignorar su contrubución a la masa atómica). Sin embargo, en realidad la relación es 4:1. Rutherford y otros investigadores habían propuesto que debería existir otro tipo de partícula subatómica en el núcleo, hecho que el físico inglés James Chadwick probó en 1932. Cuando Chadwick bombardeó una delgada lámina de berilio con particulas α, el metal emitió una radiación de muy alta energía, similar a los rayos γ. Experimentos posteriores demostraron que esos rayos realmento constan de un tercer tipo de partículas subatómicas, que Chadwick llamó neutrones, debido a que demostró que eran partículas electricamente neutras con una masa ligeramente mayor que la masa de los protones. El misterio de la relación de las masas ahora puede explicarse. En el núcleo de helio existen dos protones y dos neutrones, mientras que en el núcleo de hidrógeno hay sólo un protón y no hay neutrones; por tanto, la relación es 4:1.

Existen otras partículas subatómicas, pero el electrón, el protón y el neutrón son los componentes fundamentales del átomo que son importantes para la química.

Masa y carga de las partículas elementales.

El protón y el núcleo

Desde principios de 1900 ya se conocían dos características de los átomos: contienen electrones y son eléctricamente neutros. Para que un átomo sea neutro debe contener el mismo número de cargas positivas y negativas. Thompson propuso que un átomo podia visualizarse como una esfera uniforme cargadas positivamente, dentro de la cual se encontraban los electrones como si fueran las pasas de un pastel. Este modelo, llamado "modelo del budín de pasas", se aceptó como una teoría durante algunos años.

En 1910 el físico neozelandéz, Ernest Rutherford, que estudió con Thompson en la Universidad de Cambridge, utilizó partículas α para demostrar la estructura de los átomos. Junto con su colega Hans Geiger y un estudiante de licenciatura llamado Ernest Marsden, Rutherford efectuó una serie de experimentos utilizando láminas muy delgadas de oro y de otros metales, como blanco de partículas α provenientes de una fuente radiactiva. Ellos observaron quela mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse, o bien con una ligera desviación. De vez en cuando algunas partículas α eran dispersadas (o desviadas) de su trayectoria con un gran ángulo. ¡En algunos casos, las partículas α regresaban por la misma trayectoria hacia la fuente radiactiva! Éste fue el descubrimiento más sorprendente ya que, según el modelo de Thompson, la carga positiva del átomo era tan difusa que se esperaría que las partículas α atravesaran las láminas sin desviarse o con una desviación mínima. El comentario de Rutherford sobre este descubrimiento fue el siguiente: "Resulto tan increible como si usted hubiera lanzado una bala de 15 pulgadas hacia un trozo de papel de seda y la bala se hubiera regresado hacia usted."

Tiempo despues Rutherford, pudo explicar los resultados del experimento de la disperción de partículas α utilizando un nuevo modelo de átomo. De acuerdo con Rutherford, la mayor parte de los átomos debe ser espacio vacío. Esto explica por qué la mayoría de las partículas α atravesaron la lámina de oro sufriendo poca o ninguna desviación. Rutherford propuso que las cargas positivas de los átomos estaban concentradas en un denso conglomerado central del átomo, que llamó núcleo. Cuando una partícula α pasaba cerca del núcleo en el experimento, actuaba sobre ella una gran fuerza de repulsión, lo que originaba una gran desviación. Más aún, cuando una partícula α incidía directamente sobre el núcleo, experimentaba una repulsión tan grande que su trayectoria se invertía por completo.

Las partículas del núcleo que tienen carga positiva reciben el nombre de protones. En otros experimentos se encontró que los protones tienen la misma cantidad de carga que los electrones y que su masa es de 1.67262 x 10 ^ -24 g, aproximadamente 1.840 veces la masa de las partículas con carga negativa, los electrones.

Hasta este punto, los científicos visualizaban el átomo de la siguiente manera; la masa del núcleo constituye la mayor parte de la masa del átomo, pero el núcleo ocupa solamente 1/10^13 del volumen del átomo. Las dimensiones atómicas (y moleculares) se expresarán de acuerdo con el SI, con la unidad llamada picometro (pm), donde

1 pm = 1 x 10^-12 m

El radio de un átomo es aproximadamente de 100pm, mientras que el radio del núcleo atómico es solamente 5x10^-3 pm. Se puede apreciar la diferencia relativa entre el tamaño de un átomo y su núcleo imaginando si un átomo tuviera el tamaño del estadio Astrodomo de Houston, el volumen de su núcleo sería comparable con el de una pequeña canica. Mientras que los protones están confinados en el núcleo del átomo, se considera que los electrones están esparcidos alrededor del núcleo y a cierta distancia de él.

El concepto de radio atómico tiene utilidad experimental, pero no debe suponerse que los átomos tienen dimensiones o superficies bien definidas.