Tipos de átomos: clasificación, ejemplos y características

Los tipos de átomos corresponden a los distintos elementos químicos que forman la materia. La diferencia fundamental entre un átomo de hidrógeno, uno de oxígeno o uno de hierro se encuentra en el número de protones de su núcleo. Esta cantidad recibe el nombre de número atómico y determina la identidad del elemento.

Los átomos de un mismo elemento también pueden presentar variaciones. Algunos poseen diferente número de neutrones y se denominan isótopos; otros ganan o pierden electrones y se convierten en iones. En este artículo veremos cómo se clasifican los átomos, qué diferencias existen entre ellos y cuáles son sus características principales.

Resumen

Los átomos son unidades básicas de la materia, formadas por un núcleo de protones y neutrones y una zona electrónica. El número de protones, o número atómico, identifica cada elemento. Las diferencias en neutrones originan isótopos, mientras que ganar o perder electrones produce iones: cationes o aniones. Los elementos pueden ser naturales o sintéticos, muchos radiactivos e inestables. La masa depende de protones y neutrones, y los electrones participan en los enlaces y las propiedades químicas.

Qué es un átomo

Un átomo es una unidad básica de la materia. Todo lo que nos rodea, como el agua, el aire, las rocas, los alimentos y nuestro propio cuerpo, está formado por átomos. Durante mucho tiempo se pensó que eran partículas indivisibles, pero actualmente sabemos que contienen estructuras más pequeñas.

En el centro del átomo se encuentra el núcleo, formado por protones y neutrones. Alrededor del núcleo se distribuyen los electrones, que ocupan regiones relacionadas con distintos niveles de energía.

• Protones: tienen carga eléctrica positiva y se encuentran en el núcleo.
• Neutrones: no poseen carga eléctrica y también están en el núcleo.
• Electrones: tienen carga negativa y se sitúan alrededor del núcleo.

El número de protones es la característica que identifica a un elemento. Por ejemplo, cualquier átomo con 8 protones es oxígeno, aunque pueda tener una cantidad distinta de neutrones o de electrones. Del mismo modo, un átomo con 26 protones pertenece siempre al elemento hierro.

La tabla periódica reúne los 118 elementos químicos reconocidos actualmente, ordenados según su número atómico. En ella aparecen elementos muy ligeros, como el hidrógeno, y otros mucho más pesados, como el oganesón.

Cuáles son los tipos de átomos

La palabra “tipo” puede utilizarse de varias maneras en química. Podemos clasificar los átomos por el elemento al que pertenecen, por el número de neutrones que contienen o por su carga eléctrica. Estas clasificaciones no se excluyen entre sí: un mismo átomo puede ser, por ejemplo, un isótopo de oxígeno y, al mismo tiempo, un ion.

Átomos según el elemento químico

Esta es la clasificación principal. Cada conjunto de átomos con el mismo número de protones forma un elemento químico. El número atómico se representa habitualmente con la letra Z.

• El hidrógeno tiene número atómico 1, porque sus átomos poseen un protón.
• El nitrógeno tiene número atómico 7.
• El silicio tiene número atómico 14.
• El calcio tiene número atómico 20.

Si cambia el número de protones, cambia el elemento. Un átomo no puede pasar de ser nitrógeno a ser oxígeno simplemente ganando un electrón: para transformarse en otro elemento tendría que cambiar su núcleo, es decir, su número de protones.

Átomos según el número de neutrones: los isótopos

Los isótopos son átomos del mismo elemento que tienen igual número de protones, pero diferente número de neutrones. Como el número de protones no cambia, siguen perteneciendo al mismo elemento; sin embargo, su masa es distinta.

Por ejemplo, el oxígeno-16 y el oxígeno-18 son isótopos del oxígeno. Ambos tienen 8 protones, pero el primero tiene 8 neutrones y el segundo, 10. El número que acompaña al nombre del isótopo se relaciona con el número másico, que se obtiene sumando protones y neutrones.

La expresión general es:

Número másico = número de protones + número de neutrones

Algunos isótopos son estables y permanecen sin desintegrarse. Otros son radiactivos, lo que significa que su núcleo cambia espontáneamente y emite radiación con el tiempo. La radiactividad depende del núcleo y no debe confundirse con la carga eléctrica del átomo.

Átomos según su carga eléctrica: los iones

Un átomo neutro tiene la misma cantidad de protones que de electrones. Las cargas positivas y negativas se compensan, por lo que la carga total es cero.

Si un átomo gana o pierde electrones, deja de ser neutro y se convierte en un ion. El núcleo no cambia en este proceso: conserva el mismo número de protones y, por tanto, sigue siendo el mismo elemento.

• Si pierde electrones, queda con más cargas positivas que negativas y forma un catión.
• Si gana electrones, adquiere más cargas negativas y forma un anión.

Por ejemplo, un átomo de cloro sigue siendo cloro aunque gane un electrón. En cambio, si cambiara su número de protones, ya no sería cloro, sino otro elemento.

Los átomos naturales

Se llaman átomos naturales los que pertenecen a elementos que aparecen en la naturaleza sin haber sido creados deliberadamente en un laboratorio. Algunos forman parte de seres vivos, minerales, océanos o gases atmosféricos; otros se encuentran en cantidades muy pequeñas.

Según la clasificación utilizada, se habla de 98 elementos presentes de forma natural. Sin embargo, no todos aparecen con la misma abundancia ni en las mismas condiciones. Muchos se encuentran en cantidades apreciables, mientras que otros solo se detectan como consecuencia de procesos radiactivos naturales o en concentraciones minúsculas.

Entre los elementos naturales pueden encontrarse:

• Elementos libres o nativos: aparecen sin combinarse con otros elementos en ciertos entornos. El oro, la plata y el cobre pueden encontrarse en esta forma, aunque también pueden formar compuestos.
• Elementos combinados: están unidos químicamente a otros átomos. El sodio y el calcio, por ejemplo, suelen aparecer formando minerales y sales, no como sustancias simples.
• Elementos radiactivos naturales: se desintegran espontáneamente. Algunos se encuentran en cantidades muy reducidas porque sus núcleos cambian con el tiempo.

Entre los elementos naturales menos comunes se citan el tecnecio, el prometio, el astato, el francio, el neptunio, el plutonio, el americio, el curio, el berkelio y el californio. La frontera entre “natural” y “sintético” puede matizarse cuando un elemento que se consideraba exclusivamente artificial se descubre después en cantidades ínfimas en la naturaleza.

Por ello, dos fuentes pueden utilizar clasificaciones ligeramente distintas. La diferencia no significa necesariamente que una de ellas desconozca el tema, sino que puede aplicar un criterio diferente sobre la cantidad mínima necesaria para considerar natural un elemento.

Los átomos artificiales o elementos sintéticos

Los elementos sintéticos son aquellos que se producen artificialmente mediante reacciones nucleares en instalaciones científicas. Muchos tienen núcleos muy pesados e inestables, por lo que se desintegran poco después de formarse.

Cuando un núcleo radiactivo se desintegra, su cantidad disminuye siguiendo un proceso característico. La vida media indica el tiempo necesario para que, de una muestra de núcleos radiactivos, quede aproximadamente la mitad sin desintegrarse. En algunos elementos sintéticos esta duración puede ser de millones de años, mientras que en otros se limita a segundos, milisegundos o incluso menos.

La inestabilidad de estos elementos dificulta estudiar sus propiedades directamente. En ocasiones solo se producen unos pocos átomos y desaparecen antes de que puedan observarse como una muestra visible. Por eso, algunas propiedades, como el estado físico, el punto de fusión o el punto de ebullición, se estiman comparándolas con las de elementos situados en posiciones semejantes de la tabla periódica.

Los elementos sintéticos situados entre los números atómicos 99 y 118 son:

• Einsteinio (Es), número atómico 99.
• Fermio (Fm), número atómico 100.
• Mendelevio (Md), número atómico 101.
• Nobelio (No), número atómico 102.
• Lawrencio (Lr), número atómico 103.
• Rutherfordio (Rf), número atómico 104.
• Dubnio (Db), número atómico 105.
• Seaborgio (Sg), número atómico 106.
• Bohrio (Bh), número atómico 107.
• Hassio (Hs), número atómico 108.
• Meitnerio (Mt), número atómico 109.
• Darmstadtio (Ds), número atómico 110.
• Roentgenio (Rg), número atómico 111.
• Copernicio (Cn), número atómico 112.
• Nihonio (Nh), número atómico 113.
• Flerovio (Fl), número atómico 114.
• Moscovio (Mc), número atómico 115.
• Livermorio (Lv), número atómico 116.
• Teneso (Ts), número atómico 117.
• Oganesón (Og), número atómico 118.

Esta lista se refiere a los elementos sintéticos de esa zona de la tabla periódica. Algunos elementos con números atómicos inferiores pueden haberse obtenido artificialmente en el laboratorio y, al mismo tiempo, aparecer de manera natural en cantidades muy pequeñas.

Ejemplos de distintos átomos

Los siguientes casos permiten relacionar cada elemento con su número atómico y con algunos de sus usos o funciones:

• Helio (He): sus átomos tienen 2 protones. Es un gas noble y se utiliza, entre otras aplicaciones, para llenar globos y estudiar condiciones de muy baja temperatura.
• Carbono (C): posee 6 protones. Puede formar una gran variedad de sustancias y es un componente esencial de los seres vivos.
• Magnesio (Mg): tiene 12 protones. Forma parte de numerosos minerales y participa en procesos importantes de los organismos.
• Silicio (Si): cuenta con 14 protones. Se encuentra en minerales y se emplea en dispositivos electrónicos por sus propiedades como semiconductor.
• Cobre (Cu): sus átomos tienen 29 protones. Es un metal buen conductor de la electricidad y se utiliza en cables y circuitos.
• Yodo (I): posee 53 protones. Es un elemento necesario en pequeñas cantidades para el funcionamiento del organismo.
• Plomo (Pb): tiene 82 protones. Es un elemento pesado y tóxico, por lo que su uso debe controlarse cuidadosamente.

Estos ejemplos muestran que la identidad de cada átomo se establece por el número de protones, mientras que sus propiedades químicas dependen de la organización de sus electrones y de la estructura de su núcleo.

Qué es el modelo atómico de Dalton

El modelo atómico de Dalton fue una de las primeras explicaciones científicas modernas sobre la composición de la materia. John Dalton lo formuló a comienzos del siglo XIX, en 1803, para interpretar las regularidades observadas en las reacciones químicas.

Antes de esta propuesta, la idea de átomo se había tratado principalmente desde la filosofía. Dalton la convirtió en una teoría relacionada con los experimentos y sostuvo que las sustancias estaban formadas por partículas muy pequeñas llamadas átomos.

Las ideas principales de su modelo eran las siguientes:

• La materia está compuesta por átomos.
• Los átomos de un elemento son diferentes de los átomos de otros elementos.
• Los átomos de un mismo elemento se consideraban iguales en masa y propiedades.
• Los compuestos se forman cuando los átomos de distintos elementos se combinan en proporciones definidas.
• En una reacción química, los átomos se reorganizan: no aparecen ni desaparecen, sino que se unen de otra manera.

Algunas partes del modelo fueron corregidas posteriormente. Hoy sabemos que los átomos contienen protones, neutrones y electrones, que los átomos de un mismo elemento pueden tener masas diferentes por la existencia de isótopos y que, en determinados procesos, los núcleos pueden transformarse. Aun así, la teoría de Dalton fue decisiva para desarrollar la química moderna.

Características principales del átomo

Está formado por un núcleo y una zona electrónica

La mayor parte de la masa del átomo se concentra en el núcleo, porque allí se encuentran los protones y los neutrones. Los electrones tienen una masa mucho menor y se distribuyen alrededor del núcleo en estados de energía.

Su número de protones define el elemento

El número atómico permite identificar el elemento sin ambigüedad. Todos los átomos que tienen 15 protones son fósforo; si tienen 16 protones, son azufre. Esta propiedad se conserva aunque cambien los neutrones o los electrones.

Puede tener distinta masa

El número másico se obtiene sumando protones y neutrones. Por eso, dos átomos del mismo elemento pueden tener números másicos distintos: son isótopos. La masa atómica que aparece en la tabla periódica suele ser un valor medio relacionado con las abundancias de los isótopos naturales.

Puede ser neutro o convertirse en ion

Cuando el número de protones y electrones es igual, la carga total es cero. Si el átomo gana o pierde electrones, adquiere carga eléctrica. Este fenómeno es importante en muchas reacciones químicas y en la formación de compuestos iónicos.

Participa en enlaces químicos

Los átomos pueden unirse mediante enlaces para formar moléculas, redes cristalinas y otros compuestos. En esas uniones intervienen sobre todo los electrones de la zona más externa. Así se forman sustancias como el amoníaco (NH3), el metano (CH4) o el cloruro de potasio (KCl).

Hay tantos tipos fundamentales de átomos como elementos químicos, y cada elemento se reconoce por su número de protones. Las diferencias en neutrones originan isótopos; las variaciones en electrones producen iones. Estas tres ideas permiten interpretar buena parte de la estructura y el comportamiento de la materia.