Mira una pared. Está hecha de ladrillos, y cada ladrillo, de barro cocido. Ahora imagina que sigues partiendo: el ladrillo en trozos, los trozos en granos, los granos en trocitos cada vez más pequeños. Si sigues y sigues, al final llegas siempre a lo mismo: átomos.
La pregunta tonta de esta lección es: ¿de qué está hecho un muro? La respuesta sorprende: de solo tres tipos de pieza. Son las mismas que forman tu mano y el aire que respiras. Lo que cambia es cuántas pones y cómo las juntas, igual que con una caja de piezas de construcción.
Esta lección enseña cuatro ideas: qué hay dentro de un átomo, qué hace que un átomo sea de un elemento o de otro, cómo las mismas piezas dan cosas muy distintas, y cómo se cuentan los átomos por montones.
Elige tu carta: ♣ si empiezas de cero, ♦ si no te asusta una fórmula sencilla, ♠ si quieres la notación. Puedes cambiarla en cualquier momento.
Dentro del átomo
Novato
Un átomo tiene en el centro un núcleo, una bolita diminuta y pesada, y alrededor una nube de electrones.
El núcleo está hecho de dos piezas:
- Protones, que tienen carga eléctrica positiva (+).
- Neutrones, que no tienen carga.
Los electrones tienen carga negativa (−) y son ligerísimos: un protón pesa lo mismo que unos 1800 electrones.
Lo más raro es el tamaño. Si el núcleo fuera un arándano, el átomo entero sería un estadio de fútbol. Entre el arándano y las gradas no hay nada: un átomo es casi todo vacío. Y aun así, casi todo su peso está en el arándano.
Intermedio
Un átomo mide del orden de 10⁻¹⁰ m y su núcleo, del orden de 10⁻¹⁵ m: el núcleo es unas cien mil veces más pequeño de diámetro. Las masas se miden en unidad de masa atómica (u), que es más o menos lo que pesa un protón:
| Pieza | Dónde está | Carga | Masa |
|---|---|---|---|
| Protón | núcleo | +1 | 1,007 u |
| Neutrón | núcleo | 0 | 1,009 u |
| Electrón | alrededor | −1 | 0,000 55 u |
Los protones y neutrones del núcleo pesan casi lo mismo, y un protón pesa como 1836 electrones. Por eso más del 99,9 % de la masa de un átomo está en el núcleo.
¿Cómo se sabe que hay un núcleo, si no se ve? En 1911, Rutherford, Geiger y Marsden dispararon partículas α (diminutas y con carga positiva) contra una lámina de oro muy fina. Casi todas la atravesaron sin desviarse, pero unas pocas rebotaron hacia atrás. Solo tiene sentido si la carga positiva está junta, con casi toda la masa en un punto diminuto, y el resto del átomo es casi todo vacío. El neutrón se descubrió más tarde, en 1932.
Técnico
| En ♦ decíamos | En ♠ se escribe |
|---|---|
| del orden de 10⁻¹⁵ m | R = r₀ A^(1/3), r₀ ≈ 1,2 fm (1 fm = 10⁻¹⁵ m) |
| protones y neutrones del núcleo | A: número de nucleones |
| unidad de masa atómica (u) | u = m(¹²C)/12 = 1,660 539 068 92(52)×10⁻²⁷ kg |
| un protón pesa como 1836 electrones | mₚ/mₑ = 1836,152 673 426(32) |
| carga positiva | q = +e, e = 1,602 176 634×10⁻¹⁹ C (exacta) |
| casi todo vacío | V_núcleo / V_átomo ~ (10⁻¹⁵ / 10⁻¹⁰)³ = 10⁻¹⁵ |
| casi toda la masa en un punto diminuto | densidad nuclear ρ ≈ 2,3×10¹⁷ kg/m³ |
Las medidas de dispersión dan un radio nuclear R = r₀ A^(1/3), con r₀ ≈ 1,2 fm y A el número de nucleones (OpenStax, University Physics vol. 3, 10.1). Que R crezca como A^(1/3) quiere decir que el volumen crece como A: los nucleones se empaquetan a densidad constante, como gotas de un líquido que no se comprime.
Esa densidad sale de poner una masa u en una esfera de radio r₀: ρ ≈ u / (4/3 π r₀³) ≈ 2,3×10¹⁷ kg/m³, el mismo valor que OpenStax calcula para el hierro-56 (HyperPhysics da 2×10¹⁷). Un centímetro cúbico de materia nuclear pesaría unos 2,3×10¹¹ kg.
Con mₚ/mₑ = 1836,15 (CODATA 2022), en un átomo con tantos neutrones como protones los electrones son un 0,03 % de la masa. El volumen va al revés: con R_átomo/R_núcleo ~ 10⁵, el núcleo ocupa ~10⁻¹⁵ del volumen.
El núcleo lo dedujo Rutherford (Phil. Mag. 21, 669, 1911) a partir de la dispersión de partículas α a ángulos grandes, imposible en un átomo con la carga repartida. El neutrón lo identificó Chadwick (Nature 129, 312, 1932). Desde 2019, e es exacta por definición; u es, por definición, la doceava parte de la masa de un átomo de ¹²C.
Elementos e isótopos
Novato
El número de protones es el DNI del átomo: decide qué elemento es. Un protón, hidrógeno. Seis, carbono. Ocho, oxígeno. Setenta y nueve, oro. Si cambias el número de protones, cambias de elemento.
Los neutrones son como peso en la mochila: cambian lo que pesa el átomo, pero no quién es. Un carbono con 6 neutrones, con 7 o con 8 sigue siendo carbono. A esas versiones se les llama isótopos, y se nombran con la suma de protones y neutrones: carbono-12, carbono-13, carbono-14.
Algunos isótopos duran para siempre. Otros, no: se van deshaciendo solos, y a eso se le llama radiactividad. El carbono-14 es así: de cualquier montón de carbono-14, la mitad se deshace en unos 5700 años.
¿Y los electrones? Si un átomo gana o pierde alguno, se queda con carga eléctrica (es un ion), pero sigue siendo el mismo elemento.
Intermedio
Dos números describen un núcleo:
- El número atómico (Z) es el número de protones. Identifica el elemento: Z = 6 es carbono, siempre.
- El número másico (A) es protones más neutrones. Los neutrones son A − Z.
Se escribe con A arriba y Z abajo, a la izquierda del símbolo: ¹³₆C. Como Z ya lo dice el símbolo, a menudo se omite: ¹³C, o “carbono-13”.
Los isótopos de un elemento tienen el mismo Z y distinto número de neutrones. Se comportan casi igual en química; lo que cambia es la masa y si el núcleo aguanta. El carbono de la naturaleza es una mezcla: un 98,9 % de ¹²C y un 1,1 % de ¹³C, los dos estables (es su abundancia). Además hay trazas de ¹⁴C, que se forma en la alta atmósfera y es radiactivo: de cualquier cantidad, la mitad se desintegra en unos 5700 años. Ese tiempo se llama semivida.
Un ion es un átomo con más o menos electrones que protones, y por eso tiene carga. El Na⁺ tiene 11 protones y 10 electrones: carga +1, y sigue siendo sodio.
Técnico
| En ♦ decíamos | En ♠ se escribe |
|---|---|
| número atómico (Z) | Z |
| los neutrones son A − Z | N = A − Z |
| número másico (A) | A = Z + N; nucleido ᴬ_Z X |
| si el núcleo aguanta | carta de nucleidos: estables y radiactivos según (Z, N) |
| abundancia | fracción de átomos xᵢ, con Σ xᵢ = 1 |
| semivida | t½: N(t) = N₀ · 2^(−t / t½) |
| carga | q = (Z − nₑ) · e |
Un nucleido queda fijado por (Z, N). La carta de nucleidos los ordena con N en abscisas y Z en ordenadas. Entre Z = 1 y 10, la CIAAW da 20 nucleidos estables, todos con N entre Z − 1 y Z + 2: en los núcleos ligeros, la estabilidad está pegada a la diagonal N = Z. El berilio y el flúor tienen uno solo (⁹Be y ¹⁹F).
Estar en la franja no basta: los nucleidos que no están en esa lista, dentro o fuera de ella, se desintegran. Cada núcleo lo hace con una probabilidad por unidad de tiempo constante, así que el número de núcleos sigue N(t) = N₀ · 2^(−t/t½). Dos ejemplos, los dos dentro de la franja:
- ³H (tritio): t½ = 12,32 años (OpenStax, tabla 10.1); TUNL recomienda 12,323 ± 0,020 años. Se convierte en ³He.
- ¹⁴C: OpenStax da 5730 años y TUNL recomienda 5686 ± 40 (media de las medidas recientes, 5699 ± 20). Con unos 5700 años, tras 11 400 queda un cuarto.
Las abundancias xᵢ no son constantes universales: dependen del origen de la muestra. La CIAAW da para el ¹³C un intervalo de 0,0096 a 0,0116 en material terrestre normal.
La carga de un ion es q = (Z − nₑ)·e. Cambiar nₑ es química (ionizar); cambiar Z es física nuclear.
Ponle neutrones a un carbono y sigue siendo carbono. Para cambiar de elemento hay que tocar los protones, y eso ya no es química.
Prueba tú: monta un átomo
Mueve los protones, los neutrones y los electrones. Mira qué elemento sale, si el núcleo aguanta y si el átomo se queda con carga. Prueba con 6 protones y 8 neutrones.
Las mismas piezas, montadas distinto
Novato
Con una caja de piezas iguales puedes montar un coche o un castillo. Con átomos pasa lo mismo.
Cuando varios átomos se enganchan, forman una molécula. El agua, por ejemplo, es un átomo de oxígeno enganchado a dos de hidrógeno. El enganche se llama enlace.
El mejor ejemplo son el diamante y la mina de un lápiz, que se llama grafito. Los dos son solo carbono. Lo que cambia es cómo están enganchadas las piezas:
- En el diamante, cada átomo se engancha a 4 vecinos, en todas direcciones. Todo queda trabado, y por eso es de las cosas más duras que existen.
- En el grafito, cada átomo se engancha a 3 vecinos, todos en el mismo plano. Salen láminas, una encima de otra, que apenas se sujetan entre sí. Al escribir, las láminas resbalan y se quedan pegadas al papel.
Así que una cosa no depende solo de qué piezas tiene, sino de cómo están montadas.
Intermedio
Una molécula son dos o más átomos unidos por enlaces químicos. Se escribe con una fórmula: H₂O es un oxígeno y dos hidrógenos; O₂, dos oxígenos. Una molécula puede ser de un solo elemento.
Los átomos también pueden formar redes enormes en vez de moléculas sueltas. El carbono puro forma dos muy conocidas:
| Diamante | Grafito | |
|---|---|---|
| Vecinos de cada átomo | 4, en los vértices de un tetraedro | 3, en láminas planas de hexágonos |
| Entre capas | No hay capas: red en 3D | Fuerzas débiles |
| Dureza | De lo más duro que se conoce | Blando: mina de lápiz |
| Electricidad | No conduce | Conduce |
En la lámina de grafito, los centros de los átomos vecinos están a 1,4×10⁻¹⁰ m.
Ojo con una trampa: elemento no es lo mismo que sustancia. El carbono es un elemento; el diamante, el grafito y el CO₂ son sustancias distintas hechas con él. Cambiar de sustancia (recolocar los enlaces) es química; cambiar de elemento obliga a tocar el núcleo.
A 25 °C, el grafito es la forma más estable del carbono, y aun así un diamante no se convierte en grafito: habría que romper sus enlaces, y eso cuesta muchísima energía. Por qué un cambio que “debería” pasar no pasa es el tema de otra lección de esta ruta.
Técnico
| En ♦ decíamos | En ♠ se escribe |
|---|---|
| enlaces químicos | enlace sencillo C–C (1,54 Å) y doble C=C (1,34 Å) |
| 4, en los vértices de un tetraedro | hibridación sp³, ángulo arccos(−1/3) ≈ 109,5° |
| 3, en láminas planas | hibridación sp², ángulo de 120° |
| 1,4×10⁻¹⁰ m | d = 1,4 Å (1 Å = 10⁻¹⁰ m) |
| fuerzas débiles | interacciones no covalentes entre capas |
| la forma más estable | ΔG° < 0: ΔᵣG°(diamante → grafito) = −2,9 kJ/mol |
| romper sus enlaces | energía de enlace C–C ≈ 345 kJ/mol |
| no se convierte | metaestable (estabilidad cinética) |
En el diamante, cada carbono es sp³ y se une a 4 carbonos en los vértices de un tetraedro; en el grafito es sp² y se une a 3 en el plano (UW–Madison, Chem 109). El ángulo del tetraedro sale de dos vectores a vértices opuestos, (1, 1, 1) y (1, −1, −1): cos θ = −1/3, θ ≈ 109,47°. Los tres enlaces de un plano hexagonal forman 120°.
La tabla 7.3 de OpenStax da para el enlace C–C sencillo una longitud media de 1,54 Å y 345 kJ/mol, y para el doble C=C, 1,34 Å. La distancia entre vecinos en la lámina de grafito, ~1,4 Å, cae entre las dos. Las láminas se sujetan solo por interacciones no covalentes, y por eso el grafito mancha el papel.
Termodinámica a 25 °C: la energía de Gibbs del diamante está 2,90 kJ/mol por encima de la del grafito (OpenStax, apéndice G), así que ΔᵣG°(diamante → grafito) = −2,9 kJ/mol, lo mismo que da UW–Madison. El signo dice que el grafito es más estable. La cinética dice otra cosa: para recolocar la red hay que romper enlaces C–C de unos 345 kJ/mol, unas 120 veces más que lo que se gana por mol. El diamante es metaestable.
Contar átomos: el mol
Novato
Para contar huevos se usan docenas: 12. Los átomos son tan pequeños que hace falta un paquete muchísimo más grande: el mol, que son 6×10²³ cosas, un 6 con 23 ceros detrás.
Un mol de moléculas de agua pesa unos 18 gramos: un sorbo. Si contaras esas moléculas a una por segundo desde el Big Bang, no habrías contado ni la millonésima parte.
Un mol siempre es el mismo número de cosas, como una docena. Lo que cambia es lo que pesa: una docena de huevos no pesa lo mismo que una docena de sandías.
Intermedio
El mol es la unidad para contar partículas. Desde 2019, un mol son exactamente 6,022 140 76×10²³ entidades (átomos, moléculas, iones…), el número de Avogadro. Antes se definía como los átomos que hay en 12 g de carbono-12.
Lo práctico es que lo que pesa un mol, en gramos por mol, tiene las mismas cifras que la masa de una partícula en u:
- Carbono: 12,011 g/mol.
- Agua: 2 × 1,008 + 15,999 = 18,015 g/mol.
- Hierro: 55,845 g/mol.
Ejemplo: un vaso con 250 g de agua son 250 / 18,015 ≈ 13,9 mol, es decir, 13,9 × 6,022×10²³ ≈ 8,4×10²⁴ moléculas.
¿Por qué el carbono pesa 12,011 y no 12 justos? Porque el carbono de la naturaleza es una mezcla de isótopos: casi todo ¹²C, con un poco de ¹³C, que pesa más.
Y una trampa: el mol no es una masa, es un número de cosas. Un mol de carbono son 12 g; uno de hierro, casi 56.
Técnico
| En ♦ decíamos | En ♠ se escribe |
|---|---|
| exactamente 6,022 140 76×10²³ | N_A = 6,022 140 76×10²³ mol⁻¹ |
| un número de cosas | cantidad de sustancia n = N / N_A |
| gramos por mol | masa molar M = m / n |
| las mismas cifras que la masa de una partícula en u | M = Aᵣ · Mᵤ, Mᵤ = 1,000 000 001 05(31) g/mol |
| mezcla de isótopos | Aᵣ(C) = Σᵢ xᵢ · Aᵣ(ⁱC) |
La cantidad de sustancia es n = N / N_A, con N_A fijada exactamente desde la redefinición del SI de 2019. La masa molar es M = Aᵣ · Mᵤ. Antes de 2019, Mᵤ valía 1 g/mol por definición. Ahora es una medida: Mᵤ = 1,000 000 001 05(31) g/mol (CODATA 2022). La diferencia, de una parte en mil millones, no se nota fuera de la metrología. Con ese valor, M(¹²C) = 12 Mᵤ ≈ 12,000 000 013 g/mol.
El peso atómico de un elemento es la media de las masas de sus isótopos, ponderada por su abundancia. Para el carbono, con las fracciones representativas del NIST, 0,9893 y 0,0107: Aᵣ(C) = 0,9893 · 12 + 0,0107 · 13,003 355 ≈ 12,0107. Como la abundancia del ¹³C varía según la muestra, la CIAAW no da un número sino un intervalo, [12,0096; 12,0116]. Para cálculos de rutina se usa el valor convencional 12,011.
Reto final
En tres frases
- Todo lo que tocas está hecho de átomos, y cada átomo son tres piezas: protones y neutrones en un núcleo diminuto que tiene casi toda la masa, y electrones alrededor.
- Los protones deciden el elemento, los neutrones el isótopo y los electrones la carga: cambiar neutrones o electrones no convierte el carbono en otra cosa.
- Las mismas piezas montadas distinto dan cosas distintas (diamante y grafito son solo carbono), y para contarlas se usa el mol, una docena gigante de 6×10²³.
Fuentes
- Átomo, núcleo, partículas y tamaños: OpenStax, Chemistry 2e, 2.2 y 2.3 (tabla 2.2, el arándano y el estadio), contrastado con OpenStax, University Physics vol. 1, 1.1. Moléculas: OpenStax, 2.4.
- Radio y densidad nuclear, y semividas: OpenStax, University Physics vol. 3, 10.1, contrastado con HyperPhysics y con TUNL, ³H y ¹⁴C. Carbono-14 en la atmósfera: OpenStax, Chemistry 2e, 21.3.
- Historia: Rutherford, Phil. Mag. 21, 669 (1911), doi:10.1080/14786440508637080; Chadwick, Nature 129, 312 (1932), doi:10.1038/129312a0.
- Constantes (CODATA 2022): mₚ/mₑ, u, Mᵤ y N_A. Definición del mol y de la carga elemental: BIPM, folleto del SI.
- Isótopos estables y abundancias: CIAAW. Pesos atómicos estándar (2024): CIAAW. Masas y fracciones representativas del carbono: NIST.
- Diamante y grafito: OpenStax, Chemistry 2e, 10.5 y UW–Madison, Chem 109, D26.1. Enlaces: OpenStax, 7.5, tabla 7.3. Energías de formación: OpenStax, apéndice G.
- El mol como docena y la masa molar: OpenStax, Chemistry 2e, 3.1.
Cómo está hecha esta lección: investigada y redactada con ayuda de Claude a partir de las fuentes de arriba, comprobadas y contrastadas con una segunda fuente entre el 13 y el 15 de octubre de 2026. Las cifras sin enlace propio son cálculos a partir de ellas. Los dibujos son propios.