Química · 3.º añoLaboratorio de átomos
¿Qué tiene el litio de tu celular que no tenga el neón de un cartel?
Están en la misma fila de la tabla periódica y el neón tiene apenas siete protones más. Sin embargo, el litio, que se saca de los salares de la Puna, suelta un electrón con muchísima facilidad: por eso sirve para las baterías. El neón no se combina con casi nada; en un tubo con electricidad, solo brilla. La diferencia está adentro del átomo, en cómo se acomodan los electrones.
1s2 2s1
1s2 2s2 2p6
Estas dos líneas explican la diferencia. Hoy parecen jeroglíficos; en un rato las vas a escribir vos.
- Contar protones, neutrones y electrones, también en isótopos e iones
- Escribir configuraciones con la regla de las diagonales
- Ubicar un elemento en la tabla mirando sus electrones
Adentro del átomo: tres partículas y dos números
Todo lo que tocás —el mate, la bombilla, el aire, tu mano— está hecho de átomos. Y todos los átomos están armados con las mismas tres piezas.
Protón · p+
Carga +1. Vive en el núcleo. Masa relativa: 1.
Neutrón · n0
Sin carga. También en el núcleo. Masa relativa: 1.
Electrón · e−
Carga −1. Se mueve alrededor del núcleo, en niveles. Su masa es unas 1836 veces menor que la del protón: casi nada.
El núcleo es diminuto: si el átomo fuera una cancha de fútbol, el núcleo sería una cabeza de alfiler en el círculo central. Pero ahí está casi toda la masa. El resto es el espacio donde andan los electrones.
Z y A: el DNI y la cuenta del núcleo
Z · número atómico
Es la cantidad de protones. Funciona como el DNI del elemento: todo átomo con 6 protones es carbono; si tuviera 7, sería nitrógeno.
A · número másico
Es la suma de protones + neutrones: cuenta las partículas pesadas, las del núcleo.
neutrones = A − Z
átomo neutro: electrones = Z las cargas + y − se compensan
2311Na
- A = 23 arriba: protones + neutrones
- Z = 11 abajo: protones
Ejemplo resuelto · cloro-37 (Z = 17)
- ¿Protones? Los dice Z: 17.
- ¿Neutrones? A − Z = 37 − 17 = 20.
- ¿Electrones? Si el átomo es neutro, tantos como protones: 17.
«Cloro-37» es otra forma de escribir 3717Cl: el número que acompaña al nombre es A.
Error típico · confundir Z con A
Z dice quién es; A dice cuántas partículas hay en el núcleo. Truco: en la notación, el número de arriba (A) es siempre el más grande, porque suma protones y neutrones (solo en el hidrógeno común A y Z valen 1). Y ojo: A no es la masa con coma que trae la tabla (35,45 en el cloro); esa es un promedio entre isótopos.
Isótopos: el mismo elemento, otro núcleo
Todos los átomos de un elemento tienen la misma cantidad de protones, pero pueden tener distinta cantidad de neutrones. Esas versiones se llaman isótopos: mismo Z, distinto A.
Casi el 99 % del carbono es carbono-12. El carbono-14 es radiactivo y sirve para calcular la edad de restos antiguos. En el cloro conviven el cloro-35 y el cloro-37 (más o menos tres de cada cuatro átomos son cloro-35): por eso la masa del cloro en la tabla da 35,45 y no un número entero.
Iones: cuando cambian los electrones
En las reacciones químicas, el núcleo no se toca: los átomos solo ganan, pierden o comparten electrones. Si un átomo gana o pierde electrones, sus cargas dejan de compensarse y se convierte en un ion.
pierde 1 e−
Catión (ion positivo): perdió electrones. Carga: 11 − 10 = +1.
gana 1 e−
Anión (ion negativo): ganó electrones. Carga: 17 − 18 = −1.
catión: electrones = Z − carga Mg2+: 12 − 2 = 10
anión: electrones = Z + carga O2−: 8 + 2 = 10
Error típico · tocar los protones
En un ion cambian los electrones, nunca los protones: si cambiaran los protones, cambiaría Z… y sería otro elemento. Y no te confundas con el signo: Na+ no ganó nada positivo; quedó positivo porque perdió un electrón, que es negativo.
Laboratorio 1 · Mesa de partículas
¿Qué cambia si tocás cada partícula?
Sumá o sacá protones, neutrones y electrones, y mirá qué cambia: el elemento, el isótopo o la carga. Después, probá las misiones.
Misiones
Elegí una misión: te vamos diciendo si vas bien.
Mesa de partículas · lo que tenés que ver
- Si cambian los protones, cambia el elemento (6 protones: carbono; 7: nitrógeno).
- Si cambian los neutrones, cambia el isótopo (carbono-12, carbono-13, carbono-14).
- Si cambian los electrones, aparece un ion: Li+ tiene 3 protones, 4 neutrones (litio-7) y 2 electrones; O2− tiene 8 protones, 8 neutrones (oxígeno-16) y 10 electrones.
Pisos, casillas y diagonales: dónde va cada electrón
Los electrones no andan de cualquier manera: se ubican en niveles de energía, como los pisos de un edificio. El nivel 1 es el más cercano al núcleo y el de menor energía; después vienen el 2, el 3, el 4… Y hay una regla de oro: los electrones ocupan primero los lugares de menor energía.
Cada piso tiene sus departamentos: los subniveles
Cada nivel se divide en subniveles, que se nombran con letras: s, p, d y f. El nivel 1 tiene solo s; el 2, s y p; el 3, s, p y d; el 4, los cuatro. Cada subnivel tiene casillas (los orbitales) donde entran 2 electrones como máximo.
s
1 casilla · 2 e−
p
3 casillas · 6 e−
d
5 casillas · 10 e−
f
7 casillas · 14 e−
Por eso cada nivel admite como máximo 2n2 electrones: 2 en el primero, 8 en el segundo, 18 en el tercero y 32 en el cuarto.
- 3 el nivel (el piso)
- p el subnivel (el tipo de departamento)
- 5 cuántos electrones hay ahí (en un p, como mucho 6)
La sorpresa: el 4s tiene menos energía que el 3d
Si los pisos se llenaran en orden, después del 3p vendría el 3d. Pero no: los subniveles de pisos vecinos se mezclan. El 4s queda por debajo del 3d en la escalera de energía, así que se llena antes. Mirá dónde termina el electrón 19 del potasio:
La regla de las diagonales (diagrama de Moeller)
Para no memorizar el orden, se usa este diagrama: escribís los subniveles en filas, una por nivel, y los recorrés siguiendo las flechas diagonales, de arriba hacia abajo, una flecha después de la otra.
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p
¿Por qué funcionan las diagonales?
Sumá el número del nivel y un valor para cada letra (s = 0, p = 1, d = 2, f = 3). Todos los subniveles de una misma diagonal dan lo mismo: 3d → 3 + 2 = 5; 4p → 4 + 1 = 5; 5s → 5 + 0 = 5. Se llenan primero las sumas más chicas, y si empatan, primero el de nivel más bajo. El 4s suma 4 y el 3d suma 5: por eso el 4s le gana.
Escribir una configuración, paso a paso
- Fijate cuántos electrones hay (en un átomo neutro, son Z).
- Recorré las diagonales y llená cada subnivel hasta su máximo.
- El último subnivel se queda con los que sobran.
- Controlá: la suma de los superíndices tiene que dar el total.
Oxígeno · Z = 8
1s2 2s2 2p4
Con 1s2 y 2s2 llevás 4. Faltan 4: van al 2p, que admite hasta 6. Control: 2 + 2 + 4 = 8.
Potasio · Z = 19
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1
Con 3p6 llegás a 18. ¿El electrón 19 va al 3d? No: después del 3p, la diagonal sigue en el 4s. Control: 18 + 1 = 19.
Hierro · Z = 26
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
241012182026
Con 4s2 llevás 20; los 6 que faltan entran en el 3d. Aunque 3d es lo último que escribís, el nivel más alto del hierro es el 4.
La versión corta: el gas noble entre corchetes
Las configuraciones largas se resumen con el gas noble anterior, que representa todos los niveles completos de adentro: [Ne] equivale a 1s2 2s2 2p6 y [Ar], a 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6.
- Na = [Ne] 3s1
- K = [Ar] 4s1
- Fe = [Ar] 4s2 3d6
Tres errores para esquivar
- Llenar el 3d antes que el 4s. Después del 3p, la diagonal te lleva al 4s.
- Superíndices que no suman el total. Siempre controlá la suma; si da de más o de menos, revisá el último subnivel.
- Pasarte de la capacidad. Un s admite 2; un p, 6; un d, 10; un f, 14. Un «2p8» no existe.
Constructor de átomos: armalos electrón por electrón
Elegí un número atómico y mirá cómo entran los electrones, de a uno, siguiendo las diagonales. Al mismo tiempo se escribe la configuración, se cuentan los electrones del último nivel y el elemento se ilumina en la tabla. Probá estas tres paradas:
- De 10 a 11. El electrón 11 estrena el nivel 3 y empieza otra fila de la tabla.
- De 18 a 19. ¿4s o 3d? Mirá qué casilla se enciende.
- De 20 a 21. Recién ahora se ocupa el 3d: aparecen los metales de transición, en el medio de la tabla.
Laboratorio 2 · Constructor de átomos
Litio
3 protones · 3 electrones
Metal alcalino
Cada protón que sumás trae su electrón: el átomo sigue neutro.
Configuración electrónica
- Nivel más alto
- Electrones de valencia
- Bloque
- Grupo
- Lewis
Los anillos del constructor son un modelo para contar electrones por nivel. En el modelo actual del átomo, los electrones no giran en órbitas fijas como planetas: ocupan zonas llamadas orbitales, donde es más probable encontrarlos.
Tabla de referencia: configuraciones del 1 al 36
| Z | Elemento | Configuración (versión corta) | Período | Grupo | Valencia |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | H Hidrógeno | 1s1 | 1 | 1 (IA) | 1 |
| 2 | He Helio | 1s2 | 1 | 18 (VIIIA) | 2 |
| 3 | Li Litio | [He] 2s1 | 2 | 1 (IA) | 1 |
| 4 | Be Berilio | [He] 2s2 | 2 | 2 (IIA) | 2 |
| 5 | B Boro | [He] 2s2 2p1 | 2 | 13 (IIIA) | 3 |
| 6 | C Carbono | [He] 2s2 2p2 | 2 | 14 (IVA) | 4 |
| 7 | N Nitrógeno | [He] 2s2 2p3 | 2 | 15 (VA) | 5 |
| 8 | O Oxígeno | [He] 2s2 2p4 | 2 | 16 (VIA) | 6 |
| 9 | F Flúor | [He] 2s2 2p5 | 2 | 17 (VIIA) | 7 |
| 10 | Ne Neón | [He] 2s2 2p6 | 2 | 18 (VIIIA) | 8 |
| 11 | Na Sodio | [Ne] 3s1 | 3 | 1 (IA) | 1 |
| 12 | Mg Magnesio | [Ne] 3s2 | 3 | 2 (IIA) | 2 |
| 13 | Al Aluminio | [Ne] 3s2 3p1 | 3 | 13 (IIIA) | 3 |
| 14 | Si Silicio | [Ne] 3s2 3p2 | 3 | 14 (IVA) | 4 |
| 15 | P Fósforo | [Ne] 3s2 3p3 | 3 | 15 (VA) | 5 |
| 16 | S Azufre | [Ne] 3s2 3p4 | 3 | 16 (VIA) | 6 |
| 17 | Cl Cloro | [Ne] 3s2 3p5 | 3 | 17 (VIIA) | 7 |
| 18 | Ar Argón | [Ne] 3s2 3p6 | 3 | 18 (VIIIA) | 8 |
| 19 | K Potasio | [Ar] 4s1 | 4 | 1 (IA) | 1 |
| 20 | Ca Calcio | [Ar] 4s2 | 4 | 2 (IIA) | 2 |
| 21 | Sc Escandio | [Ar] 4s2 3d1 | 4 | 3 | — |
| 22 | Ti Titanio | [Ar] 4s2 3d2 | 4 | 4 | — |
| 23 | V Vanadio | [Ar] 4s2 3d3 | 4 | 5 | — |
| 24 | Cr Cromo | [Ar] 4s1 3d5* | 4 | 6 | — |
| 25 | Mn Manganeso | [Ar] 4s2 3d5 | 4 | 7 | — |
| 26 | Fe Hierro | [Ar] 4s2 3d6 | 4 | 8 | — |
| 27 | Co Cobalto | [Ar] 4s2 3d7 | 4 | 9 | — |
| 28 | Ni Níquel | [Ar] 4s2 3d8 | 4 | 10 | — |
| 29 | Cu Cobre | [Ar] 4s1 3d10* | 4 | 11 | — |
| 30 | Zn Zinc | [Ar] 4s2 3d10 | 4 | 12 | — |
| 31 | Ga Galio | [Ar] 4s2 3d10 4p1 | 4 | 13 (IIIA) | 3 |
| 32 | Ge Germanio | [Ar] 4s2 3d10 4p2 | 4 | 14 (IVA) | 4 |
| 33 | As Arsénico | [Ar] 4s2 3d10 4p3 | 4 | 15 (VA) | 5 |
| 34 | Se Selenio | [Ar] 4s2 3d10 4p4 | 4 | 16 (VIA) | 6 |
| 35 | Br Bromo | [Ar] 4s2 3d10 4p5 | 4 | 17 (VIIA) | 7 |
| 36 | Kr Criptón | [Ar] 4s2 3d10 4p6 | 4 | 18 (VIIIA) | 8 |
* El cromo y el cobre son excepciones: la regla de las diagonales predice [Ar] 4s2 3d4 y [Ar] 4s2 3d9, pero en la realidad un electrón del 4s pasa al 3d. «Valencia» se indica solo para los elementos representativos (bloques s y p).
La última capa manda: valencia, Lewis y gases nobles
Cuando dos átomos se encuentran, los núcleos ni se rozan: lo que se pone en juego son los electrones de afuera. Los electrones del último nivel (el de número más alto) se llaman electrones de valencia, y deciden cómo se comporta el elemento.
Ejemplo resuelto · cloro (Z = 17)
1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
El nivel más alto es el 3. En el nivel 3 hay 3s2 y 3p5: 2 + 5 = 7 electrones de valencia.
Error típico · contar solo el último subnivel
En el cloro, 3p5 da 5, pero la valencia es todo el nivel 3: 3s2 + 3p5 = 7. Y al revés: en el hierro ([Ar] 4s2 3d6) lo último que se escribe es el 3d, pero el nivel más alto es el 4.
La notación de Lewis: la valencia a la vista
Se escribe el símbolo del elemento y, alrededor, un punto por cada electrón de valencia. Los primeros cuatro van de a uno por lado; desde el quinto se forman pares. Así queda el período 3 completo:
Grupo 1 IA
Grupo 2 IIA
Grupo 13 IIIA
Grupo 14 IVA
Grupo 15 VA
Grupo 16 VIA
Grupo 17 VIIA
Grupo 18 VIIIA
En muchas tablas los grupos de los representativos se numeran de IA a VIIIA: ese número coincide con los electrones de valencia.
Por qué los gases nobles casi no reaccionan
Helio, neón, argón, criptón… tienen el último nivel completo: 8 electrones (ns2 np6), o 2 en el caso del helio (1s2). Esa configuración es muy estable: sacarles o agregarles un electrón cuesta muchísima energía, y por eso casi no forman compuestos.
Los demás elementos tienden a quedar como el gas noble más cercano (es la regla del octeto): los metales, con pocos electrones de valencia, los pierden; los no metales, con muchos, ganan los que les faltan.
- Na · 2, 8, 1pierde 1Na+ · 2, 8como el neón
- Cl · 2, 8, 7gana 1Cl− · 2, 8, 8como el argón
Caso resuelto · litio contra neón
3Li1s2 2s1
Tiene un solo electrón en el nivel 2, muy lejos de completar ocho. Le conviene perderlo: queda Li+, con la configuración del helio. Ese ion, chiquito y liviano, es el que viaja de un lado al otro dentro de la batería de tu celular cada vez que la cargás y la usás.
10Ne1s2 2s2 2p6
Tiene el nivel 2 completo, con ocho. No le conviene ganar ni perder nada: casi no reacciona. En un tubo, la electricidad les da energía a sus electrones y, cuando vuelven a su lugar, sueltan esa luz rojo anaranjada de los carteles.
¿Y qué pasa cuando estos átomos se encuentran? Eso lo ves en la clase «Uniones químicas: de los electrones a los enlaces» (3.º año): ceder, ganar o compartir electrones.
La tabla periódica, leída desde adentro
La tabla ordena los elementos por Z, de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo. Pero su forma no es caprichosa: cada fila y cada columna salen de la configuración electrónica.
Período = fila
Es el nivel más alto con electrones. El sodio ([Ne] 3s1) está en el período 3; el hierro ([Ar] 4s2 3d6), en el 4. Cada vez que se estrena un nivel, empieza una fila nueva.
Grupo = columna
En los elementos representativos, los de un mismo grupo tienen los mismos electrones de valencia, y por eso se parecen: litio, sodio y potasio tienen un solo electrón en el último nivel y los tres reaccionan con el agua. Con 1 o 2 electrones de valencia, grupos 1 y 2; con 3 a 8, grupos 13 a 18 (sumale 10).
Error típico · período y grupo cruzados
El período es la fila: cuántos pisos tiene el átomo. El grupo es la columna: cuántos electrones hay en el último piso. Fósforo, [Ne] 3s2 3p3: período 3 (nivel 3) y grupo 15 (5 de valencia). No al revés.
Bloques: por qué la tabla tiene esa forma
El bloque es el tipo de subnivel donde entró el último electrón. Mirá la misma tabla de dos maneras:
Contá las columnas de cada bloque: 2, 6, 10 y 14. ¡Son las capacidades de los subniveles s, p, d y f! Por eso la tabla tiene esa forma escalonada. Un detalle: el helio es 1s2, del bloque s, pero se ubica con los gases nobles porque tiene su único nivel completo.
Casi 8 de cada 10 elementos son metales: ocupan la izquierda y el centro, y tienden a perder electrones. Los no metales están arriba a la derecha y tienden a ganarlos. Entre unos y otros, los metaloides (boro, silicio, germanio, arsénico…) forman una frontera en diagonal. En la última columna, los gases nobles. El hidrógeno va en el grupo 1 por su configuración (1s1), pero es un no metal. La frontera exacta varía un poco de una tabla a otra.
Extra: ¿quién es más grande?
El radio atómico también se lee en la tabla. Bajando por un grupo, crece: cada elemento estrena un nivel más, como un edificio con un piso extra. A lo largo de un período, se achica: los electrones nuevos van al mismo nivel, pero el núcleo tiene cada vez más protones y los atrae con más fuerza.
Taller: doce desafíos con pistas
Cada respuesta equivocada te devuelve una pista sobre ese error. Probá de nuevo antes de mirar las soluciones, que están al final de la clase.
Resueltos: 0 de 12
1Un átomo de hierro-56 tiene Z = 26. ¿Cuántos neutrones tiene?
2El azufre tiene Z = 16. ¿Cuántos electrones tiene el ion sulfuro, S2−?
3¿Cuál de estos pares son isótopos?
4Tocá estos subniveles en el orden en que se llenan.
Tu orden: —
5Completá la configuración del azufre (Z = 16).
1s2 2s2 2p6 3s2 3p
6Lucas escribió así la configuración del potasio (Z = 19): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1. ¿Qué le corregirías?
7¿De qué elemento es esta configuración? 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5
8El fósforo (Z = 15) tiene la configuración 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3. ¿Dónde está en la tabla?
9¿Cuál es la notación de Lewis del oxígeno (Z = 8)?
10Clasificá cada elemento. Pista: mirá sus electrones de valencia.
Mg [Ne] 3s2
Cl [Ne] 3s2 3p5
Ar [Ne] 3s2 3p6
K [Ar] 4s1
S [Ne] 3s2 3p4
Ne [He] 2s2 2p6
11¿Verdadero o falso? «Aunque tiene menos protones, el sodio (Z = 11) es más grande que el cloro (Z = 17)».
¿Por qué?
12Desafío final Un ion X2+ tiene 18 electrones. Descubrí quién es X.
Para explicarlo sin mirar
Toda la clase entra en una cadena. Si podés recorrerla con un elemento cualquiera, lo entendiste:
- Zcantidad de protones: quién es
- Electronesen un átomo neutro, Z; en un ion, sumás o restás la carga
- Configuraciónpor las diagonales, controlando la suma
- Período y gruponivel más alto → fila; electrones de valencia → columna
- Comportamientopocos de valencia: metal que pierde; muchos: no metal que gana; nivel completo: gas noble
Respondé sin mirar
- ¿Qué número define qué elemento es un átomo, y qué cuenta?
- Un átomo de oxígeno gana dos electrones. ¿Sigue siendo oxígeno? ¿Cómo se escribe y cuántos electrones tiene?
- ¿Por qué el electrón 19 del potasio va al 4s y no al 3d?
- Mirando la configuración de un elemento representativo, ¿cómo sabés su período y su grupo?
- ¿Por qué el litio pierde un electrón con tanta facilidad y el neón casi no reacciona?
Bonus: los íconos de las secciones fueron H, He, Li, Be, B, C y N. ¿Cuál sería el de una octava sección, y cuál su configuración?
Para seguir: en «Uniones químicas: de los electrones a los enlaces» (3.º año) los electrones de valencia arman enlaces, y en «Nomenclatura inorgánica» (4.º año) se convierten en números de oxidación.
Respuestas del taller y de las preguntas
Taller
- 30 neutrones (56 − 26).
- 18 electrones (16 + 2).
- 126C y 146C: mismo Z, distinto número de neutrones.
- 3p → 4s → 3d → 4p.
- 3p4 (2 + 2 + 6 + 2 + 4 = 16).
- El electrón 19 va en el 4s: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1.
- Bromo (Z = 35).
- Período 3, grupo 15.
- O con 6 puntos: dos pares y dos solitarios.
- Metales: Mg y K. No metales: Cl y S. Gases nobles: Ar y Ne.
- Verdadero: el cloro tiene más protones y atrae con más fuerza a los electrones del mismo nivel.
- X es el calcio, Ca (20 protones): período 4, grupo 2. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
Preguntas para explicar
- Z, el número atómico: cuenta los protones.
- Sí, sigue siendo oxígeno (8 protones). Es el ion O2−, con 10 electrones.
- Porque el 4s tiene menos energía que el 3d: en la regla de las diagonales viene antes (4 + 0 = 4 contra 3 + 2 = 5).
- Período: el nivel más alto. Grupo: los electrones de valencia (1 y 2 → grupos 1 y 2; de 3 a 8 → grupos 13 a 18).
- El litio tiene un solo electrón en el último nivel y le conviene perderlo (Li+). El neón tiene el nivel 2 completo con 8: es muy estable.
Bonus: oxígeno, O (Z = 8): 1s2 2s2 2p4.