¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en un átomo?

Para poder entender cómo determinar los protones, electrones y neutrones que hay en un átomo debemos saber primero cuáles son las características de éstas partículas subatómicas. Un átomo es la entidad más pequeña en que un elemento puede ser dividido sin perder sus propiedades químicas. Los átomos están formados por partículas aún más pequeñas, las partículas subatómicas, y estas son básicamente tres: los electrones, los protones y los neutrones.

Los electrones tienen carga negativa y son las partículas subatómicas más livianas que componen los átomos. La carga de los protones es positiva y los protones pesan unas 1.836 veces más que los electrones. Las únicas partículas subatómicas que no tienen carga eléctrica son los neutrones, que pesan aproximadamente lo mismo que los protones.

Los protones y neutrones se encuentran agrupados en el centro del átomo formando el núcleo atómico, mientras que los electrones se desplazan describiendo diversas órbitas alrededor del núcleo del átomo.

Cuáles son los pasos a seguir para averiguar el número de partículas subatómicas de un átomo

1. Obtener información sobre el elemento de interés

Podemos encontrar la información básica sobre un elemento en la Tabla Periódica, incluyendo la cantidad de protones y de electrones. El número de protones es igual al número atómico del elemento, representado por la letra Z, y el número de electrones es igual al número del protones. Algunas versiones de la Tabla Periódica incluyen también la composición isotópica de cada elemento, es decir aquellos átomos que tienen la misma cantidad de protones pero diferente cantidad de neutrones.

2. Cómo averiguar el número de protones

Cada elemento se define por la cantidad de protones que se encuentran en cada uno de sus átomos. No importa cuántos electrones o neutrones tenga un átomo, siempre el elemento se define por el número de protones. En particular es posible tener un átomo que conste de un solo protón: el hidrógeno ionizado. La Tabla Periódica está organizada según el número atómico creciente de los elementos, por lo que el número de protones es el número del elemento en la tabla; por ejemplo, para el hidrógeno el número de protones es 1, para el cinc el número de protones es 30.

Si se tiene la masa atómica de un isótopo, el número de protones se obtiene restando de la masa atómica el número de neutrones. Pero si se tiene el peso atómico, que es el promedio pesado con la abundancia isotópica de la masa atómica de los diferentes isótopos que componen un elemento, se pueden plantear diferentes situaciones. Veamos algunos ejemplos. Si se tiene un elemento con un peso atómico cercano a 2, la única posibilidad es que esté compuesto mayormente por un isótopo del hidrógeno, el deuterio, que tiene un neutrón en su núcleo, ya que el siguiente elemento en la Tabla Periódica, el helio, no tienen ningún isótopo que tenga protones solamente, sin ningún neutrón. Si en cambio el peso atómico es alrededor de 4 se trata de helio, cuyo isótopo mas abundante tiene 2 protones y 2 neutrones en su núcleo (aunque también tiene un isótopo estable con sólo un neutrón y masa atómica 3). Pero, qué podríamos decir si el peso atómico es alrededor de 3. En este caso podría tratarse de un elemento compuesto mayormente por el isótopo del helio que tiene sólo un neutrón en su núcleo, pero también hay un isótopo del hidrógeno que tiene dos neutrones, y por lo tanto una masa atómica de 3, aunque éste isótopo, el tritio, no es estable.

3. Cómo averiguar el número de electrones

En general el número de electrones de un átomo es igual al número de protones, y el átomo tiene entonces una carga neta nula o neutra, pero a veces el número de protones y electrones de un átomo no es el mismo, por lo que el átomo tiene una carga neta positiva o negativa y se lo denomina ion o átomo ionizado. Si conocemos la carga neta del átomo es posible determinar la cantidad de electrones restando la carga, considerando el signo de la carga, al número de protones del núcleo. Se denomina catión a un átomo con carga neta positiva y tiene más protones que electrones, mientras que un anión tiene carga neta negativa y tiene más electrones que protones. Los neutrones no tienen carga eléctrica neta, por lo que el número de neutrones del núcleo no es relevante en este cálculo.

Es importante remarcar que las reacciones químicas no cambian la cantidad de protones de un átomo, cuya cantidad determina la carga neta del átomo al perderse o ganarse electrones en las reacciones químicas que se produzcan. 

Ejemplos

Si un ion tiene una carga neta de positiva de dos unidades, como el Zn²⁺, esto significa que el número de protones excede al de electrones en dos unidades. El número atómico del cinc (Zn) es 30 entonces, aplicando la regla anterior, el número de electrones de éste átomo es 28: 30 – 2 = 28 electrones.

Si un ion tiene una carga neta negativa de una unidad, como el F^–, entonces el número de electrones excede al de protones en una unidad. El número atómico del flúor (F) es 9 entonces, aplicando la regla anterior, el número de electrones de éste átomo es 10: 9 – (-1) = 10.

4. Cómo averiguar el número de neutrones

El número de neutrones de un isótopo se calcula como su número másico menos el número de protones. Para encontrar el número de neutrones de un átomo es necesario entonces conocer su número másico. En la Tabla Periódica podemos encontrar el peso atómico de cada elemento que, como ya hemos dicho, es el promedio pesado con la abundancia isotópica de la masa atómica de los isótopos que lo componen (es por eso que se pueden encontrar en la Tabla Periódica pesos atómicos con números decimales mientras que la masa atómica es un número entero, por definirse como la suma del número de neutrones y protones del isótopo). Hay que remarcar que el número de neutrones depende del isótopo de un elemento que consideremos, por lo que no es una propiedad del elemento en sí. Por ejemplo, el isótopo mas abundante del hidrógeno es el que tiene sólo un protón y ningún neutrón, pero una pequeña fracción de los átomos de hidrógeno que encontramos en la naturaleza corresponde al isótopo que tiene un neutrón, el deuterio. La mayoría de la versiones de la Tabla Periódica no incluyen la composición isotópica de los elementos, por lo que no podemos obtener en este caso la información necesaria para determinar la cantidad de neutrones de los isótopos de un elemento, y debemos buscar específicamente la información del isótopo que estudiamos. En la práctica un isótopo se define con la cantidad de protones, correspondiente al elemento al que pertenece, y su número de neutrones.

Fuente

W.N. Cottingham, D.A. Greenwood, D.A. An introduction to nuclear physics. Cambridge University Press, 2004.