Número Atómico y Número Másico
Introducción
El Número Atómico y el Número Másico son dos magnitudes fundamentales para describir la composición de un átomo. El número atómico, representado por Z, indica cuántos protones contiene su núcleo y determina a qué elemento químico pertenece.
El número másico, representado por A, indica el número total de protones y neutrones del núcleo. A partir de Z y A podemos determinar la composición de un átomo, identificar sus isótopos y calcular su número de neutrones y, conociendo su carga, también su número de electrones.
¿Qué es el Número Atómico?
El número atómico es el número de protones presentes en el núcleo de un átomo.
Se representa mediante: Z
Por tanto: Z = número de protones
Cada elemento químico posee un número atómico característico.
Ejemplos:
- H → Z = 1
- C → Z = 6
- O → Z = 8
- Na → Z = 11
- Cl → Z = 17
- Ca → Z = 20
¿Qué Representa el Número Atómico?
El número atómico determina la identidad del elemento químico.
Por ejemplo:
- Un átomo con 6 protones es carbono.
- Un átomo con 7 protones es nitrógeno.
- Un átomo con 8 protones es oxígeno.
No importa cuántos neutrones o electrones posea: mientras su núcleo contenga 8 protones, pertenece al elemento oxígeno.
Por tanto: cambiar el número de protones significa cambiar de elemento químico.
Número Atómico y Protones
La relación es directa: Z = p
donde:
- Z = número atómico.
- p = número de protones.
Ejemplo:
El aluminio tiene: Z = 13
Por tanto: 13 protones
Otro ejemplo:
Cl: Z = 17
Por tanto: 17 protones
Número Atómico y Electrones
En un átomo eléctricamente neutro:
número de protones = número de electrones
Por tanto: e = Z
Ejemplo:
Carbono neutro: Z = 6
- Protones = 6
- Electrones = 6
Esto cambia cuando el átomo forma un ion.
Número Atómico y Tabla Periódica
La Tabla Periódica moderna está ordenada por número atómico creciente.
Por ejemplo:
- H → Z = 1
- He → Z = 2
- Li → Z = 3
- Be → Z = 4
- B → Z = 5
- C → Z = 6
El número atómico permite identificar de manera inequívoca cada elemento.
¿Qué es el Número Másico?
El número másico representa el número total de protones y neutrones que contiene el núcleo de un átomo determinado.
Se representa mediante: A
Por tanto: A = protones + neutrones
A = protones + neutrones
A = Z + N
donde:
- A = número másico.
- Z = número de protones.
- N = número de neutrones.
¿Qué Representa el Número Másico?
El número másico indica el número total de partículas nucleares o nucleones.
Los nucleones son:
- Protones
- Neutrones.
Ejemplo:
Un núcleo contiene:
- 6 protones.
- 6 neutrones.
Entonces:
- A = 6 + 6
- A = 12
Se trata del carbono-12.
Cómo Calcular el Número Másico
La fórmula es: A = Z + N
Ejemplo:
Un átomo posee:
- Z = 11
- N = 12
Entonces:
A = 11 + 12
A = 23
El átomo corresponde al isótopo: sodio-23
Cómo calcular el Número de Neutrones
A partir de: A = Z + N
podemos despejar: N = A − Z
Ejemplo:
²³₁₁Na
- A = 23
- Z = 11
Entonces:
N = 23 − 11
N = 12 neutrones
Diferencia entre Número Atómico y Número Másico
| Característica | Número atómico | Número másico |
|---|---|---|
| Símbolo | Z | A |
| Representa | Protones | Protones + neutrones |
| Fórmula | Z = p | A = p + n |
| Identifica al elemento | Sí | No por sí solo |
| Puede variar entre isótopos del mismo elemento | No | Sí |
| Tipo de valor | Entero | Entero |
Representación de un Átomo
Un núclido puede representarse mediante: ᴬZX
donde:
- X = símbolo químico.
- A = número másico.
- Z = número atómico.
Por ejemplo: ²³₁₁Na
indica:
- A = 23
- Z = 11
Representación de los Iones
Cuando se trata de un ion, se añade su carga.
Por ejemplo: ²⁷₁₃Al³⁺
Podemos determinar:
- Protones = 13.
- Neutrones = 27 − 13 = 14.
- Electrones = 13 − 3 = 10.
La formación del ion no modifica Z ni A, porque implica un cambio en el número de electrones, no en el núcleo.
Cómo calcular Protones, Neutrones y Electrones
Las relaciones fundamentales son:
Protones
p = Z
Neutrones
N = A − Z
Electrones en un átomo neutro
e = Z
Para un ion debemos tener además en cuenta su carga.
Cómo Calcular los Electrones de un Ión
Catión
Ha perdido electrones.
Ejemplo: Mg²⁺
Z = 12
Electrones: 12 − 2 = 10
Anión
Ha ganado electrones.
Ejemplo: Cl⁻
Z = 17
Electrones: 17 + 1 = 18
Una forma matemática general es:
e = Z − q
si q representa la carga del ion con su signo.
Por ejemplo:
Mg²⁺ → q = +2
e = 12 − (+2) = 10
Cl⁻ → q = −1
e = 17 − (−1) = 18
Número Atómico e Isótopos
Los isótopos de un elemento poseen el mismo número atómico: mismo Z , porque tienen el mismo número de protones.
Sin embargo, poseen diferente número de neutrones.
Por tanto: diferente A
Ejemplo:
- ¹²₆C
- ¹³₆C
- ¹⁴₆C
Todos poseen: Z = 6
pero presentan: A = 12, 13 y 14.
¿Puede Cambiar el Número Atómico?
En los procesos químicos ordinarios: no.
Las reacciones químicas implican principalmente reorganizaciones de electrones y enlaces.
El núcleo permanece esencialmente inalterado.
Para cambiar Z tendría que producirse una transformación nuclear que modificase el número de protones.
Por tanto: ionización ≠ cambio de elemento, porque al formar un ion solo cambia el número de electrones.
¿Puede Cambiar el Número Másico?
Los diferentes isótopos de un elemento presentan distintos números másicos porque contienen diferentes cantidades de neutrones.
Por ejemplo:
- ¹H → A = 1
- ²H → A = 2
- ³H → A = 3
Todos son hidrógeno porque: Z = 1 , pero poseen diferentes números de neutrones.
Diferencia entre Número másico y Masa Atómica
Este apartado es fundamental porque suelen confundirse.
Número másico A
Es: protones + neutrones
Es siempre un número entero para un núclido determinado.
Ejemplo: ³⁵Cl → A = 35.
Masa atómica
Es la masa de un átomo expresada normalmente en: u
No tiene por qué coincidir exactamente con A.
Además, los valores que aparecen habitualmente en la Tabla Periódica corresponden a masas atómicas relativas o pesos atómicos estándar derivados de la composición isotópica, según el dato mostrado.
¿Por qué la Masa Atómica de la Tabla Periódica tiene Decimales?
El cloro aparece habitualmente con un valor próximo a: 35,45
Esto no significa que un átomo de cloro contenga: 35,45 nucleones.
Los átomos individuales poseen un número entero de protones y neutrones.
El valor de la Tabla Periódica refleja fundamentalmente la contribución de sus diferentes isótopos naturales y sus abundancias, según la magnitud tabulada.
Por ejemplo, el cloro natural contiene principalmente:
- ³⁵Cl
- ³⁷Cl.
Número Másico y Masa del Núcleo
Aunque A representa el número de nucleones, no significa que la masa exacta de un núcleo sea: A u
A u
La masa nuclear real está relacionada con:
- Masas de protones.
- Masas de neutrones.
- Energía de enlace nuclear.
- Defecto de masa.
Por tanto: número másico ≠ masa nuclear exacta
Para Bachillerato es suficiente mantener clara esta diferencia conceptual.
Número Atómico y Configuración Electrónica
En un átomo neutro: electrones = Z
Por eso el número atómico permite determinar cuántos electrones debemos distribuir al escribir su configuración electrónica.
Ejemplo:
Na: Z = 11
Tiene 11 electrones.
Configuración: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
Número Atómico y Propiedades Químicas
El número atómico determina cuántos protones posee el núcleo y, en un átomo neutro, también el número total de electrones.
La distribución de esos electrones determina en gran medida:
- Configuración electrónica.
- Electrones de valencia.
- Posición en la Tabla Periódica.
- Tendencias de enlace.
- Muchas propiedades químicas.
Por ello, ordenar los elementos según Z permite revelar la periodicidad de sus propiedades.
Número Atómico, Número Másico e Iones
Conviene recordar:
Cuando se forma un ion:
- Z no cambia.
- A no cambia.
Lo que cambia es: el número de electrones.
Ejemplo: ²³Na → ²³Na⁺
Antes:
- 11 p
- 12 n
- 11 e
Después:
- 11 p
- 12 n
- 10 e
El núcleo permanece igual.
Número Atómico, Número Másico e Isótopos
Cuando cambia el isótopo: Z permanece igual.
A cambia.
Porque cambia: el número de neutrones.
Ejemplo: ³⁵Cl y ³⁷Cl
Ambos: 17 protones.
Pero:
- ³⁵Cl → 18 neutrones.
- ³⁷Cl → 20 neutrones.
Cómo distinguir Elemento, Isótopo e Ion
Una síntesis muy útil:
Cambia Z
→ cambia el elemento.
Cambia el número de neutrones manteniendo Z
→ cambia el isótopo.
Cambia el número de electrones manteniendo el núcleo
→ cambia el estado de ionización.
Ejemplos de Número Atómico y Número Másico
| Especie | Z | A | Protones | Neutrones | Electrones |
|---|---|---|---|---|---|
| ¹₁H | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| ¹²₆C | 6 | 12 | 6 | 6 | 6 |
| ¹⁴₆C | 6 | 14 | 6 | 8 | 6 |
| ¹⁶₈O | 8 | 16 | 8 | 8 | 8 |
| ²³₁₁Na | 11 | 23 | 11 | 12 | 11 |
| ²³₁₁Na⁺ | 11 | 23 | 11 | 12 | 10 |
| ²⁴₁₂Mg²⁺ | 12 | 24 | 12 | 12 | 10 |
| ³⁵₁₇Cl⁻ | 17 | 35 | 17 | 18 | 18 |
Errores Frecuentes con el Número Atómico y el Número Másico
- Confundir Z con A.
- Pensar que Z representa protones + neutrones.
- Pensar que A representa únicamente los neutrones.
- Calcular los neutrones mediante A + Z.
- Utilizar la masa atómica decimal de la Tabla Periódica como A.
- Pensar que un átomo puede tener una fracción de protón o neutrón.
- Pensar que el número másico identifica por sí solo un elemento.
- Cambiar Z cuando un átomo forma un ion.
- Cambiar A al formar un ion.
- Confundir isótopos con iones.
- Pensar que todos los isótopos poseen diferente Z.
- Confundir número másico con masa atómica.
- Pensar que el valor decimal de la Tabla Periódica representa el número de nucleones de un átomo.
- Olvidar tener en cuenta la carga al calcular electrones.
- Pensar que un catión posee más electrones que protones.
- Pensar que un anión posee menos electrones que protones.
Curiosidades sobre el Número Atómico y el Número Másico
- El número atómico identifica inequívocamente un elemento químico.
- Todos los átomos de carbono poseen exactamente 6 protones.
- Un elemento puede presentar numerosos números másicos debido a sus diferentes isótopos.
- El número atómico determina el orden de los elementos en la Tabla Periódica moderna.
- El hidrógeno-1 posee A = 1 y ningún neutrón.
- Dos isótopos pueden tener prácticamente el mismo comportamiento químico y masas diferentes.
- Un ion conserva el mismo Z y el mismo A que el átomo del que procede, siempre que no ocurra una transformación nuclear.
- El número másico siempre es entero porque cuenta nucleones.
- La masa atómica tabulada puede ser decimal y no debe confundirse con A.
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Estudio Histórico del Número Atómico y Másico
El número atómico es hoy una de las magnitudes fundamentales de la química.
Se representa mediante Z y se define como el número de protones presentes en el núcleo de un átomo.
Esa definición, sin embargo, no existía cuando se construyeron las primeras tablas periódicas. El concepto actual fue el resultado de varias etapas históricas que culminaron principalmente con los trabajos de Ernest Rutherford, Antonius van den Broek y Henry Moseley a comienzos del siglo XX.
La definición moderna de la IUPAC identifica directamente el número atómico con el número de protones del núcleo.
Antes del número atómico: la masa atómica
Durante gran parte del siglo XIX no se conocían:
- los electrones
- los protones
- los neutrones
- el núcleo atómico.
Por ello, los químicos no podían ordenar los elementos según el número de protones.
Una de las propiedades más accesibles experimentalmente era su masa atómica relativa.
Esta fue utilizada para buscar regularidades entre los elementos.
Mendeleev y la Tabla Periódica
En 1869, Dmitri Mendeleev desarrolló su sistema periódico ordenando esencialmente los elementos según sus masas atómicas y, sobre todo, agrupándolos de acuerdo con sus propiedades químicas.
Observó que determinadas propiedades se repetían periódicamente.
Sin embargo, aparecía un problema importante: el orden estricto de masas atómicas no funcionaba siempre.
Mendeleev llegó a colocar algunos elementos en un orden contrario al que indicaban sus masas porque sus propiedades químicas mostraban claramente dónde debían situarse.
El problema del Telurio y el Yodo
Uno de los casos clásicos era:
- Te → masa atómica ≈ 127,60
- I → masa atómica ≈ 126,90
Si se siguiera estrictamente la masa: I debería situarse antes que Te.
Pero sus propiedades químicas exigían:
- Te → grupo de los calcógenos
- I → grupo de los halógenos.
Mendeleev mantuvo este orden químicamente correcto aunque aparentemente contradijera las masas.
Posteriormente se comprendería la razón:
- Te → Z = 52
- I → Z = 53.
Por tanto, el orden correcto depende del número atómico y no de la masa atómica. Tabla Periódica
Otros Problemas Similares
Existían otros pares conflictivos.
Por ejemplo:
Ar → Z = 18K → Z = 19 , pero la masa atómica del argón es ligeramente mayor que la del potasio.
También:
Co → Z = 27Ni → Z = 28 , aunque la masa atómica media del cobalto es ligeramente mayor que la del níquel.
Estos casos indicaban que la masa atómica no era la magnitud fundamental que determinaba la posición de un elemento.
Pero todavía se desconocía cuál era esa magnitud.
El Descubrimiento del Electrón
En 1897, J. J. Thomson demostró que los rayos catódicos estaban constituidos por partículas negativas mucho más pequeñas que los átomos:
los electrones.
El átomo dejó de considerarse indivisible.
Ahora se sabía que contenía partículas con carga eléctrica.
Esto planteó inmediatamente una cuestión:
Si el átomo contiene electrones negativos y es eléctricamente neutro, ¿dónde se encuentra la carga positiva?
La respuesta llegaría con el descubrimiento del núcleo.
Rutherford y el Núcleo Atómico
En 1911, Ernest Rutherford propuso el modelo nuclear del átomo a partir de los experimentos de dispersión de partículas alfa realizados por Geiger y Marsden.
Rutherford concluyó que:
- prácticamente toda la masa estaba concentrada en una región muy pequeña
- la carga positiva también estaba concentrada en esa región
- esa región constituía el núcleo
- los electrones se encontraban fuera del núcleo.
Por primera vez podía hablarse de una carga nuclear positiva concreta asociada a cada elemento. Premio Nobel
Este avance fue esencial para el nacimiento del concepto físico de número atómico.
Antonius van den Broek
Una figura fundamental, aunque menos conocida, fue el físico neerlandés Antonius van den Broek.
En 1911 propuso que existía una relación entre la posición de un elemento en el sistema periódico y la carga existente en su átomo. Nature
Posteriormente formuló la idea de manera mucho más clara:
el número que indicaba la posición de un elemento en la sucesión periódica debía coincidir con su carga nuclear fundamental.
De forma conceptual: posición del elemento en la tabla = carga nuclear en unidades elementales.
En 1913 expresó explícitamente que, ordenando los elementos, el número correspondiente a cada uno debía relacionarse con su carga intraatómica. Nature
Era una hipótesis extraordinariamente importante.
Pero faltaba demostrarla experimentalmente.
Eso fue lo que consiguió Henry Moseley.
Henry Moseley y el nacimiento Experimental del Número Atómico
En 1913, el físico británico Henry Gwyn Jeffreys Moseley realizó los experimentos que transformaron el número atómico de una simple posición dentro de una tabla en una magnitud física relacionada con la estructura del átomo.
Moseley trabajaba en el laboratorio de Ernest Rutherford en Manchester.
Estudió los rayos X característicos emitidos por distintos elementos cuando eran excitados mediante electrones de alta energía. RSC Education
Rayos X Característicos
Cuando un elemento recibe suficiente energía, puede producir vacantes electrónicas en capas internas.
Cuando electrones de niveles superiores descienden para ocupar esas vacantes, se emiten rayos X con energías características del elemento.
Moseley midió sus:
- longitudes de onda
- frecuencias.
Estudió numerosos elementos y encontró una regularidad extraordinariamente precisa.
Ley de Moseley
Moseley observó que la raíz cuadrada de la frecuencia de determinadas líneas características de rayos X variaba aproximadamente de forma lineal con el número atómico.
De forma simplificada: √ν ∝ Z − b
donde:
- ν = frecuencia de los rayos X;
- Z = número atómico;
- b = constante relacionada con el apantallamiento electrónico para la serie considerada.
Esta relación se conoce como: Ley de Moseley.
La relación mostraba que el número asociado a cada elemento no era simplemente una posición arbitraria en la tabla.
Correspondía a una propiedad física fundamental del átomo.
La carga Nuclear como Propiedad Fundamental
Los resultados de Moseley indicaban que cada elemento poseía una carga nuclear característica que aumentaba regularmente:
- H → 1
- He → 2
- Li → 3
- Be → 4
- B → 5
- C → 6
La carga nuclear podía expresarse aproximadamente como: +Ze
donde:
- Z = número atómico
- e = carga elemental.
Por tanto, el número atómico adquirió significado físico:
Z ↔ carga nuclear positiva expresada en unidades elementales.
Rutherford destacaría posteriormente la importancia del resultado de Moseley para establecer la relación entre número atómico y carga nuclear.
Reordenación Definitiva de la Tabla Periódica
El trabajo de Moseley permitió sustituir: orden por masa atómica
por: orden por número atómico.
La Tabla Periódica moderna quedó organizada según: Z creciente.
Por ejemplo:
- Ar → 18
- K → 19.
Aunque la masa del Ar sea ligeramente superior a la del K, ya no existe ninguna anomalía.
Lo mismo ocurre con:
- Co → 27
- Ni → 28
- Te → 52
- I → 53.
La estructura que Mendeleev había deducido a partir de las propiedades químicas encontraba ahora una explicación física. Tabla Periódica
Los Elementos que Faltaban
La regularidad de los espectros de rayos X permitió también comprobar si existían huecos reales entre los elementos conocidos.
Si aparecía:
- Z = 41
- Z = 42
- Z = 44
entonces debía existir un elemento correspondiente a: Z = 43.
El método permitía saber que faltaba un elemento aunque todavía no hubiera sido descubierto.
Los trabajos de Moseley ayudaron a establecer la existencia de huecos correspondientes, entre otros, a los números atómicos:
- 43
- 61
- 72
- 75
Estos corresponderían posteriormente a:
- 43 → tecnecio
- 61 → prometio
- 72 → hafnio
- 75 → renio.
El número atómico se convirtió así también en una herramienta para determinar cuántos elementos faltaban realmente por descubrir.
Los Isótopos confirmaron que la Masa no define al Elemento
Casi simultáneamente se produjo otro avance fundamental.
Frederick Soddy desarrolló el concepto de isótopo y en 1913 introdujo este término para describir átomos químicamente equivalentes que podían poseer diferentes masas. Premio Nobel
Por ejemplo:
- ³⁵Cl
- ³⁷Cl
son ambos cloro.
Tienen distinta masa, pero pertenecen al mismo elemento.
Esto demostraba nuevamente que: masa atómica ≠ identidad fundamental del elemento.
Ambos poseen: Z = 17
Significado de «Isótopo»
La palabra isótopo significa aproximadamente: «mismo lugar».
La razón es que diferentes isótopos ocupan el mismo lugar en la Tabla Periódica.
Por tanto: mismo Z → mismo elemento.
La masa puede variar.
Esta idea reforzó enormemente el papel fundamental del número atómico.
Aston y las Masas Isotópicas
Francis William Aston desarrolló posteriormente el espectrógrafo de masas y, desde 1919, mostró que muchos elementos estaban formados por varios isótopos.
Esto confirmó experimentalmente que un elemento podía poseer átomos con diferentes masas sin dejar de ser el mismo elemento químico.
La diferencia entre:
- número atómico
- masa atómica
quedó definitivamente establecida.
Del número de Carga al Número de Protones
En la época de Moseley todavía no existía nuestra descripción moderna completa del núcleo.
Se sabía que el número atómico estaba relacionado con la carga nuclear, pero quedaba por determinar exactamente qué partículas producían esa carga.
Rutherford y el Protón
Los experimentos nucleares de Rutherford condujeron entre 1917 y 1920 a identificar el núcleo de hidrógeno como una unidad fundamental de carga positiva.
Esta partícula recibió el nombre de: protón.
Cada protón posee carga: +e.
Por tanto, si un núcleo tiene carga: +Ze , debe contener Z unidades positivas de carga.
Esto aproximaba enormemente el concepto moderno: Z = número de protones.
Chadwick y el Neutrón
Todavía existía un problema.
La masa de los núcleos era mayor de lo que podía explicarse únicamente mediante sus protones.
En 1932, James Chadwick descubrió el neutrón.
El núcleo pasó a describirse mediante: protones + neutrones.
Como:
- protón → carga +1
- neutrón → carga 0
la carga nuclear depende exclusivamente del número de protones.
Por tanto: Z = número de protones.
Mientras que el número másico es: A = Z + N
Donde: N = número de neutrones.
Definición Moderna del Número Atómico
Actualmente, la IUPAC define el número atómico como:
el número de protones existentes en el núcleo atómico.
Se representa: Z
