Los gases nobles



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Protones y neutrones


Una vez conocida la existencia de isótopos y de que el peso atómico representa un promedio, ahora podemos ver por qué el argón parecía estar fuera de lugar en la tabla periódica en lo que se refiere a pesos atómicos.

Consideremos el argón y el potasio (los dos reos) en detalle. El número atómico del argón es 18 y el del potasio, 19, de manera que el argón está colocado delante del potasio como es lo adecuado, si los dos han de ocupar la apropiada columna de valencia.

El argón se presenta en la naturaleza como una mezcla de tres isótopos con números masa de 36, 38 y 40; el potasio se presenta en la naturaleza como una mezcla de tres isótopos con números masa de 39, 40 y 41. Aunque los números masa de los dos grupos de isótopos se superponen, el argón, con un número atómico inferior, tiene dos isótopos con un número masa menor que ninguno de los isótopos del potasio. El potasio, con un número atómico más elevado, tiene un isótopo con un número masa más alto que cualquiera de los isótopos del argón.

La distribución de los isótopos es la que resulta curiosa. En el caso del argón, los isótopos ligeros, argón-36 y argón-38, se presentan en el gas únicamente en pequeña proporción, y el argón-40 integra el 99,60% de todos los átomos de argón. Así, el más pesado de los isótopos de argón contribuye de manera preponderante al peso atómico, que viene a ser cerca de 40.

En el caso del potasio, son los isótopos pesados los que escasean, y el isótopo más ligero, potasio-39, integra el 93,08% de todos los átomos de potasio, de modo que el peso atómico viene a ser de 39,1. Resumiendo, el argón es el de carga más pesada, por así decirlo, en su terminal pesado, y el potasio en su terminal ligero. En consecuencia, el peso atómico del argón es más elevado de lo que cabía esperar por su lista de isótopos y el peso atómico del potasio es inferior. Esta misma situación explica también la inversión del peso atómico en el caso de las parejas cobalto-níquel y telurio-yodo.

Pero ahora surge otra pregunta. Si hay un isótopo, argón-40, y otro isótopo, potasio-40, ¿de qué modo son diferentes? Si ambos tienen el mismo número masa, ¿entonces cómo difieren en su número atómico?

La respuesta a estas preguntas no quedaron resueltas en su forma actual hasta la década de los treinta. Ahora se sabe que el núcleo atómico está formado por diminutas partículas llamadas nucleones. Éstos se presentan en dos variedades: protones (Rutherford les dio este nombre en 1920) y neutrones, descubiertos en 1932 por el físico inglés James Chadwick (nacido en 1891).

El protón y el neutrón son muy parecidos. Ambos, por ejemplo, poseen un número másico poco más o menos de 1. La diferencia principal es que el protón lleva una unidad de carga positiva, +1, mientras que el neutrón no lleva carga eléctrica alguna.

Por consiguiente, la carga positiva de un núcleo atómico debe ser igual al número de protones que contiene. Si un núcleo contiene 2 protones, su carga es de +2.

Recíprocamente, si su carga es de +15, sabemos que debe contener 15 protones.

Puesto que todos los átomos de un elemento conocido tienen el mismo número atómico, y dado que este número atómico representa el tamaño de la carga positiva en el núcleo atómico, resulta que todos los átomos de un elemento determinado poseen el mismo número de protones en su núcleo. El argón tiene un número atómico de 18 y, por consiguiente, cada átomo de argón, de cualquier isótopo, contiene 18 protones en su núcleo.

El número másico de un núcleo atómico particular depende no sólo del número de protones que contiene, sino también del número de neutrones, ya que los neutrones (incluso aunque estén descargados y no contribuyan al número atómico) son tan pesados como los protones y contribuyen en idéntica proporción al número másico.

Consideremos, por ejemplo, el argón-36. El núcleo de un átomo de argón-36 debe contener 18 protones, puesto que el número atómico es 18. No obstante, debe contener también 18 neutrones; por tanto, el número masa total es de 18 protones más 18 neutrones, o sea, 36. El número masa de un átomo es igual al número total de nucleones en su núcleo. Por la misma línea de razonamiento, entonces el argón-38 debe tener núcleos de 18 protones y 20 neutrones; mientras que el argón-40 debe tener núcleos de 18 protones y 22 neutrones.

El mismo principio es aplicable a todos los demás elementos. El número atómico del potasio es 19; en consecuencia, todos los átomos de potasio tienen que contener 19 protones en sus núcleos. El potasio-40 debe estar formado por 19 protones y 21 neutrones.

En resumen, tanto el argón-40 como el potasio-40 contienen 40 nucleones en sus núcleos; pero, en el caso del argón, la división es de 18 protones y 22 neutrones, y en el potasio, 19 protones y 21 neutrones.

En las tablas 15 y 16, se exponen los diversos isótopos de gases nobles relacionados según su incidencia natural, junto con el protón-neutrón que forma sus núcleos.



Tabla 15. Estructura nuclear de Isótopos de Helio, Neón y Argón

Isótopo

Número de protones
(número atómico)


Número de
neutrones


Número de nucleones
(número másico)


Helio-3
Helio-4

2
2

1
2

3
4

Neón-20
Neón-21
Neón-22

10
10
10

10
11
12

20
21
22

Argón-36
Argón-38
Argón-40

18
18
18

18
20
22

36
38
40

Una vez que los científicos llegaron a comprender la estructura de los núcleos atómicos, la hipótesis de Prout (véase pág. 14) apareció con una nueva luz. El hidrógeno contiene dos isótopos: hidrógeno-1, que es muy corriente, e hidrógeno-2, que escasea bastante. El número atómico del hidrógeno es 1, de modo que ambos isótopos deben tener núcleos atómicos con sólo un protón. Puesto que el hidrógeno-1 tiene un número masa de 1, el núcleo de átomos de hidrógeno-1 debe contener sólo un protón, y ningún neutrón. Por consiguiente, podemos considerar el protón como un núcleo de hidrógeno-1.

Tabla 16. Estructura nuclear de Isótopos de Criptón, Xenón y Radón

Isótopo

Número de protones
(número atómico)


Número de neutrones

Número de nucleones
(número másico)


Criptón-78
Criptón-80
Criptón-82
Criptón-83
Criptón-84
Criptón-86

36
36
36
36
36
36

42
44
46
47
48
50

78
80
82
83
84
86

Xenón-124
Xenón-126
Xenón-128
Xenón-129
Xenón-130
Xenón-131
Xenón-132
Xenón-134
Xenón-136

54
54
54
54
54
54
54
54
54

70
72
74
75
76
77
78
80
82

124
126
128
129
130
131
132
134
136

Radón-219
Radón-220
Radón-222

86
86
86

133
134
136

219
220
222

Los isótopos de los diversos elementos tienen núcleos que están formados enteramente por protones y de los muy similares neutrones. En cierto modo, entonces, los diversos isótopos están formados por núcleos de hidrógeno, y la sugerencia de Prout acerca de que todos los elementos están formados por hidrógeno por lo menos seguía la pista adecuada.

Así pues, cada isótopo tiene un número masa que es, en realidad, un múltiplo del hidrógeno, y que, por tanto, puede ser expresado como un número entero4.

Que los pesos atómicos de los propios elementos sean con frecuencia números enteros o casi enteros (un hallazgo que orientó, en primer lugar, a Prout hacia su hipótesis) se mantiene porque muchos elementos consisten en átomos de un solo isótopo —como sucede con el flúor, por ejemplo, todos los átomos del cual son flúor-19— o consisten en un número de isótopos con uno de ellos que predomina sobre los demás, como en el caso del helio y el argón (véase tabla 12). Que algunos elementos tengan pesos atómicos que no son números enteros no significa, al fin y al cabo, que la hipótesis de Prout estuviera equivocada, sino que aquellos elementos están compuestos por una más o menos uniforme mezcla de dos o más isótopos diferentes.

El cuidadoso trabajo de Rayleigh para determinar el peso atómico del oxígeno y del hidrógeno (véase pág. 15) fue inútil en lo que se refiere a sus propósitos primarios de comprobar la hipótesis de Prout. Debido a que condujo por casualidad al descubrimiento de los gases nobles, por esta misma razón continúa siendo uno de los hitos culminantes de la química del siglo xix, y merecidamente hizo acreedor a Rayleigh de un Premio Nobel.




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