Número atómico

El número atómico o número de carga nuclear (símbolo Z) de un elemento químico es el número de carga de un núcleo atómico. Para núcleos ordinarios, esto es igual al número de protones (n _p) o el número de protones que se encuentran en el núcleo para cada átomo de ese elemento. El número atómico se puede utilizar para identificar de forma única los elementos químicos ordinarios. En un átomo ordinario sin carga, el número atómico también es igual al número de electrones.

Para un átomo ordinario, la suma del número atómico Z y el número de neutrones N da el número de masa atómica A para el átomo. Dado que los protones y los neutrones tienen aproximadamente la misma masa (y la masa de los electrones es insignificante para muchos propósitos) y el defecto de masa de la unión del nucleón siempre es pequeño en comparación con la masa del nucleón, la masa atómica de cualquier átomo, cuando se expresa en unificado unidades de masa atómica (haciendo una cantidad llamada "masa isotópica relativa"), está dentro del 1% del número entero A.

Los átomos con el mismo número atómico pero diferente número de neutrones y, por lo tanto, diferente número de masa, se conocen como isótopos. Un poco más de las tres cuartas partes de los elementos naturales existen como una mezcla de isótopos (ver elementos monoisotópicos), y la masa isotópica promedio de una mezcla isotópica para un elemento (llamada masa atómica relativa) en un entorno definido en la Tierra, determina el peso atómico estándar del elemento. Históricamente, fueron estos pesos atómicos de los elementos (en comparación con el hidrógeno) las cantidades medibles por los químicos en el siglo XIX.

El símbolo convencional Z proviene de la palabra alemana Z ahl 'número', que, antes de la síntesis moderna de ideas de la química y la física, simplemente denotaba el lugar numérico de un elemento en la tabla periódica, cuyo orden era entonces aproximadamente, pero no completamente, consistente. con el orden de los elementos por pesos atómicos. Solo después de 1915, con la sugerencia y evidencia de que este número Z era también la carga nuclear y una característica física de los átomos, la palabra Atom z ahl (y su número atómico equivalente en inglés) se volvió de uso común en este contexto.

Historia

La tabla periódica y un número natural para cada elemento.

Hablando en términos generales, la existencia o construcción de una tabla periódica de elementos crea un orden de los elementos, por lo que pueden numerarse en orden.

Dmitri Mendeleev afirmó que ordenó sus primeras tablas periódicas (publicadas por primera vez el 6 de marzo de 1869) en orden de peso atómico ("Atomgewicht"). Sin embargo, teniendo en cuenta las propiedades químicas observadas de los elementos, cambió ligeramente el orden y colocó el telurio (peso atómico 127,6) por delante del yodo (peso atómico 126,9). Esta ubicación es consistente con la práctica moderna de ordenar los elementos por número de protones, Z, pero ese número no se conocía ni se sospechaba en ese momento.

Sin embargo, una numeración simple basada en la posición de la tabla periódica nunca fue del todo satisfactoria. Además del caso del yodo y el telurio, más tarde se supo que varios otros pares de elementos (como el argón y el potasio, el cobalto y el níquel) tenían pesos atómicos casi idénticos o invertidos, lo que requería que su ubicación en la tabla periódica estuviera determinada por su composición química. propiedades. Sin embargo, la identificación gradual de más y más elementos lantánidos químicamente similares, cuyo número atómico no era obvio, llevó a la inconsistencia e incertidumbre en la numeración periódica de los elementos al menos desde el lutecio (elemento 71) en adelante (el hafnio no se conocía en ese momento).

El modelo de Rutherford-Bohr y van den Broek

En 1911, Ernest Rutherford dio un modelo del átomo en el que un núcleo central contenía la mayor parte de la masa del átomo y una carga positiva que, en unidades de carga del electrón, sería aproximadamente igual a la mitad del peso atómico del átomo, expresado en número de átomos de hidrógeno. Esta carga central sería así aproximadamente la mitad del peso atómico (aunque era casi un 25% diferente del número atómico del oro (Z = 79, A = 197), el único elemento del que Rutherford hizo su suposición). Sin embargo, a pesar de la estimación de Rutherford de que el oro tenía una carga central de alrededor de 100 (pero era el elemento Z = 79en la tabla periódica), un mes después de que apareciera el artículo de Rutherford, Antonius van den Broek sugirió formalmente por primera vez que la carga central y el número de electrones en un átomo era exactamente igual a su lugar en la tabla periódica (también conocido como número de elemento, número atómico, y simbolizado Z). Este resultó ser finalmente el caso.

Experimento de Moseley de 1913

La posición experimental mejoró dramáticamente después de la investigación de Henry Moseley en 1913. Moseley, después de discusiones con Bohr que estaba en el mismo laboratorio (y que había usado la hipótesis de Van den Broek en su modelo del átomo de Bohr), decidió probar la hipótesis de Van den Broek y La hipótesis de Bohr directamente, al ver si las líneas espectrales emitidas por los átomos excitados se ajustaban a la postulación de la teoría de Bohr de que la frecuencia de las líneas espectrales es proporcional al cuadrado de Z.

Para hacer esto, Moseley midió las longitudes de onda de las transiciones de fotones más internas (líneas K y L) producidas por los elementos del aluminio (Z = 13) al oro (Z = 79) utilizados como una serie de objetivos anódicos móviles dentro de una radiografía. tubo. La raíz cuadrada de la frecuencia de estos fotones (rayos X) aumentó de un objetivo al siguiente en una progresión aritmética. Esto llevó a la conclusión (ley de Moseley) de que el número atómico se corresponde estrechamente (con un desplazamiento de una unidad para las líneas K, en el trabajo de Moseley) a la carga eléctrica calculada del núcleo, es decir, el número de elemento Z. Entre otras cosas, Moseley demostró que la serie de los lantánidos (desde el lantano hasta el lutecio inclusive) debe tener 15 miembros, ni menos ni más, lo que estaba lejos de ser obvio para la química conocida en ese momento.

Elementos faltantes

Después de la muerte de Moseley en 1915, su método examinó los números atómicos de todos los elementos conocidos, desde el hidrógeno hasta el uranio (Z = 92). Hubo siete elementos (con Z < 92) que no se encontraron y, por lo tanto, se identificaron como aún sin descubrir, correspondientes a los números atómicos 43, 61, 72, 75, 85, 87 y 91. Desde 1918 hasta 1947, estos siete elementos faltantes fueron descubiertos. En ese momento, también se habían descubierto los primeros cuatro elementos transuránicos, por lo que la tabla periódica estaba completa sin lagunas hasta el curio (Z = 96).

El protón y la idea de los electrones nucleares

En 1915, no se entendía la razón por la que la carga nuclear se cuantificaba en unidades de Z, que ahora se reconocía que eran las mismas que el número del elemento. Una vieja idea llamada hipótesis de Prout había postulado que todos los elementos estaban hechos de residuos (o "protyles") del elemento más liviano, el hidrógeno, que en el modelo de Bohr-Rutherford tenía un solo electrón y una carga nuclear de uno. Sin embargo, ya en 1907, Rutherford y Thomas Royds habían demostrado que las partículas alfa, que tenían una carga de +2, eran los núcleos de los átomos de helio, que tenían una masa cuatro veces mayor que la del hidrógeno, no dos veces. Si la hipótesis de Prout fuera cierta, algo tendría que estar neutralizando parte de la carga de los núcleos de hidrógeno presentes en los núcleos de los átomos más pesados.

En 1917, Rutherford logró generar núcleos de hidrógeno a partir de una reacción nuclear entre partículas alfa y gas nitrógeno.y creyó haber probado la ley de Prout. Llamó a las nuevas partículas nucleares pesadas protones en 1920 (los nombres alternativos son proutones y protyles). A partir del trabajo de Moseley se hizo inmediatamente evidente que los núcleos de los átomos pesados ​​tienen más del doble de la masa que se esperaría si estuvieran hechos de núcleos de hidrógeno y, por lo tanto, se requería una hipótesis para la neutralización de los protones adicionales que se suponía. presentes en todos los núcleos pesados. Se suponía que un núcleo de helio estaba compuesto por cuatro protones más dos "electrones nucleares" (electrones unidos dentro del núcleo) para cancelar dos de las cargas. En el otro extremo de la tabla periódica, se pensaba que un núcleo de oro con una masa 197 veces mayor que la del hidrógeno contenía 118 electrones nucleares en el núcleo para darle una carga residual de +79, consistente con su número atómico.

El descubrimiento del neutrón convierte a Z en el número de protones.

Toda consideración de los electrones nucleares terminó con el descubrimiento del neutrón por parte de James Chadwick en 1932. Ahora se consideraba que un átomo de oro contenía 118 neutrones en lugar de 118 electrones nucleares, y ahora se sabía que su carga nuclear positiva provenía completamente de un contenido de 79 protones.. Dado que Moseley había demostrado previamente que el número atómico Z de un elemento es igual a esta carga positiva, ahora estaba claro que Z es idéntico al número de protones de sus núcleos.

Propiedades químicas

Cada elemento tiene un conjunto específico de propiedades químicas como consecuencia del número de electrones presentes en el átomo neutro, que es Z (el número atómico). La configuración de estos electrones sigue los principios de la mecánica cuántica. El número de electrones en las capas de electrones de cada elemento, particularmente la capa de valencia más externa, es el factor principal para determinar su comportamiento de enlace químico. Por lo tanto, es solo el número atómico el que determina las propiedades químicas de un elemento; y es por esta razón que un elemento puede definirse como consistente en cualquier mezcla de átomos con un número atómico dado.

Nuevos elementos

La búsqueda de nuevos elementos generalmente se describe usando números atómicos. A partir de 2022, se han observado todos los elementos con números atómicos del 1 al 118. La síntesis de nuevos elementos se logra bombardeando átomos objetivo de elementos pesados ​​con iones, de modo que la suma de los números atómicos de los elementos objetivo y de iones sea igual al número atómico del elemento que se está creando. En general, la vida media de un nucleido se acorta a medida que aumenta el número atómico, aunque los nucleidos no descubiertos con ciertos números "mágicos" de protones y neutrones pueden tener vidas medias relativamente más largas y formar una isla de estabilidad.

También se ha propuesto un elemento hipotético compuesto únicamente por neutrones y tendría número atómico 0.