Probablemente aprendiste que un átomo se parece a un sistema solar en miniatura. Un núcleo central con protones y neutrones, y electrones que giran a su alrededor como planetas. Esta imagen es útil, pero la realidad es mucho más extraña y fascinante. En el mundo cuántico, los electrones no siguen órbitas definidas. En su lugar, existen en regiones de probabilidad llamadas orbitales.

Imagina el ventilador de un helicóptero. Cuando está parado, puedes ver las aspas claramente. Pero cuando gira a toda velocidad, solo ves un disco borroso. No puedes señalar la ubicación exacta de un aspa, pero sabes que está en algún lugar dentro de ese disco. Un orbital atómico es similar. No nos dice dónde está el electrón, sino la forma de la "nube" donde es casi seguro que se encuentra.

Para describir la ubicación de un electrón, los químicos utilizan un sistema de "direcciones" basado en niveles de energía y la forma de los orbitales. Cada electrón ocupa un nivel de energía específico, algo así como los pisos de un edificio. Cuanto más alto es el piso (mayor el nivel de energía), más lejos está el electrón del núcleo.

Dentro de cada nivel de energía, existen subniveles con diferentes formas de orbitales. Estos se designan con letras: s, p, d y f.

• Orbitales s: Tienen forma esférica. Cada nivel de energía tiene un orbital s.
• Orbitales p: Tienen forma de dos lóbulos, como un reloj de arena. Aparecen a partir del segundo nivel de energía y vienen en grupos de tres, orientados en los ejes x, y, z.
• Orbitales d y f: Tienen formas más complejas y aparecen en niveles de energía superiores. Los orbitales d vienen en grupos de cinco, y los f en grupos de siete.

La forma en que los electrones llenan estos orbitales, llamada configuración electrónica, define la identidad y el comportamiento químico de un elemento. Hay una regla fundamental que gobierna este proceso: el principio de exclusión de Pauli . Afirma que no puede haber dos electrones en un mismo átomo con el mismo conjunto de números cuánticos. En términos más sencillos, cada orbital puede contener un máximo de dos electrones, y estos deben tener "espines" opuestos. Podemos pensar en el espín como una propiedad intrínseca del electrón, como si girara en sentido horario o antihorario.

La identidad de un átomo, es decir, qué elemento es, está determinada únicamente por el número de protones en su núcleo. El carbono siempre tiene 6 protones. El oxígeno siempre tiene 8. Pero el número de neutrones puede variar. Los átomos del mismo elemento con diferente número de neutrones se llaman isótopos .

Por ejemplo, la mayoría de los átomos de carbono tienen 6 neutrones (Carbono-12). Pero una pequeña fracción tiene 7 (Carbono-13) o incluso 8 (Carbono-14). El Carbono-14 es radiactivo, lo que significa que su núcleo es inestable y se descompone con el tiempo. Esta propiedad es la base de la datación por radiocarbono, que permite a los arqueólogos determinar la edad de materiales orgánicos antiguos.

La estabilidad de un núcleo depende de la relación entre protones y neutrones. Los protones, todos con carga positiva, se repelen entre sí. Los neutrones actúan como un "pegamento" nuclear, manteniéndolos unidos a través de la fuerza nuclear fuerte. Si hay demasiados o muy pocos neutrones en comparación con los protones, el núcleo se vuelve inestable.

Ahora que tienes una idea más clara de la estructura de los átomos, vamos a comprobar tus conocimientos.

Comprender estos principios es el primer paso para predecir cómo interactuarán los átomos para formar las moléculas que componen todo lo que nos rodea.