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Los átomos son los bloques de construcción de la materia. La pantalla en la que estás leyendo esto, el cerebro con el que estás leyendo, son todos grupos de átomos muy organizados. Interactúan de formas específicas, obedeciendo reglas específicas, para mantener la forma y función de los objetos.

Sin embargo, nada de esto funciona a menos que estén involucrados los átomos correctos . Si intenta poner los incorrectos en una proteína o molécula de agua, se rompe. Es como tratar de improvisar una imagen utilizando píxeles de los colores equivocados.

Imagen en Dominio Público.

Dado lo rigurosa que es la química en esto, es sorprendente ver la variedad con la que estos átomos correctos pueden salirse con la suya. Cada elemento de la tabla periódica engloba familias enteras de átomos que se comportan igual a pesar de algunas importantes diferencias isotópicas.

¿Qué son los isótopos?

Los isótopos son familias de átomos que tienen el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. El término se extrae de las palabras griegas antiguas isos y topos , que significan lugar igual, para indicar que pertenecen a los mismos elementos en la tabla periódica.

Los átomos están hechos de un núcleo denso (núcleo) orbitado por un enjambre de electrones. Los protones y neutrones que forman el núcleo representan virtualmente toda la masa de un átomo y son en gran parte idénticos excepto por sus cargas eléctricas. Los protones tienen una carga positiva, mientras que los neutrones no tienen ninguna carga. La envoltura de electrones (con carga negativa) alrededor del núcleo dicta cómo se comportan químicamente los átomos.

El truco aquí es que, dado que los neutrones no tienen carga, no necesitan un electrón cerca para equilibrarlos. Esto hace que su presencia no tenga sentido en la mayoría de los procesos químicos.

Para ser un poco más técnico, la cantidad de protones dentro de un núcleo de átomos es su número atómico (también conocido como el número de protones, generalmente anotado Z ). Dado que los protones tienen carga positiva, cada átomo que se precie intentará mantener la misma cantidad de electrones en órbita para equilibrar su carga eléctrica general. Si no, intentarán encontrar otros átomos con carga deteriorada y formar compuestos iónicos, como sal literal o enlaces covalentes, pero esa es otra historia para otro momento.

Las capas de electrones están hechas de varias capas/orbitales. Aunque representado por aquí, eso es solo por simplicidad. Estos orbitales pueden formar formas muy complicadas.
Imagen vía Pixabay.

Lo importante en este momento es tener en cuenta que estos números atómicos identifican elementos individuales. El número atómico es aproximadamente equivalente al lugar numérico de un elemento en la tabla periódica, y en líneas generales dicta cómo tiende a comportarse un elemento. Todos los isótopos de un elemento tienen el mismo número atómico. En lo que difieren es en su número de masa (generalmente abreviado A ), que denota el número total de protones y neutrones en el núcleo de un átomo.

En otras palabras, los isótopos son átomos del mismo elemento pero algunos pesan más.

Por ejemplo, dos isótopos de uranio, U-235 y U-238, tienen el mismo número atómico (92), pero números de masa de 235 y 238, respectivamente. Puedes tener dos isótopos de la misma masa, como C-14 y N-14, que no son el mismo elemento, con números atómicos 6 y 7, respectivamente. Para saber cuántos neutrones alberga un isótopo, reste su número atómico de su número de masa.

¿Los isótopos realmente hacen algo?

En su mayor parte, no. En términos generales, hay poca o ninguna diferencia en el comportamiento de varios isótopos del mismo elemento. Esto es en parte una función de cómo decidimos qué es cada elemento: aproximadamente las tres cuartas partes de los elementos naturales son una mezcla de isótopos. La masa promedio de un grupo de estos isótopos juntos es cómo determinamos los pesos atómicos estándar de esos elementos.

Pero, principalmente, todo se reduce al punto que hemos señalado anteriormente: sin diferencias en su capa de electrones, los isótopos simplemente carecen de los medios para cambiar su comportamiento químico. Lo cual es simplemente color de rosa para nosotros. En conjunto, los 81 elementos estables que conocemos pueden presumir de unos 275 isótopos estables. Hay más de 800 isótopos radiactivos (inestables) más, algunos naturales y otros creados en el laboratorio. Imagina el dolor de cabeza que causaría si todos se comportaran de manera diferente. El carbono en sí tiene 3 isótopos estables, ¿existiríamos hoy si cada uno tuviera sus propias peculiaridades?

Sin embargo, un elemento cuyos isótopos difieren significativamente es el pequeño de la tabla periódica: el hidrógeno. Esta excepción se basa en la naturaleza particular de los átomos. El hidrógeno es el elemento químico más simple, un protón orbitado por un electrón. Por lo tanto, un neutrón extra en el núcleo puede alterar significativamente las propiedades de los átomos.

Los isótopos de hidrógeno son tan importantes para aplicaciones industriales y científicas que recibieron sus propios nombres.
Créditos de la imagen Bruce Blaus / Wikimedia.

Por ejemplo, dos de los isótopos naturales del hidrógeno, H-2 y H-3, tienen 1 y 2 neutrones respectivamente. El carbono (Z=6) tiene 2 isótopos estables: C-12 y C-13, con 6 y 7 neutrones respectivamente. En términos relativos, no hay una gran diferencia en la participación de los neutrones en sus núcleos: representan el 50% y el 66,6% del peso de los átomos en H-2, H-3 y el 50% y el 54% de la masa total. en C-12 y C-13. Sin embargo, en términos absolutos, la diferencia es inmensa: un neutrón duplicará la masa de un átomo de hidrógeno, dos neutrones la triplicarán. A modo de comparación, un solo neutrón es solo el 16,6% de la masa de un átomo de carbono.

Si bien los isótopos son muy similares químicamente, difieren físicamente. Todo ese peso puede alterar el comportamiento de los isótopos de los elementos ligeros, especialmente el hidrógeno. Un ejemplo de tales diferencias es el efecto isotópico cinético, básicamente, los isótopos más pesados ​​del mismo elemento tienden a ser más lentos durante las reacciones químicas que los isótopos más ligeros. Para elementos más pesados, este efecto es despreciable.

Otra propiedad peculiar de los isótopos es que tienden a comportarse de manera diferente cuando se exponen al rango infrarrojo que los átomos elementales predeterminados. Entonces, las moléculas que contienen isótopos se verán diferentes a la misma molécula sin isótopos cuando se ven a través de una cámara infrarroja. Esto, nuevamente, es causado por su masa extra, la forma y las masas de los átomos en una molécula cambian la forma en que vibra, lo que a su vez cambia la forma en que interactúan con los fotones en el rango infrarrojo.

¿De dónde vienen los isótopos?

En pocas palabras, los isótopos son simplemente átomos con más neutrones; se formaron de esa manera, se enriquecieron con neutrones en algún momento de su vida o se originaron a partir de procesos nucleares que alteran los núcleos atómicos. Entonces, se forman como todos los demás átomos.

Los isótopos más ligeros probablemente se juntaron un poco después del Big Bang, mientras que los más pesados ​​se sintetizaron en los núcleos de las estrellas. Los isótopos también pueden formarse tras la interacción entre los rayos cósmicos y los núcleos energéticos en las capas superiores de la atmósfera.

El ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno (CNO), uno de los dos conjuntos conocidos de reacciones de fusión mediante el cual las estrellas convierten hidrógeno en helio. P o protón aquí es un ion de hidrógeno positivo (también conocido como hidrógeno despojado de su electrón).
Créditos de la imagen Antonio Ciccolella / Wikimedia.

Los isótopos también se pueden formar a partir de otros átomos o isótopos que hayan sufrido cambios con el tiempo. Un ejemplo de tal proceso es la desintegración radiactiva: básicamente, los isótopos inestables tienden a cambiar hacia una configuración estable con el tiempo. Esto puede hacer que un isótopo inestable se transforme en uno estable del mismo elemento o en isótopos de otros elementos con estructuras nucleicas similares. El U-238, por ejemplo, se desintegra en Th-234.

Este proceso, conocido como desintegración beta, ocurre cuando hay demasiados protones en comparación con los neutrones en un núcleo (o viceversa), por lo que uno de ellos se transforma en el otro. En el ejemplo anterior, el átomo de uranio es el isótopo padre, mientras que el átomo de torio es el isótopo hijo. Durante este proceso, el núcleo emite radiación en forma de electrón y antineutrino.

¿Para qué sirven los isótopos?

Uno de los principales usos de los isótopos es la datación (como la datación por carbono). Un rasgo particular de los isótopos inestables es que se descomponen en estables pero siempre lo hacen exactamente a la misma velocidad. Por ejemplo, la vida media del C-14 (la cantidad de tiempo necesaria para que se desintegre la mitad de todos los isótopos en una muestra) es de 5.730 años.

El C-14 se forma en la atmósfera y, mientras un organismo está vivo, ingiere alrededor de un átomo de C-14 por cada billón de isótopos estables de C-12 a través de los alimentos que ingiere. Esto mantiene la relación C-12 a C-14 más o menos estable mientras está viva. Una vez que muere, la ingesta de C-14 se detiene, por lo que al observar cuántos átomos de C-14 tiene una muestra, podemos calcular cuánto ha bajado la vida media del C-14, lo que significa que podemos calcular su edad.

Al menos, en teoría. Todo nuestro uso de combustibles fósiles está bombeando más isótopos C-14 a la atmósfera de lo normal, y está empezando a estropear la precisión de la datación por carbono.

Para ver cuántos átomos de C-14 tiene algo, usamos la espectrometría de masas con acelerador, un método que separa los isótopos a través de la masa.

Las exploraciones PET (tomografía por emisión de positrones) utilizan la descomposición de los llamados isótopos médicos para observar el interior del cuerpo. Estos isótopos se producen en reactores nucleares o aceleradores llamados ciclotrones.

Por último, a veces creamos materiales enriquecidos, como el uranio enriquecido, para utilizarlos en reactores nucleares. Este proceso básicamente implica que eliminemos los átomos de uranio que se producen de forma natural a través de varios métodos para obtener isótopos más pesados ​​y luego los separemos. El metal del que ya hemos eliminado los isótopos más pesados ​​(que son más inestables y, por lo tanto, más radiactivos que el uranio normal) se conoce como uranio empobrecido.

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