Un átomo se construye con tres ladrillos: protones y neutrones en el núcleo, electrones a su alrededor. El número de protones, el número atómico Z, define el elemento: 6 protones es carbono, siempre; 79 es oro. Pero el número de neutrones puede variar. Dos átomos de carbono pueden tener 6, 7 u 8 neutrones. Son isótopos: mismo elemento, masas distintas.
Una definición en una frase
Los isótopos son átomos del mismo elemento (mismo Z) que difieren en su número de neutrones (y por tanto en su número másico A = Z + N).
Se escriben indicando el número másico: ¹²C, ¹³C, ¹⁴C se leen «carbono 12, 13, 14». Todos tienen 6 protones; tienen 6, 7 y 8 neutrones respectivamente. La palabra viene del griego isos (igual) y topos (lugar): la misma casilla de la tabla periódica.
Químicamente gemelos, físicamente distintos
Este es el punto clave. Como los isótopos tienen el mismo número de electrones y, por tanto, la misma configuración electrónica, sus propiedades químicas son casi idénticas: forman los mismos enlaces, los mismos compuestos y las mismas reacciones. El carbono 14 se incorpora al CO₂ y a la glucosa exactamente igual que el carbono 12.
Sin embargo, sí difieren físicamente: en la masa (y por tanto en la velocidad y la difusión, que es lo que permite el enriquecimiento) y, sobre todo, en la estabilidad nuclear. Algunos isótopos son estables; otros son radiactivos.
Tres ejemplos que lo cambian todo
- Hidrógeno. El ¹H (protio, 0 neutrones) constituye el 99.98 % del hidrógeno. El ²H (deuterio, 1 neutrón) es estable y se usa para fabricar el agua pesada (D₂O) de los reactores nucleares. El ³H (tritio, 2 neutrones) es radiactivo (vida media de 12.3 años). Es el único elemento cuyos isótopos tienen nombres propios, porque sus masas relativas difieren muchísimo (de una a tres veces).
- Uranio. El ²³⁸U (99.27 %) apenas es fisionable; el ²³⁵U (0.72 %) es el isótopo fisible que alimenta los reactores y las armas. Toda la dificultad de la industria nuclear reside en separar estos dos gemelos químicos (el enriquecimiento) para subir el contenido de ²³⁵U del 0.72 % al 3-5 %.
- Cloro. Existe en dos formas estables: ³⁵Cl (≈ 76 %) y ³⁷Cl (≈ 24 %). Por eso la masa atómica del cloro no es un número entero, sino 35.45: es el promedio ponderado de las masas de los isótopos según su abundancia natural. Así se explica cada masa atómica «con decimales» de la tabla periódica.
¿Para qué sirven los isótopos?
- Datación. El carbono 14, producido continuamente en la alta atmósfera, se desintegra con una vida media de 5730 años. Al medir cuánto queda en un resto orgánico, se recupera la fecha de su muerte (método de Libby, Premio Nobel 1960). Las parejas uranio-plomo datan rocas a lo largo de miles de millones de años.
- Medicina. El tecnecio-99m es el trazador de imagen más usado del mundo; el yodo-131 trata la tiroides.
- Química analítica. La espectrometría de masas separa e identifica moléculas por la masa de sus isótopos; los disolventes deuterados (CDCl₃) son indispensables en la RMN.
Por qué importa
El isótopo es el concepto que reconcilia la tabla periódica (organizada por Z, la química) con el mundo nuclear (organizado por N, la física del núcleo). Entender que un elemento no es una única masa sino una familia de isótopos es la puerta de entrada a la radiactividad, la energía nuclear, la datación y la medicina isotópica.