2.1: Izotopii și masa atomică
Masa atomică
Masele atomilor individuali sunt foarte, foarte mici. Cu toate acestea, folosind un dispozitiv modern numit spectrometru de masă, este posibil să se măsoare aceste mase minuscule. Un atom de oxigen-16, de exemplu, are o masă de \(2,66 \ ori 10^{-23} \: \text{g}\). Deși comparațiile maselor măsurate în grame ar avea o anumită utilitate, este mult mai practic să avem un sistem care să ne permită să comparăm mai ușor masele atomice relative. Oamenii de știință au decis să folosească nuclidul carbon-12 ca etalon de referință cu care vor fi comparate toate celelalte mase. Prin definiție, unui atom de carbon-12 i se atribuie o masă de exact 12 unități de masă atomică \(\left( \text{amu} \right)\). O unitate de masă atomică este definită ca o masă egală cu a douăsprezecea parte dintr-un atom de carbon-12. Masa oricărui izotop al oricărui element se exprimă în raport cu etalonul de carbon-12. De exemplu, un atom de heliu-4 are o masă de \(4,0026 \: \text{amu}\). Un atom de sulf-32 are o masă de \(31,972 \: \text{amu}\).
Atomul de carbon-12 are șase protoni și șase neutroni în nucleul său pentru un număr de masă de 12. Deoarece nucleul reprezintă aproape întreaga masă a atomului, un singur proton sau un singur neutron are o masă de aproximativ \(1 \: \text{amu}\). Cu toate acestea, după cum s-a văzut din exemplele heliu și sulf, masele atomilor individuali nu sunt chiar numere întregi. Acest lucru se datorează faptului că masa unui atom este afectată foarte puțin de interacțiunile diferitelor particule din nucleu și include, de asemenea, mica masă adăugată de fiecare electron.
După cum s-a precizat în secțiunea privind izotopii, majoritatea elementelor apar în mod natural ca un amestec de doi sau mai mulți izotopi. Mai jos (vezi tabelul de mai jos) sunt enumerați izotopii naturali ai mai multor elemente, împreună cu procentul de abundență naturală a fiecăruia.
| Element | Isotope (Symbol) | Percent Natural Abundance | Atomic mass \(\left( \text{amu} \right)\) | Average atomic mass \(\left( \text{amu} \right)\) |
|---|---|---|---|---|
| Hydrogen | \(\ce{^1_1H}\) | 99.985 | 1.0078 | 1.0079 |
| \(\ce{^2_1H}\) | 0.015 | 2.0141 | ||
| \(\ce{^3_1H}\) | negligible | 3.0160 | ||
| Carbon | \(\ce{^{12}_6C}\) | 98.89 | 12.000 | 12.011 |
| \(\ce{^{13}_6C}\) | 1.11 | 13.003 | ||
| \(\ce{^{14}_6C}\) | trace | 14.003 | ||
| Oxygen | \(\ce{^{16}_8O}\) | 99.759 | 15.995 | 15.999 |
| \(\ce{^{17}_8O}\) | 0.037 | 16.995 | ||
| \(\ce{^{18}_8O}\) | 0.204 | 17.999 | ||
| Chlorine | \(\ce{^{35}_{17}Cl}\) | 75.77 | 34.969 | 35.453 |
| \(\ce{^{37}_{17}Cl}\) | 24.23 | 36.966 | ||
| Copper | \(\ce{^{63}_{29}Cu}\) | 69.17 | 62.930 | 63.546 |
| \(\ce{^{65}_{29}Cu}\) | 30.83 | 64.928 |
For some elements, one particular isotope is much more abundant than any other isotopes. For example, naturally occurring hydrogen is nearly all hydrogen-1, and naturally occurring oxygen is nearly all oxygen-16. Cu toate acestea, pentru multe alte elemente, mai mult de un izotop poate exista în cantități substanțiale. Clorul (număr atomic 17) este un gaz toxic de culoare verde-gălbuie. Aproximativ trei sferturi din toți atomii de clor au 18 neutroni, ceea ce conferă acestor atomi un număr de masă de 35. Aproximativ un sfert din toți atomii de clor au 20 de neutroni, ceea ce conferă acestor atomi un număr de masă de 37. Dacă ar fi să calculați pur și simplu media aritmetică a maselor atomice precise, ați obține aproximativ 36.
După cum puteți vedea, masa atomică medie dată în ultima coloană a tabelului de mai sus este semnificativ mai mică. De ce? Motivul este că trebuie să luăm în considerare procentele de abundență naturală ale fiecărui izotop pentru a calcula ceea ce se numește media ponderată. Masa atomică a unui element este media ponderată a maselor atomice ale izotopilor naturali ai acelui element. Masele atomice medii sunt valorile pe care le vedem în tabelul periodic.
Media ponderată se determină prin înmulțirea procentului de abundență naturală cu masa reală a izotopului. Acest lucru se repetă până când există un termen pentru fiecare izotop. Pentru clor, există doar doi izotopi naturali, astfel încât există doar doi termeni.
.