Masa Atómica

Los átomos — y los protones, neutrones y electrones que los componen — son extremadamente pequeños. Por ejemplo, un átomo de carbono pesa menos de 2 &times 10⁻²³ g. Al describir las propiedades de objetos diminutos como los átomos, utilizamos unidades de medida apropiadamente pequeñas, como la unidad de masa atómica (uma). La uma fue originalmente definida en base al hidrógeno, el elemento más ligero, más tarde en términos de oxígeno. Desde 1961, se ha definido con respecto al isótopo más abundante del carbono, cuyos átomos tienen masas asignadas de exactamente 12 uma. Así, una uma es exactamente ¹/₁₂ de la masa de un átomo de carbono-12: 1 uma = 1,6605 × 10⁻²⁴ g. El Dalton (Da) y la unidad de masa atómica unificada (u) son unidades alternativas equivalentes a la uma.  

Debido a que cada protón y cada neutrón contribuyen aproximadamente con una uma a la masa de un átomo y cada electrón contribuye con mucho menos, la masa atómica de un solo átomo es aproximadamente igual a su número de masa (una suma de números enteros de protones y neutrones en el átomo). Por ejemplo, el número de masa de un solo átomo de nitrógeno es 14 (7 protones + 7 neutrones). Sin embargo, las masas medias de átomos de la mayoría de los elementos no son números enteros porque la mayoría de los elementos existen naturalmente como mezclas de dos o más isótopos. Los isótopos son átomos del mismo elemento con el mismo número de protones pero un número diferente de neutrones. La masa de un elemento que se muestra en una tabla periódica o se enumera en una tabla de masas atómicas es una masa media ponderada de todos los isótopos presentes en una muestra natural de ese elemento. La masa media es igual a la suma de la masa de cada isótopo individual multiplicada por su abundancia fraccional.

Por ejemplo, el elemento cloro (número atómico 17) está compuesto por dos isótopos: ³⁵Cl y cloro ³⁷Cl. Alrededor del 75,78% de todos los átomos de cloro son ³⁵Cl con una masa de 34,969 uma, y el 24,22% restante son ³⁷Cl con una masa de 36,966 uma. Se calcula que la masa atómica promedio del cloro es:

Es importante entender que ningún átomo de cloro pesa exactamente 35,45 uma; este valor es la masa media de todos los átomos de cloro y los átomos de cloro individuales pesan aproximadamente 35 uma o 37 uma. Además, debido a que el cloro natural contiene más átomos de ³⁵Cl que átomos de ³⁷Cl, la masa media ponderada del cloro está más cerca de 35 uma que de 37 uma.

La ocurrencia y abundancia natural de isótopos puede determinarse experimentalmente utilizando un instrumento llamado espectrómetro de masas. La espectrometría de masas (EM) se utiliza ampliamente en química, medicina forense, ciencias ambientales y muchos otros campos para analizar y ayudar a identificar las sustancias en una muestra de material. En un espectrómetro de masas típico, la muestra se vaporiza y se expone a un haz de electrones de alta energía que hace que los átomos o moléculas de la muestra se carguen eléctricamente, normalmente al perder uno o más electrones. Estos cationes pasan entonces a través de un campo magnético variable que desvía la trayectoria de cada catión hasta el punto que depende tanto de su masa como de su carga. Finalmente, se detectan los iones y se realiza un gráfico del número relativo de iones generados frente a sus relaciones masa-carga, un espectro de masas. La altura de cada característica vertical o pico en un espectro de masas es proporcional a la fracción de cationes con la relación masa-carga especificada. Desde su primer uso durante el desarrollo de la teoría atómica moderna, la EM ha evolucionado hasta convertirse en una poderosa herramienta para el análisis químico en una amplia gama de aplicaciones.

Texto adaptado de Openstax Química 2e, Sección 2.3: Estructura atómica y simbolismo.