Massa atomica

Gli atomi – e i protoni, i neutroni e gli elettroni che li compongono – sono estremamente piccoli. Ad esempio, un atomo di carbonio pesa meno di 2 × 10⁻²³ g. Quando descriviamo le proprietà di piccoli oggetti come gli atomi, usiamo unità di misura opportunamente piccole, come l’unità di massa atomica (amu). L’amu è stata originariamente definita sulla base dell’idrogeno, l’elemento più leggero, poi in termini di ossigeno. Dal 1961, è stato definito per quanto riguarda l’isotopo più abbondante del carbonio, i cui atomi sono assegnati masse esattamente di 12 amu. Quindi, un’amu è ^{esattamente 1/12}della massa di un atomo di carbonio-12: 1 amu = 1,6605 × 10⁻²⁴ g. Il Dalton (Da) e l’unità di massa atomica unificata (u) sono unità alternative equivalenti all’amu.

Poiché ogni protone e ogni neutrone contribuiscono approssimativamente a un’amu alla massa di un atomo, e ogni elettrone contribuisce molto meno, la massa atomica di un singolo atomo è approssimativamente uguale al suo numero di massa (un numero intero di protoni e neutroni nell’atomo). Ad esempio, il numero di massa di un singolo atomo di azoto è 14 (7 protoni + 7 neutroni). Tuttavia, le masse medie di atomi della maggior parte degli elementi non sono numeri interi perché la maggior parte degli elementi esiste naturalmente come miscele di due o più isotopi. Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento con lo stesso numero di protoni ma un numero diverso di neutroni. La massa di un elemento mostrata in una tavola periodica o elencata in una tabella di masse atomiche è una massa media ponderata di tutti gli isotopi presenti in un campione naturale di tale elemento. La massa media è uguale alla somma della massa di ogni singolo isotopo moltiplicata per la sua abbondanza frazionata.

Ad esempio, l’elemento cloro (numero atomico 17) è composto da due isotopi: ³⁵Cl e cloro ³⁷Cl. Circa il 75,78% di tutti gli atomi di cloro sono ³⁵Cl con una massa di 34.969 amu, e il restante 24,22% ^{sono 37}Cl con una massa di 36.966 amu. La massa atomica media per il cloro è calcolata come:

È importante capire che nessun singolo atomo di cloro pesa esattamente 35,45 amu; Questo valore è la massa media di tutti gli atomi di cloro, e i singoli atomi di cloro pesano circa 35 amu o 37 amu. Inoltre, poiché il cloro presente in natura contiene ^{più atomi da 35}Cl rispetto agli atomi ^{da 37}Cl, la massa media ponderata del cloro è più vicina a 35 amu che a 37 amu.

L’occorrenza e l’abbondanza naturale di isotopi possono essere determinate sperimentalmente usando uno strumento chiamato spettrometro di massa. La spettrometria di massa (SM) è ampiamente utilizzata in chimica, medicina legale, medicina, scienze ambientali e molti altri campi per analizzare e aiutare a identificare le sostanze in un campione di materiale. In un tipico spettrometro di massa, il campione viene vaporizzato ed esposto a un fascio di elettroni ad alta energia che fa sì che gli atomi o le molecole del campione diventino caricati elettricamente, tipicamente perdendo uno o più elettroni. Queste cationi passano quindi attraverso un campo magnetico variabile che devia il percorso di ogni catione nella misura che dipende sia dalla sua massa che dalla sua carica. Infine, gli ioni vengono rilevati, e viene fatta una trama del numero relativo di ioni generati rispetto ai loro rapporti massa-carica, uno spettro di massa. L’altezza di ogni caratteristica verticale o picco in uno spettro di massa è proporzionale alla frazione di formazioni con il rapporto massa-carica specificato. Fin dal suo primo utilizzo durante lo sviluppo della moderna teoria atomica, ms si è evoluto fino a diventare un potente strumento per l’analisi chimica in una vasta gamma di applicazioni.

Testo adattato da Openstax Chemistry 2e, Sezione 2.3: Struttura atomica e simbolismo.