martes, 22 de junio de 2021

9. Estequiometría de isótopos | ⚛️ El átomo físico clásico | Joseleg

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En el capítulo de del átomo químico vimos las diferencies entre la masa atómica absoluta (mpj), masa molecular absoluta (mpJ), la masa relativa (Ar) y la masa molar (M). Sin embargo, estas tres medidas asumían que un determinado elemento era un ente homogéneo con las mismas propiedades químicas y físicas. Sin embargo, el estudio del núcleo atómico nos ha llevado a una conclusión muy diferente, al interior de una muestra elemental conviven diversos isótopos que poseen un comportamiento químico semejante, pero un comportamiento físico diferente en términos de sus masas, ya sea absolutas, relativas o molares. Es por esto que las tres escalas de masa son en realidad promedios ponderados de las masas isotópicas y sus fracciones de masa (w) correspondientes.

Fracción de masas

La fracción de masas es una medida de concentración o riqueza de un determinado componente con respecto a al total, según el Libro de Oro de la IUPAC (IUPAC, 2019), la fracción de masas se define entre el cociente entre la masa del componente a estudiar (mi) sobre la masa total (m).

Por tradición los químicos usar la forma porcentual de la fracción de masas: %wi = wi × 100%. Para los cálculos que involucran sumas ponderadas a la fracción de masas nunca debemos usar la forma porcentual, pero dado que es el dato que dan regularmente recuerde convertir los porcentajes a fracciones dividiendo entre 100% y expresando las fracciones adimensionalmente.

Relación entre el número de masa y la masa relativa de un isótopo

El número de masa (A) da una estimación de la masa isotópica relativa (Ar), y la masa molar (M), pero no son conceptos semejantes, el número de masa siempre es un entero, mientras que la masa relativa o la masa molar tendrá decimales excepto para el carbono-12. Para el carbono-12 puro, la masa isotópica es exactamente 12 o 12 g/mol, ya que la unidad de masa atómica se define como 1/12 de la masa del carbono-12. Para este propósito debemos tener en cuenta que, aunque 1/12 de carbono-12 es casi igual a la masa del protio, existen desviaciones cerca de la tercera cifra significativa, no es mucho para ejercicios de lápiz y papel, pero es grande en aplicaciones analíticas de alta precisión. Ahora bien, ¿Cómo vamos a distinguir una masa isotópica de una masa promedio? Pues por medio de su relación de suma ponderada, pues sin importar cuál de las tres escalas tomemos, podremos usar la ley de la conservación de la masa en forma de una suma ponderada. Sin embargo, para evitar proponer tantas reglas de suma, solo plantearemos la suma ponderada para las fracciones de masa y las masas relativas (Ecuación (9.2))

Dado lo anterior, el número de masa (A) no debe confundirse con ninguna de las escalas de masa atómica (Ar, ma, M) dado que a diferencia de estas tres que son variables continuas y con decimales, el número de masa es una variable discreta y redonda, o como dirían los físicos modernos, sin decimales = cuantizado.

Por ejemplo, hay dos isótopos principales de cloro, cloro-35 y cloro-37, en cualquier muestra natural terrestre dada de cloro que no haya sido sometida a separación de masa isotópica, habrá aproximadamente un 75% de átomos de cloro que son cloro-35 y solo un 25% de átomos de cloro que son cloro-37. Esto le da al cloro un Ar(Cl) = 35,5 (en realidad, 35,4527).

Además, la masa promedio ponderada puede ser casi un número entero, pero al mismo tiempo no corresponde a la masa de ningún isótopo natural. Por ejemplo, el bromo tiene solo dos isótopos estables, Br-79 y Br-81, presentes naturalmente en fracciones aproximadamente iguales, lo que conduce a Ar(Br) = 80 (en realidad 79.904), aunque el isótopo Br-80 es inestable.

La masa molecular con isótopos puros

La masa molecular relativa (mpj) generalmente se calcula a partir de las masas atómicas promedio y los subíndices respectivos, sin embargo en este contexto se deberá tener en cuenta no solo la identidad del elemento J sino también la identidad de isótopo A.

Normalmente usamos las masas relativas promedio, pero en caso de que tengamos un compuesto hecho con un isótopo purificado, simplemente se reemplaza la masa relativa promedio que es lo que da la tabla periódica, por la masa relativa del isótopo que es lo que debe dar el enunciado.

Ejemplo. Determine la masa molecular relativa del agua pesada conformada por dos átomos de deuterio de masa atómica relativa de 2.014 y un átomo de oxígeno promedio.

El nombre de la tabla periódica para la masa relativa promedio

El término peso atómico se está eliminando lentamente y se está reemplazando por una masa atómica relativa promedio (ArJ), en la mayoría de los usos actuales, excepto en las tablas periódicas escolares, donde su uso esta enquistado. Este cambio en la nomenclatura se remonta a la década de 1960 y ha sido fuente de mucho debate en la comunidad científica, que se desencadenó por la controversia para adoptar una unidad de masa atómica unificada (dalton) en lugar de la unidad de masa atómica química (uma) entre la físicos y la químicos. A los químicos siempre les ha valido tres centavos la diferencia entre el concepto de masa y el concepto de peso que se adoptó en la física de Newton, pero a estas alturas del desarrollo científico, es una diferencia conceptual importante, por lo que la noción de peso es un nombre inapropiado, a menos que estemos empleando la segunda ley de Newton para convertir una determinada masa en una fuerza.

El argumento para mantener el término "peso atómico" era principalmente que era un término bien entendido para aquellos en el campo “o sea, los químicos”, y cambiarlo crearía una ruptura con una tradición histórica. En 1979, como compromiso, se introdujo el término "masa atómica relativa" como sinónimo secundario de peso atómico. Veinte años después se invirtió la primacía de estos sinónimos, y el término "masa atómica relativa" es ahora el término preferido, pero nuevamente, no donde importa, las tablas periódicas de mano. A demás no se indica que esa masa atómica relativa es promedio de las muestras isotópicas en el planeta Tierra. En conclusión, las tablas periódicas han continuado usando el término peso atómico para referirse a las masas atómicas relativas promedio (ArJ).

La revisión del SI en 2019

Debemos recordar que la definición de número de Avogadro cambió a partir de 2019 (Stock, Davis, de Mirandés, & Milton, 2019) siendo elevado al nivel de constante universal, y desconectado del carbono-12. Por ende, las constantes anteriores pasan de definirse en base al carbono-12 a estar definidas por el número de Avogadro. El cambio de definiciones del SI no nos afecta mucho realmente, debido a que el efecto solo se siente en cifras significativas muy bajas, que no son significativas en la mayoría de mediciones de laboratorios que no son de analítica de ultra-alta precisión (Valdés, 2021).

DEMOSTRACION. Demuestre la fórmula para calcular la constante de masa atómica a partir de las definiciones de masa molar y número de Avogadro y calcule su valor a cuatro cifras significativas.

Por lo que la constante de masa atómica variará en términos de la constante de masa molar que siempre será ajustada a 1 exacto “de lo contrario no podríamos convertir los pesos atómicos de la tabla periódica a masas molares de plumazo”, y del valor del número de Avogadro si es que existen futuras revisiones de las constantes universales del SI. El conocimiento del valor de la constante de masa atómica nos permite reemplazar el dalton de las masas atómicas y moleculares para expresar sus valores en unidades de masa absoluta, lo cual permite responder preguntas del tipo, ¿cuál es la masa en gramos de una sola molécula de agua?

 

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