Masa Atómica: Definición, características y ejemplos

¿Qué es la masa atómica?

Los átomos son las unidades más pequeñas de los elementos o las sustancias más simples que no pueden descomponerse químicamente. Tanto los átomos como los elementos están organizados en una tabla periódica de elementos.

Los átomos están formados por protones, neutrones y electrones. El núcleo, o centro del átomo que constituye la mayor parte de la masa del átomo, está formado por protones y neutrones. Los protones y los neutrones son partículas hadrónicas que tienen una carga positiva o una carga neutra, respectivamente, y se considera que cada uno tiene una masa de 1 unidad de masa atómica (uma). Las uma son unidades de medida de la masa atómica. No es una coincidencia que un protón y un neutrón sean ambos iguales a 1 uma. Las unidades de masa atómica se definieron en función de las masas de protones y neutrones al determinar que un átomo de carbono tiene solo seis protones y, por lo general, seis neutrones en su núcleo y, por lo tanto, debería ser de aproximadamente 12 uma. Esto es mucho más fácil que decir que un protón o un neutrón es igual a 1/1670000000000000000000000 de un gramo. Los electrones son aún más pequeños y la masa de un protón es aproximadamente 1.836 veces mayor que la masa de un electrón.

La masa atómica es la masa total de las partículas de materia en un átomo, es decir, las masas de protones, neutrones y electrones en un átomo sumadas. Sin embargo, los electrones son tan pequeños que son despreciables al encontrar la masa de un átomo. Por lo tanto, se puede decir que la masa atómica de un átomo individual es igual al número total de protones y neutrones. Por ejemplo, los átomos de flúor suelen tener 9 protones y 10 neutrones y, por lo tanto, tienen una masa atómica de 19 uma. Al describir átomos y elementos, hay otros tres números que pueden estar presentes en una tabla periódica: número atómico, número másico y masa atómica promedio.

Número atómico

El número atómico de un elemento es igual a la cantidad de protones que contiene un átomo de ese elemento. Cada elemento está formado por átomos que tienen todos el mismo número de protones. Por ejemplo, todos los átomos de carbono tienen 6 protones, por lo que el número atómico del carbono es «6».

Número de masa

El número másico es la suma del número de protones y neutrones en el núcleo de un átomo. Por lo tanto, si un átomo de carbono tiene 6 protones y 6 neutrones en su núcleo, su número másico será exactamente 12. Al observar la tabla periódica de los elementos, se puede calcular el número de neutrones en un átomo de un elemento determinado utilizando la siguiente fórmula:

Número de neutrones = número másico – número atómico

Entonces, el carbono tiene un número atómico de 6 y un número másico de 12. Al introducir esos números en la fórmula, se puede determinar que los átomos de carbono suelen tener 6 neutrones.

Masa atómica media e isótopos

Al observar una tabla periódica de elementos, hay un número debajo de cada elemento que tiene decimales. Esta es la masa atómica promedio de ese elemento. Los átomos del mismo elemento siempre tienen el mismo número de protones, pero pueden variar en su número de neutrones. Por lo tanto, cada elemento tendrá diferentes isótopos, o átomos del mismo elemento que tienen diferentes números de neutrones. Al observar el carbono en la tabla periódica, dice que el carbono tiene una masa atómica promedio de 12,011 uma. Este número está determinado por el hecho de que en cualquier muestra de carbono hay algunos átomos de carbono que tienen masas de 13 uma y 14 uma porque los átomos de carbono-13 tienen 7 neutrones y los átomos de carbono-14 tienen 8 neutrones.

Ejemplos de masa atómica

A continuación se muestran tres ejemplos de masa atómica y masa atómica promedio:

• La masa atómica de la mayoría de los átomos de boro es de aproximadamente 11 uma, debido a sus 5 protones y 6 neutrones. La masa atómica promedio del boro es de 10,81 uma debido a los diferentes isótopos del boro.
• La masa atómica de la mayoría de los átomos de sodio es de aproximadamente 23 uma, debido a sus 11 protones y 12 neutrones. La masa atómica promedio del oxígeno es de 22,99 uma debido a los diferentes isótopos del sodio.
• La masa atómica de la mayoría de los átomos de cobre es de aproximadamente 63 uma, debido a sus 29 protones y 34 neutrones. La masa atómica promedio del cobre es de 63,55 uma debido a los diferentes isótopos del cobre.

Importancia de la masa atómica

Los átomos son demasiado pequeños para observarlos alumbrándolos con una luz y viéndolos con un microscopio. Por lo tanto, una de las únicas formas en que podemos observar los átomos y sus diferencias es midiendo sus masas. Cualquier muestra o pieza de algo se puede colocar en un espectrómetro de masas que separará todos los átomos aprovechando sus diferentes masas y luego proporcionará la composición elemental de la muestra.

En más detalle, un espectrómetro de masas primero vaporiza una muestra de modo que todos los átomos floten libremente, luego ioniza la muestra o cambia la carga de cada átomo agregando o quitando electrones. A continuación, los átomos ahora cargados pasan a través de una cámara que influye en la muestra con un electroimán. Debido a que cada átomo está cargado, el electroimán afectará y moverá cada átomo. Además, debido a que la muestra puede estar compuesta de diferentes átomos de diferentes masas, cada átomo será influenciado por el electroimán en función de sus masas e inercia, de modo que cada átomo termina en una corriente de otros átomos de la misma masa. Una vez que los átomos se separan en corrientes, son capturados y detectados por un sistema que luego mide la masa de la corriente y calcula qué porcentaje de la muestra está hecho de qué elementos e isótopos. Poder medir la masa atómica de los átomos y, por lo tanto, identificar los átomos que componen una sustancia o muestra se ha vuelto extremadamente útil entre muchas disciplinas en la ciencia. Al identificar los átomos que componen una muestra, los científicos pueden utilizar un espectrómetro de masas para datar las muestras mediante un método llamado datación radiométrica. Uno de los métodos de datación radiométrica más precisos es la datación por uranio-plomo.

Algunos átomos de ciertas masas atómicas son inestables y se desintegrarán con el tiempo en otro átomo y elemento. Por ejemplo, los átomos de uranio-238 se desintegran en átomos de plomo-206 a una velocidad bastante definida. El uranio es un elemento radiactivo. Los elementos radiactivos sufren desintegración y tienen algo llamado vida media. El uranio-238 tiene una vida media de 4.47 mil millones de años, lo que significa que la mitad de cualquier muestra de uranio-238 se desintegrará y se convertirá en plomo-206 después de 4.47 mil millones de años. Los científicos pueden utilizar la vida media del uranio y su relación con el plomo en una muestra para determinar la edad de la muestra.

Ejemplos de aplicación de la masa atómica y del espectrómetro de masas

• La edad de la Tierra se determinó mediante la datación uranio-plomo. Los circones se sometieron a un espectrómetro de masas para determinar la proporción uranio-plomo dentro de sus estructuras cristalinas. Los circones se utilizan habitualmente en la datación radiométrica porque son un mineral compuesto de uranio y torio, pero rechazan fuertemente el plomo mientras se forman. Por lo tanto, si se encuentra plomo en un circón, este se formó a partir de la desintegración de átomos de uranio. Es decir, los circones son como pequeños relojes atómicos que se desintegran a un ritmo predecible. Por eso, cuando contrataron a Clair Patterson, un geofísico, para calcular la edad de la Tierra, le dieron circones que se encontraron en un meteorito porque la mayoría de los meteoritos probablemente se formaron cerca del comienzo de nuestro sistema solar.
• Además, al utilizar un espectrómetro de masas para identificar el plomo mediante su masa atómica, Patterson también pudo plantear la preocupación que suscitaba el uso de gasolina con plomo. Y con sus observaciones, se determinó que la humanidad se estaba contaminando con plomo venenoso al liberarlo en nuestro medio ambiente a través de los tubos de escape de los automóviles.
• Un último ejemplo sería utilizar el conocimiento de la masa atómica para medir la diferencia isotrópica entre el dióxido de carbono que se produce por los gases de escape de los automóviles y el dióxido de carbono que proviene de la naturaleza, por ejemplo, de los volcanes. El dióxido de carbono de estas dos fuentes diferentes tiene diferentes proporciones de átomos de carbono-12, carbono-13 y carbono-14. Por lo tanto, esta diferencia se utilizó para determinar que los mayores niveles de gas de dióxido de carbono en la atmósfera se deben a la actividad humana.

Resumen de la lección

En general, la masa atómica de un átomo se determina sumando la masa total de las partículas subatómicas del átomo, es decir, las masas de los protones, neutrones y electrones que forman el átomo. Debido a que las masas de los protones y neutrones son tan similares, cada una de ellas se ha etiquetado como igual a 1 unidad de masa atómica (uma). Los electrones tienen tan poca masa que la masa atómica de un átomo se puede calcular principalmente sumando el número total de protones y neutrones en un átomo, que se encuentran en el centro o núcleo del átomo. Los átomos son las unidades más básicas de los elementos, que son sustancias que no se pueden descomponer químicamente más; y están formados por átomos que tienen todos el mismo número de protones. Sin embargo, los elementos pueden estar formados por átomos llamados isótopos, o átomos del mismo elemento que difieren en su número de neutrones. Los átomos y los elementos están organizados en una pantalla informativa llamada tabla periódica de elementos. Los elementos se organizan en la tabla periódica por su número atómico o número de protones, y muestran más información como la masa atómica promedio de los átomos de un elemento y/o el número másico, e información sobre los electrones y sus orbitales. La masa atómica promedio es la forma de encontrar la masa atómica de un elemento. Debido a que los elementos tienen diferentes isótopos, la masa atómica promedio de los átomos de un elemento puede tener decimales o fracciones de una unidad de masa atómica. El número másico es simplemente el número de protones más el número de neutrones en un átomo cuando se mira una tabla periódica.

La importancia de la masa atómica se pone de relieve con la invención y el uso del espectrómetro de masas. El espectrómetro de masas es un sistema tecnológico que se utiliza para encontrar la composición elemental y atómica de una muestra de materia en cuestión. El espectrómetro de masas ha sido de gran utilidad a la hora de realizar importantes descubrimientos científicos, reconocer el impacto de la humanidad sobre sí misma y a la hora de realizar mediciones científicas rutinarias.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador