Unidades de masa atómica

Transcripción

1 Unidades de masa atómica La estructura química y las fórmulas químicas sirven para estudiar las relaciones de masa de átomos y moléculas. Estas relaciones ayudan a explicar la composición de los compuestos y la manera en que cambia. La masa de un átomo depende del número de electrones, protones y neutrones. No se puede pesar un solo átomo pero, experimentalmente, se puede determinar la masa de un átomo en relación con la masa de otro. El primer paso consiste en asignar un valor a la masa de un átomo de un elemento determinado para utilizarlo como referencia. Por acuerdo internacional, la masa atómica (algunas veces conocida como peso atómico es la masa de un átomo, en unidades de masa atómica (uma). Una unidad de masa atómica( un Dalton) se define como una masa exactamente igual a un doceavo de la masa de un átomo de carbono-12. El carbono-12 es el isótopo del carbono que tiene seis protones y seis neutrones. Al fijar la masa del carbono-12 como 12 uma, este átomo se utiliza como referencia para medir la masa atómica de los demás elementos. Algunos experimentos se ha demostrado que en promedio un átomo de hidrógeno tiene sólo el 8.400% de la masa del carbono-12. Así, si la masa de un átomo de carbono-12 es exactamente 12 uma, la masa atómica del hidrógeno debe ser x uma, es decir, uma. Con cálculos semejantes se demuestra que la masa del oxígeno es uma y la del hierro, uma. A pesar de que no se conoce la masa promedio de un átomo de hierro, se sabe que es alrededor de cincuenta y seis veces mayor que la de un átomo de hidrógeno. Cuando se busca la masa atómica del carbono en una tabla periódica, como la que aparece detrás de la portada de este libro se encontrará que su valor no es exactamente 12 uma, sino uma. La razón de esta diferencia es que la mayoría de los elementos de origen natural (incluyendo al carbono) tiene más de un isótopo. Esto significa que al medir la masa de un elemento por lo general se debe establecer la masa promedio de la mezcla natural de los isótopos. Por ejemplo, la abundancia natural del carbono- 12 y del carbono-13 son 98.90% y 1.10% respectivamente. Se ha determinado que la masa atómica del carbono-13 es uma. Así, la masa atómica promedio del carbono se calcula como sigue: masa atómica promedio del carbono natural = (0.9890)( uma) + ( )( uma). Una determinación más exacta revela que la masa atómica del carbono es uma. Obsérvese que en los cálculos que incluyen porcentajes es necesario convertir los porcentajes a fracciones. Por ejemplo, 98.90% se convierte en , o bien Debido a que hay muchos más átomos de carbono-12 que de carbono-13 en la naturaleza, la masa atómica promedio es más cercana a 12 que a 13 uma. Es importante entender que cuando se afirma que la masa atómica del carbono es 12.01uma, se hace referencia a un valor promedio. Si se pudieran estudiar individualmente los átomos de carbono, se encontrarían átomos con masa atómica de uma o bien de uma, pero ninguno de uma. Las unidades de masa atómica Las unidades de masa atómica constituyen una escala relativa para las masas de los elementos. Pero, debido a que los átomos tienen masas muy pequeñas, no es posible diseñar una balanza para pesarlos utilizando unidades calibradas de unidades de masa atómica. En la realidad se trabaja con muestras macroscópicas que contienen una gran cantidad de átomos. En consecuencia, es conveniente contar con una unidad especial para describir una gran cantidad de átomos. La idea de una unidad para describir un número particular de objetos no es nueva. Por ejemplo, el par (dos cosas), la docena (12 cosas) y la gruesa (144 cosas) son unidades de uso común. Los químicos miden los átomos y las moléculas en moles.

2 En el sistema SI el mol es la cantidad de una sustancia que contiene tantas entidades elementales (átomos, moléculas u otras partículas) como átomos hay exactamente en 12 gramos ó (0.012 kilogramos) del isótopo de carbono-12. El número real de átomos en 12 g de carbono-12 se determina experimentalmente. El valor aceptado en la actualidad es 1 mo1 = x l0 23 partículas Este número se denomina número de Avogadro, en honor del científico italiano Amedeo Avogadro. Por lo general, el número de Avogadro se redondea a x l0 23. Una 1 mol de átomos de carbono-12 tiene una masa de 12 g que contiene x átomos. Esta masa del carbono-12 es su masa molar ; que se define como la masa (en gramos o kilogramos) de 1 mol de unidades (como átomos o moléculas). La masa atómica del calcio (Ca) es uma y su masa molar es gramos; la masa atómica del Nitrógeno es uma y su masa molar la masa molar del N es Si se conoce la masa atómica de un elemento, también se conoce su masa molar. Ejercicio. El helio (He) es un gas valioso utilizado en la industria, en investigaciones en las que es necesario baja temperatura, en tanques para buceo profundo y para inflar globos. Cuántos moles de He hay en g de He? 1 mo1 de He = g. Ejercicio. El Zn es un metal plateado que m utiliza para obtener el latón (con cobre) y para recubrir el hierro con el objeto de prevenir la corrosión. Cuántos gramos de Zn en moles de Zn? Masa molecular Es posible calcular la masa de las moléculas si se conocen las masas atómicas de los átomos que las forman. La masa molecular (algunas veces denominada peso molecular) es la suma de las masas atómicas (en uma) en una molécula. Por ejemplo, la masa molecular del agua es o bien 2(masa atómica del H) + masa atómica del ó 2(1.008 uma) uma = uma En general, es necesario multiplicar la masa atómica de cada uno de los elementos por el número de átomos de ese elemento presente en la molécula y sumar la de todos los elementos. Ejercicio: Calcule la masa molecular de cada uno de los siguientes compuestos: a) dióxido de azufre (SO2), responsable principal de la lluvia acida b) ácido ascórbico o vitamina C C6H8O6. Cuantos átomos de hidrógeno hay en 25.6 g de urea [(NH 2 ) 2 CO], que se utiliza como fertilizante, como alimento para animales y en la manufactura de polímeros? Masa molar de la urea es g.

3 El método más exacto y directo para determinar las masas atómicas y moleculares es la espectrometría de masas. La fórmula de un compuesto indica el número de átomos de cada elemento presente en una unidad del compuesto. Sin embargo, supóngase que se necesita verificar la pureza de un compuesto, para su uso en un experimento de laboratorio. A partir de la fórmula es posible calcular el porcentaje con que contribuye cada elemento a la masa total del compuesto. De esta manera, comparándolo con el resultado de la composición porcentual obtenida experimentalmente con la muestra, se determina la pureza de la misma. La composición porcentual en masa es el porcentaje en masa de cada elemento en un compuesto. La composición porcentual se obtiene al dividir la masa de cada uno de los elementos en 1 mol del compuesto entre la masa molar del compuesto y multiplicándolo por 100%. Matemáticamente, la composición porcentual se expresa como: Ejercicio : El ácido fosfórico (H 3 P0 4 ) es un líquido que se utiliza en detergentes, fertilizantes, dentífricos y en bebidas gaseosas para "resaltar" el sabor. Calcule la composición porcentual en masa de H, P y O en este compuesto. Ejercicio : El ácido ascórbico (vitamina C) cura el escorbuto y ayuda a evitar el resfriado común. Está compuesto por 40.92% de carbono (C), 4.58% de hidrógeno (H) y 54.50% de oxígeno (O) en masa. Determine su fórmula empírica.

4 Fórmula empírica del ácido ascórbico. La calcopirita (CuFeS 2 ) es un mineral principal del cobre. Calcule el número de kilogramos de Cu en x l0 3 kg de calcopirita. Las masas molares de Cu y CuFeS 2 son g y g, masa de Cu en CuFeS 2 = x 3.71 x 10 3 kg = 1.28 x 1 O3 kg La fórmula empírica El hecho de que sea posible determinar la fórmula empírica de un compuesto si se conoce su composición porcentual permite identificar experimentalmente los compuestos. El procedimiento es como sigue. Primero, el análisis químico indica el número de gramos de cada elemento presente en una determinada cantidad de un compuesto. Después, las cantidades en gramos se convierten en número de moles de cada elemento. Por último, se encuentra la fórmula empírica del compuesto. Cuando se quema el etanol forma dióxido de carbono (CO 2 ) y agua (H 2 O). Debido a que el gas del aparato no contiene carbono ni hidrógeno, se puede concluir que tanto el carbono (C) como el hidrógeno (H) estaban presentes en el etanol y que también podría haber oxigeno (O). (Se agregó oxigeno molecular para el proceso de combustión, pero parte del oxígeno también podría provenir de la muestra original de etanol.) Las masas de CO 2 y de H 2 O producidas se pueden determinar midiendo el incremento en la masa de los absorbedores de CO, y de H,O, respectivamente. Supóngase que en un experimento la combustión de 11.5 g de etanol produjo 22.0 g de CO 2 y de 13.5 g de H 2 O. Es posible calcular la masa de carbono e hidrógeno en la muestra original de g de etanol así :

5 La fórmula molecular La fórmula calculada a partir de la composición porcentual en masa es siempre la fórmula empírica debido a que los subíndices en la fórmula se reducen siempre a los números enteros más pequeños. Para calcular la fórmula molecular, o real, se requiere conocer la masa molar aproximada del compuesto, además de su fórmula empírica. Conociendo que la masa molar de un compuesto debe ser un múltiplo entero de la masa molar de su fórmula empírica, la fórmula molecular se puede determinar en la forma Una muestra de un compuesto de nitrógeno (N) y oxígeno (0) contiene 1.52 g de N y 3.47 g de O. Se sabe que la masa molar de este compuesto está entre 90 g y 95 g. Determine la fórmula molecular y la masa molar del compuesto.

6 Así, la fórmula del compuesto es N o.108,0.217 Se dividen los subíndices entre el más pequeño, Después de redondear, se obtiene NO 2 como la fórmula empírica. La fórmula molecular debe ser igual que la fórmula empírica o un múltiplo entero de ella (por ejemplo, dos, tres, cuatro o más veces la fórmula empírica). La masa molar de la fórmula empírica, NO 2 es N 2 O 4 La masa molar del compuesto es 2(46.02 g) o g, valor que está entre 90 g y 95 g.