Uno dei compiti comuni che dovrai svolgere come scienziato in erba in grado di lavorare con i dati è comprendere il concetto di media. Spesso incontrerai un campione di oggetti simili che differiscono in base a una singola caratteristica che stai studiando, come la massa.
Potrebbe anche essere necessario calcolare la massa media di un gruppo di oggetti che non puoi pesare direttamente, come gli atomi.
La maggior parte dei 92 atomi che si trovano in natura si presentano in due o più forme leggermente diverse, chiamate isotopi. Gli isotopi dello stesso elemento differiscono tra loro solo per il numero di neutroni contenuti nei loro nuclei.
Può essere utile applicare tutti questi principi insieme per ottenere la massa media di una selezione di atomi estratti da un pool noto di diversi isotopi.
Cosa sono gli atomi?
Gli atomi sono la più piccola unità individuale di un elemento costituita da tutte le proprietà di quell'elemento. Gli atomi sono costituiti da un nucleo contenente protoni e neutroni attorno al quale orbitano elettroni quasi privi di massa.
Protoni e neutroni pesano più o meno allo stesso modo. Ogni protone contiene una carica elettrica positiva uguale in grandezza e di segno opposto a quella di un elettrone (negativo), mentre i neutroni non portano carica netta.
Gli atomi sono caratterizzati principalmente dal loro numero atomico, che è solo il numero di protoni nell'atomo. L'aggiunta o la sottrazione di elettroni crea un atomo carico chiamato ione, mentre cambiando il numero di neutroni si crea un isotopo dell'atomo, e quindi l'elemento, in questione.
Isotopi e numero di massa
Il numero di massa di un atomo è il numero di protoni più neutroni che possiede. Il cromo (Cr), ad esempio, ha 24 protoni (definendo così l'elemento come cromo) e nella sua forma più stabile - cioè l'isotopo che compare più spesso in natura - ha 28 neutroni. Il suo numero di massa è quindi 52.
Gli isotopi di un elemento sono specificati dal loro numero di massa quando vengono scritti. Quindi l'isotopo del carbonio con 6 protoni e 6 neutroni è carbonio-12, mentre l'isotopo più pesante con un neutrone in più è carbonio-13.
La maggior parte degli elementi si presenta come una miscela di isotopi con uno significativamente predominante sugli altri in termini di "popolarità". Ad esempio, il 99,76 percento dell'ossigeno naturale è ossigeno-16. Alcuni elementi, tuttavia, come il cloro e il rame, mostrano una più ampia distribuzione degli isotopi.
Formula di massa media
Una media matematica è semplicemente la somma di tutti i risultati individuali in un campione diviso per il numero totale di elementi in un campione. Ad esempio, in una classe con cinque studenti che hanno ottenuto punteggi del quiz di 3, 4, 5, 2 e 5, la media della classe sul quiz sarebbe
\frac{3+4+5+2+5}{5}=3.8
L'equazione della massa media può essere scritta in molti modi e in alcuni casi sarà necessario conoscere le caratteristiche relative alla media, come la deviazione standard. Per ora, concentrati solo sulla definizione di base.
Media ponderata e isotopi
Conoscere la frazione relativa di ciascun isotopo di un particolare elemento che si trova in natura permette di calcolare ilmassa atomicadi quell'elemento, che, essendo una media, non è la massa di un qualsiasi atomo ma un numero che sta tra gli isotopi più pesanti e quelli più leggeri presenti.
Se tutti gli isotopi fossero presenti nella stessa quantità, potresti semplicemente sommare la massa di ciascun tipo di isotopo e dividerla per il numero di diversi tipi di isotopi presenti (di solito due o tre).
La massa atomica media, espressa in unità di massa atomica (amu), è sempre simile al numero di massa, ma non è un numero intero.
Massa atomica media: esempio
Il cloro-35 ha una massa atomica di 34,969 amu e rappresenta il 75,77% del cloro sulla Terra.
Il cloro-37 ha una massa atomica di 36,966 amu e un'abbondanza percentuale del 24,23%.
Per calcolare la massa atomica media del cloro, utilizzare le informazioni in una tavola periodica dell'elemento (vedi Risorse) per trovare la media (pesata) ma cambiando le percentuali in decimali:
(34.969 \times 0.7577) + (36.966 \times 0.2423) = 35,45\text{ amu}