Ogni elemento della tavola periodica ha un numero unico di protoni con carica positiva nel suo nucleo, ma il numero di neutroni, che non hanno carica, può variare. Gli atomi di un elemento con un diverso numero di neutroni sono isotopi di quell'elemento. Tutti gli elementi tranne 20 hanno più di un isotopo naturale e alcuni elementi ne hanno molti. Lo stagno (Sn), con 10 isotopi naturali, è il vincitore di questa categoria. I neutroni hanno la stessa massa dei protoni, quindi isotopi diversi hanno masse atomiche diverse e l'atomo il peso di un elemento elencato nella tavola periodica è una media di ciascun isotopo moltiplicata per il suo abbondanza.
Peso atomico = ∑ (massa atomica x abbondanza relativa)
È possibile calcolare matematicamente le abbondanze frazionarie per elementi con due isotopi in base alle masse atomiche degli isotopi, ma sono necessarie tecniche di laboratorio per elementi con più di due.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
Se un elemento ha due isotopi, puoi trovare le loro abbondanze frazionarie usando la matematica. Altrimenti, hai bisogno di uno spettrometro di massa.
Calcolo dell'abbondanza relativa di due isotopi
Consideriamo un elemento con due isotopi di massa m1 e m2. Le loro abbondanze frazionarie devono sommarsi a 1, quindi se l'abbondanza della prima è x, l'abbondanza della seconda è 1 - x. Questo significa
Peso atomico = m1x + m2(1 - x).
Semplificando e risolvendo per x:
x = (peso atomico - m2) ÷ (m1 - m2)
La quantità x è l'abbondanza frazionaria dell'isotopo con massa m1.
Esempio di calcolo
Il cloro ha due isotopi naturali: 35Cl, con una massa di 34,9689 amu (unità di massa atomica) e 37Cl, con una massa di 36,9659 amu. Se il peso atomico del cloro è 35,46 amu, quali sono le abbondanze frazionarie di ciascun isotopo?
Sia x l'abbondanza frazionaria di 35cl. Secondo l'equazione sopra, se lasciamo che la massa di 35Cl essere m1 e quello di 37Cl essere m2, noi abbiamo:
x = (35,46 - 36,9659) ÷ (34,9689 - 36,9659) = 0,5911/1,997 = -1,5059/-1,997 = 0,756
L'abbondanza frazionaria di 35Cl è 0,756 e quello di 37Cl è 0,244.
Più di due isotopi
Gli scienziati determinano le abbondanze relative di elementi con più di due isotopi in laboratorio utilizzando una tecnica chiamata spettrometria di massa. Vaporizzano un campione contenente l'elemento e lo bombardano con elettroni ad alta energia. Questo carica le particelle, che vengono dirette attraverso un campo magnetico che le devia. Gli isotopi più pesanti vengono deviati più di quelli più leggeri. Lo spettrometro misura il rapporto massa-carica di ciascun isotopo che rileva, misura i numeri di ciascuno e li visualizza come una serie di linee, chiamate spettro. Lo spettro è come un grafico a barre che traccia il rapporto massa-carica rispetto all'abbondanza relativa.