Massa atômica: definição, unidades e como calcular

Tudo com que você interage diariamente é basicamente feito de átomos. Um copo de água de 200 mL, por exemplo, contém cerca de 6,7 × 10²⁴ moléculas, e uma vez que o número de átomos em cada molécula é três, no total existem cerca de 2 × 10²⁵ átomos em apenas um copo. Isso é 20 milhões de bilhões - um número tão grande que você nem consegue imaginar - e isso é apenas em um pequeno copo de água. Compreender esses minúsculos constituintes da matéria é uma etapa crucial para compreender as propriedades macroscópicas com as quais estamos familiarizados no dia-a-dia.

Mas como você pode calcular algo como o número de átomos em um copo d'água? O truque, neste caso específico, era usar omassa molarde água, e o número conhecido de átomos em um mol de qualquer substância. Mas a massa molar, por sua vez, depende daunidade de massa atômica, que é absolutamente crucial entender para qualquer estudante de física ou química. Felizmente, esta é realmente uma simplificação da massa real de um átomo de qualquer substância, o que essencialmente diz a você a massa relativa em comparação com um único nêutron ou próton.

Os átomos têm três componentes principais: prótons, nêutrons e elétrons. Os prótons e nêutrons existem dentro do núcleo, que é um arranjo compacto de matéria que fica no centro do átomo, e os elétrons existem como uma “nuvem difusa” ao redor dele. Existe uma grande quantidade de espaço entre o núcleo e até mesmo o elétron mais próximo. O núcleo tem carga positiva, porque os prótons têm carga positiva e os nêutrons são neutros, enquanto a nuvem de elétrons carrega uma carga negativa que equilibra a do nêutron.

O núcleo contém a maior parte da massa do átomo, porque os nêutrons e prótons são muito, muito mais pesados ​​do que os elétrons. Na verdade, os prótons ou nêutrons são cerca de 1.800 vezes maiores do que os elétrons, muito maiores que em muitos casos, você pode negligenciar com segurança a massa de um elétron quando está pensando mais sobre a massa atômica geralmente.

A tabela periódica lista todos os elementos (ou seja, tipos de átomo) encontrados na natureza, começando com o mais simples, que é o átomo de hidrogênio. Onúmero atômicode um átomo (dado o símboloZ) informa quantos prótons o átomo do elemento possui em seu núcleo e é o número superior no bloco relevante da tabela periódica. Porque carrega a carga positiva e o número de elétrons (que é uma informação essencial quando você está pensando em ligações atômicas) tem que ser igual a isso para a neutralidade elétrica geral principal, este número realmente caracteriza o elemento.

Pode ser diferenteisótoposdo mesmo elemento, no entanto, que têm o mesmo número de prótons (e, portanto, podem ser razoavelmente considerados o mesmo elemento), mas um número diferente de nêutrons. Eles podem ou não ser estáveis, o que é um tópico interessante por si só, mas é importante observar por enquanto é que diferentes isótopos têm diferentes massas, mas as mesmas propriedades gerais na maioria dos outros maneiras.

Embora os átomos em sua forma comum sejam eletricamente neutros, alguns átomos são propensos a ganhar ou perder elétrons, o que pode dar a eles uma carga elétrica líquida. Os átomos que passaram por um desses processos são chamados de íons.

A massa atômica é geralmente definida em termos de unidades de massa atômica (amu). A definição oficial é que 1 amu é 1/12 da massa de um átomo de carbono-12. Aqui, o carbono-12 é a maneira padrão de dizer "o isótopo do carbono com seis prótons e seis nêutrons ", então você pode pensar em uma unidade de massa atômica como sendo a massa de um próton ou um nêutron. Então, de certa forma, o número de massa atômica é o número de prótons e nêutrons no núcleo, e isso significa que não é o mesmo que o número atômico,Z​.

É importante notar que, pelas razões explicadas na última seção, a massa dos elétrons no átomo é negligenciada quando você está falando sobre massa atômica na maioria das situações. Outra nota interessante é que a massa de um átomo é, na verdade, ligeiramente menor do que a massa de todos os componentes combinados, por causa da “energia de ligação” necessária para manter o núcleo unido. No entanto, esta é outra complicação que você realmente não precisa considerar na maioria das situações.

O número mais baixo no bloco de um elemento na tabela periódica é a massa atômica média, que também é diferente da massa expressa em unidades de massa atômica. Esta é essencialmente uma média ponderada das massas dos diferentes isótopos de um elemento, contabilizando sua abundância relativa na Terra. Então, em certo sentido, esta é a medida "geral" mais precisa da massa de um elemento, mas na prática a massa atômica de qualquer isótopo particular será um número inteiro em unidades de massa atômica. Em tabelas periódicas mais simples, este "número de massa atômica" (UMA) é usado em vez da massa atômica média.

Omassa molecular(ou, para usar um termo menos preciso, mas também comum, "peso molecular") é a massa de uma molécula de uma substância em unidades de massa atômica. Resolver isso é realmente simples: você encontra a fórmula química para a substância em questão e, em seguida, soma as massas atômicas dos átomos constituintes. Por exemplo, o metano é composto de um átomo de carbono e quatro átomos de hidrogênio e, portanto, tem a massa desses componentes combinados. Um átomo de carbono-12 tem uma massa atômica de 12, e cada átomo de hidrogênio tem uma massa atômica de 1, então a massa molecular total de uma molécula de metano é 16 amu.

A massa molar de uma substância é a massa de um mol da substância. Isso se baseia no número de Avogadro, que informa o número de átomos ou moléculas em um mol de uma substância e a definição de um mol. Uma toupeira é a quantidade de uma substância que torna sua massa em gramas igual ao seu número de massa atômica. Assim, para o carbono-12, por exemplo, um mol tem uma massa de 12 g.

O número de Avogadro é 6.022 × 10²³e, portanto, 12 g de carbono-12 contém essa quantidade de átomos e, da mesma forma, 4 g de hélio também contém essa quantidade de átomos. É importante lembrar que se a substância em questão é uma molécula (ou seja, algo composto por mais de um átomo), o número de Avogadro informa o número demoléculasem vez do número de átomos.

Isso lhe dá tudo que você precisa saber para percorrer um exemplo como o do copo d'água na introdução. O copo continha 200 mL, o que corresponde a 200 g em massa, e uma molécula de água (fórmula química H₂O) tem dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio, para uma massa molecular de 18 amu e uma massa molar de 18 g. Então, para encontrar o número de átomos, você simplesmente divide a massa pela massa de uma toupeira para encontrar o número de mols e, em seguida, multiplica pelo número de Avogadro para encontrar o número de moléculas. Finalmente, observando que cada molécula tem três átomos, você multiplica por três para encontrar o número de átomos individuais.

Trabalhar com mais exemplos pode ajudá-lo a entender os conceitos-chave sobre a massa atômica. O exemplo mais simples é calcular a massa de um elemento simples como o carbono-12. O processo é realmente simples se você estiver pensando apenas em termos de amu, mas também pode converter amu em kg com bastante facilidade para obter uma medição mais padronizada da massa de carbono.

Você deve ser capaz de calcular a massa de um átomo de carbono em um com base no que você já aprendeu com o artigo, e observando que existem seis prótons e seis nêutrons em cada átomo. Então, qual é a massa de um átomo de carbono em um? Claro, são 12 horas da manhã. Você adiciona os seis prótons aos seis nêutrons e encontra a resposta, já que ambos os tipos de partícula têm uma massa de 1 amu.

Converter amu em kg também é bastante simples a partir deste ponto: 1 amu = 1,66 × 10⁻²⁷ kg, então

Isto é umrealmentemassa minúscula (e é por isso que a massa atômica é geralmente medida em amu), mas é importante notar que a massa de um elétron é cerca de 9 × 10⁻³¹, então está claro que mesmo adicionar todos os 12 elétrons à massa do átomo de carbono não teria feito uma diferença notável.

O peso molecular é um pouco mais complicado do que apenas calcular a massa de um átomo, mas tudo que você precisa fazer é olhar para a fórmula química da molécula e combinar as massas dos átomos individuais para encontrar o total. Por exemplo, tente calcular a massa do benzeno, que tem a fórmula química: C₆H₆, observando que eles são átomos de carbono-12 e é o isótopo comum de hidrogênio, em vez de deutério ou trítio.

A chave é perceber que você tem seis átomos de carbono-12 e seis de hidrogênio, então a massa da molécula é:

O processo de encontrar o peso molecular pode ficar um pouco mais complicado para moléculas maiores, mas sempre segue esse mesmo processo.

Encontrar a massa atômica média de um elemento envolve considerar a massa atômicaea abundância relativa do isótopo específico na Terra. O carbono é um bom exemplo disso porque 98,9 por cento de todo o carbono na Terra é carbono-12, com 1,1 por cento sendo carbono-13 e ummuitopequena porcentagem sendo carbono-14, que pode ser negligenciado com segurança.

O processo para resolver isso é na verdade bastante simples: multiplique a proporção do isótopo pela massa do isótopo em um e, em seguida, some os dois. Carbono-12 é o isótopo de carbono mais comum, então você esperaria que o resultado fosse muito próximo a 12 amu. Lembre-se de converter as porcentagens em decimais (divida por 100) antes de calcular e você obterá a resposta correta:

Este resultado é exatamente o que você encontrará em uma tabela periódica que lista a massa atômica média, em vez da massa do isótopo mais comum.