O número de massa

Número Atômico e Número de Massa
4
Número atômico e número de massa
A Nature, uma das revistas científicas mais renomadas do Mundo, publicou em janeiro desse
ano (2016) o artigo intitulado: Four chemical elements added to periodic table, assinado pelo
jornalista científico Richard Van Noorden. Nela a IUPAC (do inglês: International Union of Pure
and Applied Chemistry) anunciou que uma equipe russo-americana de cientistas do Instituto de
Pesquisa Nuclear em Dubna, na Rússia, e o Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na
Califórnia, conseguiram produzir provas suficientes para afirmar a descoberta dos elementos 113,
115, 117 e 118. Mantendo a tradição, os elementos recém-descobertos podem ser nomeado por:
(A) um conceito mitológico ou características (incluindo um objeto astronômico),
(B) um mineral ou substância semelhante,
(C) um lugar, ou região geográfica,
(D) uma propriedade do elemento, ou
(E) um cientista.
4.1. Analise o gráfico retirado do artigo citado acima e responda:
a. Qual é o significado da ordenada e da abscissa?
b. Por que existe um intervalor de tempo entre a reinvindicação (Claimed) e confirmação
(Confirmed) da descoberta?
c. Qual a propriedade dos elementos que caracteriza a descoberta de um novo elemento?
A informação mais importante sobre o átomo é o número de prótons que ele possui em seu
núcleo. Esse número, chamado número atômico (Z), determina a identidade química de um átomo.
Em átomos neutros, o número de prótons é igual ao número de elétrons. Por exemplo, o elemento
de número atômico 1 é o Hidrogênio (H). Isto significa que cada átomo deste elemento contém 1
próton e 1 elétron. Os novos elementos descobertos foram o Nihonium (Nh) com Z =113, o
Moscovium (Mc) com Z = 115, Tennessine (Ts) com Z = 117, Oganesson (Og) com Z = 118. A
IUPAC recomenda representar o número atômico subescrito do lado esquerdo do símbolo químico
do elemento, 113Nh.
O número de massa (A) não representa a massa total do átomo, mas o número ou quantidade
de partículas com massas significativas do átomo, que o próton e o nêutron, visto que o elétron tem
massa aproximadamente 1836 vezes menor. Isto significa que a massa do elétron é considerada
insignificante para o cálculo da massa total do átomo. Desta forma, o número de massa de um
átomo, é a soma dos prótons e dos nêutrons existentes no núcleo do átomo:
A=p+n
Assim, a maneira aceita de representar o número atômico e o número de massa de um átomo
de um elemento químico (X) é como segue:
𝐴
𝑍𝑋
4.2. Complete a tabela a seguir com as informações que faltam:
Representação
Nome do
Número
Número de
Simbólica
Elemento
atômico
massa
Número de
nêutron
Número de
elétron
85
37𝑅𝑏
101
44𝑅𝑢
103
45𝑅ℎ
186
75𝑅𝑒
Unidade de massa atômica
No trabalho em laboratório, o conhecimento da massa atômica é de longe o parâmetro mais
importante que o químico deve conhecer e aprender a manipular. Do ponto de vista prático, é
impossível "pesar" um único átomo em uma balança de laboratório. Mesmo que fosse possível, o
emprego da massa de átomos em kg seria inadequado, uma vez que é extremamente pequena. Por
isso, criou-se uma unidade compatível as dimensões atômicas para se determinar a massa de um
átomo, a unidade de massa atômica, simbolizada pela letra u ou em literaturas mais antigas,
u.m.a.
Todas as medidas de uma grandeza (massa, distância, temperatura) são feitas por comparação
com uma grandeza padrão. Essa grandeza padrão é escolhida ou criada de acordo com algumas
conveniências, mas principalmente a facilidade de ser reproduzida. O Sistema Internacional de
Unidades (SI) é um sistema utilizado para realizar medidas padronizadas, adotando-se uma unidade
para cada grandeza física (Tabela 4.1)
4.3. Você conhece alguma referência que foi usada como um padrão de medida? Qual?
Tabela 4.1. Unidade básicas do sistema internacional (SI)
Grandeza
Unidade
símbolo definição da unidade
comprimento metro
m
é o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo
durante um intervalo de tempo de 1/299.792.458 segundo.
Assim, a velocidade da luz no vácuo, c0, é exatamente
igual a 299.792.458 m/s.
massa
kg
é a unidade de massa, igual à massa do protótipo
internacional do quilograma. Assim, a massa do protótipo
internacional do quilograma, m(К), é exatamente igual a
1kg.
quilograma
tempo
segundo
s
é a duração de 9.192.631.770 períodos da radiação
correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos
do estado fundamental do átomo de Césio-133. Assim, a
frequência da transição hiperfina do estado fundamental
do átomo de césio 133, ν(hfs Cs), é exatamente igual a
9.192.631.770 Hz.
Massa
atômica
Unidade de
massa
atômica
u
é a massa equivalente a 1/12 da massa do isótopo 12 do
elemento carbono em seu estado fundamental.
1u = 1,660538 x 10-27 kg (que equivale aproximadamente
à massa de um próton ou de um nêutron)
4.4. Qual a massa atômica em unidade de massa atômica do isótopo 12 do elemento carbono?
Por mais confuso que pareça, na verdade é simples. A massa de um átomo, medida em
unidades de massa atômica, corresponde a quantas vezes esse átomo é mais pesado que 1/12 do
isótopo 12 do carbono. Corresponde, portanto, a quantas vezes o átomo em questão é mais pesado
que o padrão (1/12 do isótopo 12 do carbono). Quando dizemos que um átomo de enxofre tem
massa 32 u, estamos dizendo que sua massa é 32 vezes maior que 1/12 da massa do isótopo 12 do
carbono.
A escala de massa atômica pode ser visualizada como uma longa linha de números que
percorrem de 1 até 280 u.
4.3. Faça uma interpretação da escala representada acima.
Experimentalmente, verifica-se que, em média, um átomo de hidrogênio contém apenas
8,400% da massa do isótopo 12 do carbono. Assim, considerando que a massa do isótopo 12 do
carbono é igual a exatamente 12 u, a massa do hidrogênio será 0,084 x 12,00 u, ou seja, igual a
1,008 u. Cálculos análogos mostram que as massas atômicas do oxigênio e do ferro são,
respectivamente, iguais a 16,00 u e 55,85 u.
Massa atômica e abundância isotópica
O grupo da platina é o nome dado a seis elementos metálicos que possuem algumas
propriedades físicas e químicas similares e que tendem a ocorrer juntos nos mesmos depósitos
minerais. Estes metais, também conhecidos como platinóides, são o ruténio, o ródio, o paládio, o
ósmio, o irídio e a platina. Da mesma forma que os demais elementos químicos, os metais do grupo
da platina são catalogados na tabela periódica, com as principais informações sobre os elementos. A
seguir está um fragmento da tabela periódica que inclui esses metais.
44
45
46
Ru
Rh
Pd
Rutênio
101,07
Ródio
102,905
Paládio
106,42
76
77
78
Os
Ir
Pt
Ósmio
190,23
Irídio
192,217
Platina
195,966
Número Atômico
Símbolo
Nome
Massa Atômica
4.4. Por que a massa atômica dos elementos mostrados na tabela periódica não é um número
inteiro, uma vez que ela é obtida pela soma de números inteiro de prótons e nêutrons?
Devemos lembrar que elemento químico é o conjunto de átomos que possuem mesmo número
atômico. Dentro desse conjunto, existem isótopos, ou seja, átomos que apresentam igual número
atômico mas diferente massa atômica. Por exemplo, o elemento cloro, de número atômico 17,
existem dois isótopos, um com número de massa 35 e outro com massa 37.
4.5 Qual o número de prótons e nêutrons dos isótopos do elemento cloro?
Isótopos são átomos de um mesmo elemento químico que possuem diferentes números de
massa e sendo assim, diferente número de nêutrons. Por exemplo, na figura abaixo está
representado três isótopos do hidrogênio. O primeiro, designado por prótio, por ter apenas um
próton, tem uma abundância relativa de 99,985%; o segundo, o deutério (que tem um próton e um
nêutron) apresenta uma abundância relativa de 0,00156% e o terceiro, o trítio (tem um próton e
dois nêutrons), a abundância relativa é de 10-15%.
4.6. Calcule a massa atômica do hidrogênio considerando as massas e a abundância relativa de
cada isótopo.
Na natureza, a maioria dos elementos é encontrada como uma mistura de isótopos. O boro,
por exemplo, ocorre como uma mistura de 19,9% de 10B e 80,1% de 11B. As porcentagens citadas
são porcentagens em números, isto é, de cada 100 átomos de boro, 19,9 são 10B e 80,1 são 11B.
4.7. Calcule a massa atômica do átomo de boro considerando as massas e a abundância relativa de
cada isótopo.
As massas e abundâncias isotópicas são atualmente determinadas por meio de uma técnica
denominada espectrometria de massas. O espectrômetro de massas é descendente do dispositivo
empregado por Thomson para determinar a relação carga/massa do elétron. Primeiramente, os
átomos são ionizados positivamente por meio de um bombardeio de elétrons de alta energia. Esses
elétrons removem alguns elétrons na região extranuclear dos átomos, e os cátions resultantes são
acelerados por um campo elétrico. Um campo magnético então desvia o caminho do feixe de íons
com um ângulo que depende da relação carga/massa dos íon. Se a amostra original é uma mistura
de isótopos, então o feixe é separado em uma série de feixes, cada um contendo íons com uma
relação carga/massa específica. Na figura a seguir está um esquema de um espectrômetro de massas
separando três partículas hipotéticas de massas X+, Y+ e Z+.
4.8. Use as informações do esquema e do texto acima para explicar qual das partículas hipotéticas
(X+, Y+ e Z+), possui a maior massa?
O número de algarismos significativos e até mesmo o valor da massa atômica podem variar
de fonte bibliográfica para outra, como pode ser vista na figura a seguir:
6
6
6
6
C
C
C
C
Carbono
12.011
12.011
12.01
Carbon
Carbon
12.0107(8)
Tabela Periódica
SBQ 2010
CRC Handbook of
Chemistry, 3a. ed.
Chang e Goldsby
Química, 11a. ed.
IUPAC
2016
A diferenças nos algarismos significativos é geralmente, devido a conveniência de se
apresentar um valor aproximado, mas, principalmente, à continua pesquisa em novos métodos de
determinação da massa atômica. O valor mais recente da massa atômica para o carbono obtido por
espectrometria de massas (MS, do inglês: Mass Spectrometry) e aceito pela IUPAC é 12,0107 ± 8
com a incerteza no último dígito.