stringtranslate.com

Peso atómico estándar

Ejemplo: cobre en fuentes terrestres. Están presentes dos isótopos: cobre-63 (62,9) y cobre-65 (64,9), en abundancias del 69% + 31%. El peso atómico estándar ( A r °(Cu)) para el cobre es el promedio, ponderado por su abundancia natural, y luego dividido por la constante de masa atómica m u . [1]

El peso atómico estándar de un elemento químico (símbolo A r °(E) para el elemento "E") es la media aritmética ponderada de las masas isotópicas relativas de todos los isótopos de ese elemento ponderados por la abundancia de cada isótopo en la Tierra . Por ejemplo, el isótopo 63 Cu ( A r = 62,929) constituye el 69% del cobre en la Tierra, siendo el resto 65 Cu ( A r = 64,927), por lo que

Como las masas isotópicas relativas son cantidades adimensionales , esta media ponderada también es adimensional. Se puede convertir en una medida de masa (con dimensión M ) multiplicándola por el dalton , también conocido como constante de masa atómica.

Entre las diversas variantes de la noción de peso atómico ( A r , también conocido como masa atómica relativa ) utilizadas por los científicos, el peso atómico estándar ( A r °) es el más común y práctico. El peso atómico estándar de cada elemento químico es determinado y publicado por la Comisión de Abundancias Isotópicas y Pesos Atómicos (CIAAW) de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) basándose en fuentes terrestres naturales y estables del elemento. La definición especifica el uso de muestras de muchas fuentes representativas de la Tierra, de modo que el valor puede usarse ampliamente como el peso atómico de las sustancias tal como se encuentran en la realidad, por ejemplo, en productos farmacéuticos e investigación científica. Los pesos atómicos no estandarizados de un elemento son específicos de las fuentes y muestras, como el peso atómico del carbono en un hueso particular de un sitio arqueológico particular. El peso atómico estándar promedia dichos valores en el rango de pesos atómicos que un químico podría esperar derivar de muchas muestras aleatorias de la Tierra. Este rango es la razón de la notación de intervalo dada para algunos valores de peso atómico estándar.

De los 118 elementos químicos conocidos, 80 tienen isótopos estables y 84 tienen este valor basado en el entorno terrestre. Normalmente, dicho valor es, por ejemplo, el helio: A r °(He) = 4.002 602 (2) . El "(2)" indica la incertidumbre en el último dígito mostrado, para leer4.002 602 ± 0.000 002 . La IUPAC también publica valores abreviados , redondeados a cinco cifras significativas. Para el helio, A r, abreviado °(He) = 4.0026 .

En el caso de catorce elementos, las muestras difieren en este valor, porque sus fuentes de muestra han tenido un historial de desintegración diferente. Por ejemplo, el talio (Tl) en rocas sedimentarias tiene una composición isotópica diferente a la de las rocas ígneas y los gases volcánicos. Para estos elementos, el peso atómico estándar se indica como un intervalo: A r °(Tl) = [204,38, 204,39] . Con dicho intervalo, para situaciones menos exigentes, la IUPAC también publica un valor convencional . Para el talio, A r, °(Tl) convencional = 204.38 .

Definición

Extracto de una tabla periódica de la IUPAC que muestra la notación de intervalo de los pesos atómicos estándar del boro, el carbono y el nitrógeno (Chemistry International, IUPAC). Ejemplo: el gráfico circular del boro muestra que está compuesto por aproximadamente un 20 % de 10 B y un 80 % de 11 B. Esta mezcla de isótopos hace que se espere que el peso atómico de las muestras terrestres ordinarias de boro se encuentre dentro del intervalo de 10,806 a 10,821, y este intervalo es el peso atómico estándar . Las muestras de boro de fuentes inusuales, en particular fuentes no terrestres, podrían tener pesos atómicos medidos que se encuentran fuera de este rango. El peso atómico y la masa atómica relativa son sinónimos.

El peso atómico estándar es un valor especial de la masa atómica relativa. Se define como los "valores recomendados" de las masas atómicas relativas de las fuentes en el entorno local de la corteza terrestre y la atmósfera , según lo determinado por la Comisión de Pesos Atómicos y Abundancias Isotópicas (CIAAW) de la IUPAC . [2] En general, los valores de diferentes fuentes están sujetos a variación natural debido a un historial radiactivo diferente de las fuentes. Por lo tanto, los pesos atómicos estándar son un rango de expectativa de pesos atómicos de una variedad de muestras o fuentes. Al limitar las fuentes solo al origen terrestre, los valores determinados por la CIAAW tienen menos variación y son un valor más preciso para las masas atómicas relativas (pesos atómicos) que realmente se encuentran y se usan en materiales del mundo.

Los valores publicados por la CIAAW se utilizan y, a veces, se exigen legalmente en los cálculos de masa. Los valores tienen una incertidumbre (indicada entre paréntesis) o son un intervalo de expectativa (véase el ejemplo en la ilustración inmediatamente superior). Esta incertidumbre refleja la variabilidad natural en la distribución isotópica de un elemento, en lugar de la incertidumbre en la medición (que es mucho menor con instrumentos de calidad). [3]

Aunque se intenta cubrir el rango de variabilidad de la Tierra con cifras de peso atómico estándar, se conocen casos de muestras minerales que contienen elementos con pesos atómicos que son atípicos respecto del rango de peso atómico estándar. [2]

En el caso de los elementos sintéticos, el isótopo formado depende del medio de síntesis, por lo que el concepto de abundancia de isótopos naturales no tiene sentido. Por lo tanto, en el caso de los elementos sintéticos, el recuento total de nucleones del isótopo más estable (es decir, el isótopo con la vida media más larga) se indica entre paréntesis, en lugar del peso atómico estándar.

Cuando se utiliza el término "peso atómico" en química, normalmente se hace referencia al peso atómico estándar más específico. Los pesos atómicos estándar son los que se utilizan en las tablas periódicas y en muchas referencias estándar de la química terrestre ordinaria.

El litio representa un caso único en el que se ha descubierto que las abundancias naturales de los isótopos han sido alteradas en algunos casos por actividades de separación isotópica humanas hasta el punto de afectar la incertidumbre en su peso atómico estándar, incluso en muestras obtenidas de fuentes naturales, como ríos. [ cita requerida ] [ dudosodiscutir ]

Definición de terrestre

Un ejemplo de por qué se deben especificar las "fuentes terrestres convencionales" al proporcionar valores de peso atómico estándar es el elemento argón. Entre ubicaciones en el Sistema Solar , el peso atómico del argón varía hasta un 10%, debido a la variación extrema en la composición isotópica. Donde la principal fuente de argón es la desintegración de40K en rocas,40
El Ar
será el isótopo dominante. Entre estos lugares se encuentran los planetas Mercurio y Marte, y la luna Titán. En la Tierra, las proporciones de los tres isótopos 36 Ar :  38 Ar :  40 Ar son aproximadamente 5 : 1 : 1600, lo que le da al argón terrestre un peso atómico estándar de 39,948(1).

Sin embargo, no sucede lo mismo en el resto del universo. El argón producido directamente, mediante la nucleosíntesis estelar , está dominado por el nucleido del proceso alfa .36
Ar
. En consecuencia, el argón solar contiene un 84,6 %.36
Ar
(según las mediciones del viento solar ), [4] y la relación de los tres isótopos 36 Ar :  38 Ar :  40 Ar en las atmósferas de los planetas exteriores es 8400 : 1600 : 1. [5] El peso atómico del argón en el Sol y la mayor parte del universo, por lo tanto, sería sólo aproximadamente 36,3. [6]

Causas de incertidumbre en la Tierra

Como es bien sabido, el valor publicado del peso atómico conlleva una incertidumbre. Esta incertidumbre (y la relacionada: la precisión) se desprende de su definición, ya que la fuente es "terrestre y estable". Las causas sistemáticas de la incertidumbre son:

  1. Límites de medición. Como siempre, la medición física nunca es finita. Siempre hay más detalles que encontrar y leer. Esto se aplica a cada isótopo puro que se encuentre. Por ejemplo, hoy en día la masa del principal isótopo natural del flúor ( flúor-19 ) se puede medir con una precisión de once decimales:18.998 403 163 (6) . Pero podría llegar a estar disponible un sistema de medición aún más preciso, que produzca más decimales.
  2. Mezclas imperfectas de isótopos. En las muestras tomadas y medidas, la mezcla (abundancia relativa) de esos isótopos puede variar. Por ejemplo, el cobre. Si bien en general sus dos isótopos representan el 69,15% y el 30,85% cada uno de todo el cobre encontrado, la muestra natural que se mide puede haber tenido una "mezcla" incompleta y, por lo tanto, los porcentajes son diferentes. La precisión mejora al medir más muestras, por supuesto, pero sigue existiendo esta causa de incertidumbre. (Ejemplo: las muestras de plomo varían tanto que no se puede notar una precisión mayor que cuatro cifras:207.2 )
  3. Fuentes terrestres con una historia diferente. Una fuente es el área más grande que se está investigando, por ejemplo, "agua del océano" o "roca volcánica" (a diferencia de una "muestra": el único montón de material que se está investigando). Parece que algunos elementos tienen una mezcla isotópica diferente por fuente. Por ejemplo, el talio en la roca ígnea tiene isótopos más ligeros, mientras que en la roca sedimentaria tiene isótopos más pesados. No existe un número medio terrestre. Estos elementos muestran la notación de intervalo: A r °(Tl) = [204.38204.39 ]. Por razones prácticas, también se publica un número 'convencional' simplificado (para Tl: 204.38).

Estas tres incertidumbres son acumulativas. El valor publicado es el resultado de todas ellas.

Determinación de la masa atómica relativa

Las masas atómicas relativas modernas (un término específico para una muestra de elemento dada) se calculan a partir de valores medidos de masa atómica (para cada nucleido) y composición isotópica de una muestra. Existen masas atómicas de alta precisión [7] [8] para prácticamente todos los nucleidos no radiactivos, pero las composiciones isotópicas son más difíciles de medir con alta precisión y están más sujetas a variación entre muestras. [9] [10] Por esta razón, las masas atómicas relativas de los 22 elementos mononucleídicos (que son las mismas que las masas isotópicas para cada uno de los nucleidos naturales individuales de estos elementos) se conocen con una precisión especialmente alta.

El cálculo se ejemplifica para el silicio , cuya masa atómica relativa es especialmente importante en metrología . El silicio existe en la naturaleza como una mezcla de tres isótopos: 28 Si, 29 Si y 30 Si. Las masas atómicas de estos nucleidos se conocen con una precisión de una parte en 14 mil millones para el 28 Si y aproximadamente una parte en mil millones para los demás. Sin embargo, el rango de abundancia natural para los isótopos es tal que la abundancia estándar solo se puede dar con un ±0,001% aproximadamente (ver tabla). El cálculo es

Ar (Si) = (27,97693 × 0,922297) + (28,97649 × 0,046832) + (29,97377 × 0,030872) = 28,0854

La estimación de la incertidumbre es complicada, [11] especialmente porque la distribución de la muestra no es necesariamente simétrica: las masas atómicas relativas estándar de la IUPAC se citan con incertidumbres simétricas estimadas, [12] y el valor para el silicio es 28,0855(3). La incertidumbre estándar relativa en este valor es 1 × 10 –5 o 10 ppm. Para reflejar aún más esta variabilidad natural, en 2010, la IUPAC tomó la decisión de enumerar las masas atómicas relativas de 10 elementos como un intervalo en lugar de un número fijo. [13]

Controversia sobre el nombre

El uso del nombre "peso atómico" ha suscitado una gran controversia entre los científicos. [14] Los detractores del nombre suelen preferir el término " masa atómica relativa " (que no debe confundirse con masa atómica ). La objeción básica es que el peso atómico no es un peso , es decir, la fuerza ejercida sobre un objeto en un campo gravitatorio , medida en unidades de fuerza como el newton o el poundal . [15]

En respuesta, los partidarios del término "peso atómico" señalan (entre otros argumentos) [14] que:

Se podría añadir que el peso atómico tampoco suele ser verdaderamente "atómico", ya que no corresponde a la propiedad de ningún átomo individual. El mismo argumento podría esgrimirse contra el uso de la "masa atómica relativa" en este sentido.

Valores publicados

La IUPAC publica un valor formal para cada elemento químico estable , llamado peso atómico estándar . [17] [1] : Tabla 1  Las actualizaciones se publican bianualmente (en años impares). En 2015, se actualizó el peso atómico del iterbio. [17] En 2017, se cambiaron 14 pesos atómicos, incluido el argón, que pasó de un solo número a un valor de intervalo. [18] [19]

El valor publicado puede tener una incertidumbre, como en el caso del neón:20.1797(6) , o puede ser un intervalo, como para el boro: [10.806, 10.821].

Además de estos 84 valores, la IUPAC también publica valores abreviados (hasta cinco dígitos por número solamente) y, para los doce valores de intervalo, valores convencionales (valores de un solo número).

El símbolo A r es una masa atómica relativa, por ejemplo, de una muestra específica. Para ser más específico, el peso atómico estándar se puede indicar como A r °(E) , donde (E) es el símbolo del elemento.

Peso atómico abreviado

El peso atómico abreviado , también publicado por la CIAAW, se deriva del peso atómico estándar, reduciendo los números a cinco dígitos (cinco cifras significativas). El nombre no indica "redondeado".

Los límites de intervalo se redondean hacia abajo para el primer límite (el más bajo) y hacia arriba para el límite superior (el más alto). De esta manera, se cubre por completo el intervalo original más preciso. [1] : Tabla 2 

Ejemplos:

Peso atómico convencional

Catorce elementos químicos (hidrógeno, litio, boro, carbono, nitrógeno, oxígeno, magnesio, silicio, azufre, cloro, argón, bromo, talio y plomo) tienen un peso atómico estándar que no se define como un número único, sino como un intervalo. Por ejemplo, el hidrógeno tiene A r °(H) = [1,00 784, 1,00811] . Esta notación indica que las diversas fuentes de la Tierra tienen constituciones isotópicas sustancialmente diferentes y que las incertidumbres en todas ellas están cubiertas por los dos números. Para estos elementos, no existe una constitución "promedio de la Tierra" y el valor "correcto" no es su punto medio (que sería 1,007975 para el hidrógeno, con una incertidumbre de (±0,000135) que lo haría cubrir solo el intervalo). Sin embargo, para situaciones en las que es aceptable un valor menos preciso, por ejemplo en el comercio, la CIAAW ha publicado un peso atómico convencional de un solo número . Para el hidrógeno, A r, convencional °(H) = 1,008 . [1] : Tabla 3 

Un peso atómico corto formal

Utilizando el valor abreviado y el valor convencional para los catorce valores de intervalo, se puede dar un valor definido por la IUPAC breve (5 dígitos más la incertidumbre) para todos los elementos estables. En muchas situaciones y en las tablas periódicas, esto puede ser suficientemente detallado. [1] : Tablas 2 y 3 

Lista de pesos atómicos

  1. ^
      ( Esta lista: )
    La CIAAW puede publicar cambios en los pesos atómicos (incluyendo su precisión y valores derivados). Desde 1947, cualquier actualización se realiza en años impares nominalmente; la fecha real de publicación puede ser posterior.
    • 2009 (introducción de la notación de intervalos; Ge):
    "Pesos atómicos de los elementos 2009 (Informe técnico de la IUPAC)". Pure Appl. Chem . 83 (2): 359–396. 12 de diciembre de 2010. doi :10.1351/PAC-REP-10-09-14.
    • 2011 (intervalo para Br, Mg):
    "Pesos atómicos de los elementos 2011 (Informe técnico de la IUPAC)". Pure Appl. Chem . 85 (5): 1047–1078. 29 de abril de 2013. doi :10.1351/PAC-REP-13-03-02.
    • 2013 ( todos los elementos enumerados ):
    Meija, Juris; et al. (2016). "Pesos atómicos de los elementos 2013 (Informe técnico de la IUPAC)". Química pura y aplicada . 88 (3): 265–91. doi : 10.1515/pac-2015-0305 .
    • 2015 (iterbio modificado):
    "Peso atómico estándar del iterbio revisado". Chemistry International . 37 (5–6): 26. Octubre 2015. doi : 10.1515/ci-2015-0512 . eISSN  0193-6484. ISSN  0193-6484.
    • 2017 (14 valores modificados):
    "Pesos atómicos estándar de 14 elementos químicos revisados". CIAAW. 5 de junio de 2018.
    • 2019 (valor del hafnio modificado): Meija, Juris; et al. (9 de diciembre de 2019). "Peso atómico estándar del hafnio revisado". CIAAW . Consultado el 25 de febrero de 2020 .
    • 2020 * (valor de plomo modificado): Zhu, Xiang-Kun; Benefield, Jacqueline; Coplen, Tyler B.; Gao, Zhaofu; Holden, Norman E. (1 de octubre de 2020). "Variación de la composición isotópica del plomo y el peso atómico en materiales terrestres (Informe técnico de la IUPAC)". doi :10.1515/pac-2018-0916.
    * "2020" es un año inconsistente para la publicación de cambios: la CIAAW sostiene que solo en los años impares se publican los cambios.
    • 2021 ( todos los elementos enumerados ); (se cambiaron 4 valores; se introdujo un nuevo símbolo; se fusionaron las columnas "convencional" con "abreviado"; se cambió la notación de incertidumbre (se usó "±")
    Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (4 de mayo de 2022). "Pesos atómicos estándar de los elementos 2021 (Informe técnico de la IUPAC)". Química Pura y Aplicada . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
    Manejo de la incertidumbre

    Acerca de la notación y el manejo de la incertidumbre en los valores, incluidos aquellos en el rango [ ]:

    • Possolo, Antonio; van der Veen, Adriaan MH; Meija, Juris; et al. (4 de enero de 2018). "Interpretación y propagación de la incertidumbre de los pesos atómicos estándar (informe técnico de la IUPAC)". doi :10.1515/pac-2016-0402 . Consultado el 20 de octubre de 2020 .
    • {{ CIAAW2021 }} : cambiar la notación (es decir, la interpretación, no el valor) de123.45(2) en123,45 ± 0,02
    Véase también: {{ Tabla de isótopos/referencias }}

En la tabla periódica

Véase también

Referencias

  1. ^ abcdef Meija, Juris; et al. (2016). "Pesos atómicos de los elementos 2013 (Informe técnico de la IUPAC)". Química pura y aplicada . 88 (3): 265–91. doi : 10.1515/pac-2015-0305 .
  2. ^ ab "IUPAC Goldbook". Compendio de terminología química . doi : 10.1351/goldbook.S05907 . Consultado el 12 de julio de 2019 . pesos atómicos estándar: Valores recomendados de masas atómicas relativas de los elementos revisados ​​cada dos años por la Comisión de Pesos Atómicos y Abundancias Isotópicas de la IUPAC y aplicables a elementos en cualquier muestra normal con un alto nivel de confianza. Una muestra normal es cualquier fuente razonablemente posible del elemento o sus compuestos en el comercio para la industria y la ciencia y que no haya estado sujeta a una modificación significativa de la composición isotópica dentro de un período geológicamente breve.
  3. ^ Wieser, M. E (2006). "Pesos atómicos de los elementos 2005 (Informe técnico de la IUPAC)" (PDF) . Química pura y aplicada . 78 (11): 2051–2066. doi :10.1351/pac200678112051. S2CID  94552853.
  4. ^ Lodders, K. (2008). "La abundancia de argón solar". Astrophysical Journal . 674 (1): 607–611. arXiv : 0710.4523 . Código Bibliográfico :2008ApJ...674..607L. doi :10.1086/524725. S2CID  59150678.
  5. ^ Cameron, AGW (1973). "Abundancias elementales e isotópicas de los elementos volátiles en los planetas exteriores". Space Science Reviews . 14 (3–4): 392–400. Bibcode :1973SSRv...14..392C. doi :10.1007/BF00214750. S2CID  119861943.
  6. ^ Esto se puede determinar a partir de las cifras anteriores según la definición de peso atómico y WP:CALC
  7. ^ "Pesos atómicos y composiciones isotópicas de todos los elementos". Instituto Nacional de Estándares y Tecnología .
  8. ^ ab Wapstra, AH; Audi, G.; Thibault, C. (2003), La evaluación de masa atómica AME2003 (edición en línea), Centro Nacional de Datos Nucleares. Residencia en:
    • Wapstra, AH; Audi, G.; Thibault, C. (2003), "La evaluación de la masa atómica AME2003 (I)", Nuclear Physics A , 729 : 129–336, Bibcode :2003NuPhA.729..129W, doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.002
    • Audi, G.; Wapstra, AH; Thibault, C. (2003), "La evaluación de masa atómica AME2003 (II)", Nuclear Physics A , 729 : 337–676, Bibcode :2003NuPhA.729..337A, doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003
  9. ^ ab Rosman, KJR; Taylor, PDP (1998), "Composiciones isotópicas de los elementos 1997" (PDF) , Química pura y aplicada , 70 (1): 217–35, doi :10.1351/pac199870010217
  10. ^ Coplen, TB; et al. (2002), "Variaciones de abundancia isotópica de elementos seleccionados" (PDF) , Química pura y aplicada , 74 (10): 1987–2017, doi :10.1351/pac200274101987
  11. ^ Meija, Juris; Mester, Zoltán (2008). "Propagación de la incertidumbre de los resultados de las mediciones del peso atómico". Metrologia . 45 (1): 53–62. Bibcode :2008Metro..45...53M. doi :10.1088/0026-1394/45/1/008. S2CID  122229901.
  12. ^ Holden, Norman E. (2004). "Pesos atómicos y el Comité Internacional: una revisión histórica". Chemistry International . 26 (1): 4–7.
  13. ^ "IUPAC – Unión Internacional de Química Pura y Aplicada: Pesos atómicos de diez elementos químicos a punto de cambiar". Archivado desde el original el 28 de julio de 2020. Consultado el 12 de julio de 2019 .
  14. ^ ab de Bièvre, Paul; Peiser, H. Steffen (1992). "'Peso atómico': el nombre, su historia, definición y unidades" (PDF) . Química pura y aplicada . 64 (10): 1535–43. doi :10.1351/pac199264101535.
  15. ^ Holden, NE (1 de enero de 1985). Controversia entre peso atómico y masa atómica (informe). Brookhaven National Lab., Upton, NY (EE. UU.).
  16. ^ Dalton, John (1808). Un nuevo sistema de filosofía química. Manchester.
  17. ^ ab "Pesos atómicos estándar 2015". Comisión de Abundancias Isotópicas y Pesos Atómicos . 12 de octubre de 2015. Consultado el 18 de febrero de 2017 .
  18. ^ "Pesos atómicos estándar de 14 elementos químicos revisados". CIAAW . 2018-06-05 . Consultado el 2019-02-02 .
  19. ^ "Pesos atómicos estándar de 14 elementos químicos revisados". Química Internacional . 40 (4): 23–24. 2018. doi : 10.1515/ci-2018-0409 . ISSN  0193-6484.
  20. ^ ab Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (4 de mayo de 2022). "Pesos atómicos estándar de los elementos 2021 (Informe técnico de la IUPAC)". Química pura y aplicada . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.

Enlaces externos