El dalton o unidad de masa atómica unificada (símbolos: Da o u ) es una unidad de masa no perteneciente al SI definida como1/12de la masa de un átomo neutro libre de carbono-12 en su estado fundamental nuclear y electrónico y en reposo . [1] [2] La constante de masa atómica , denotada m u , se define de manera idéntica, dando m u =1/12 metro ( 12 C) = 1 Da . [3]
Esta unidad se usa comúnmente en física y química para expresar la masa de objetos a escala atómica, como átomos , moléculas y partículas elementales , tanto para instancias discretas como para múltiples tipos de promedios de conjuntos. Por ejemplo, un átomo de helio-4 tiene una masa de4,0026 Da . Esta es una propiedad intrínseca del isótopo y todos los átomos de helio-4 tienen la misma masa. Ácido acetilsalicílico ( aspirina ), C
9h
8oh
4, tiene una masa promedio de aproximadamente180.157 Da . Sin embargo, no existen moléculas de ácido acetilsalicílico con esta masa. Las dos masas más comunes de moléculas individuales de ácido acetilsalicílico son180.0423 Da , que tiene los isótopos más comunes, y181,0456 Da , en el que un carbono es el carbono-13.
Las masas moleculares de proteínas , ácidos nucleicos y otros polímeros grandes a menudo se expresan con las unidades kilo dalton (kDa) y mega dalton (MDa). [4] La titina , una de las proteínas más grandes conocidas, tiene una masa molecular de entre 3 y 3,7 megadaltones. [5] El ADN del cromosoma 1 en el genoma humano tiene alrededor de 249 millones de pares de bases , cada uno con una masa promedio de aproximadamente650 Da , o156 GDa en total. [6]
El mol es una unidad de cantidad de sustancia , muy utilizada en química y física, que originalmente se definió de manera que la masa de un mol de una sustancia, en gramos , sería numéricamente igual a la masa promedio de una de sus partículas constituyentes. en daltons. Es decir, se suponía que la masa molar de un compuesto químico era numéricamente igual a su masa molecular promedio. Por ejemplo, la masa promedio de una molécula de agua es de aproximadamente 18,0153 daltons y un mol de agua es de aproximadamente 18,0153 gramos. Proteína cuya molécula tiene una masa promedio de64 kDa tendría una masa molar de64kg/mol . Sin embargo, si bien esta igualdad se puede asumir para casi todos los propósitos prácticos, ahora es solo aproximada debido a la redefinición del mol en 2019 . [4] [1]
En general, la masa en daltons de un átomo es numéricamente cercana pero no exactamente igual al número de nucleones de su núcleo . De ello se deduce que la masa molar de un compuesto (gramos por mol) está numéricamente cerca del número promedio de nucleones contenidos en cada molécula. Por definición, la masa de un átomo de carbono-12 es de 12 daltons, lo que se corresponde con el número de nucleones que tiene (6 protones y 6 neutrones ). Sin embargo, la masa de un objeto a escala atómica se ve afectada por la energía de enlace de los nucleones en sus núcleos atómicos, así como por la masa y la energía de enlace de sus electrones . Por lo tanto, esta igualdad es válida sólo para el átomo de carbono 12 en las condiciones indicadas y variará para otras sustancias. Por ejemplo, la masa de un átomo libre del isótopo de hidrógeno común ( hidrógeno-1 , protio) es1.007 825 032 241 (94) Da , [a] la masa de un protón es1,007 276 466 621 (53) Da , [7] , la masa de un neutrón libre es1,008 664 915 95 (49) Da , [8] y la masa de un átomo de hidrógeno-2 (deuterio) es2.014 101 778 114 (122) Da . [9] En general, la diferencia ( exceso de masa absoluto ) es inferior al 0,1%; las excepciones incluyen hidrógeno-1 (aproximadamente 0,8%), helio-3 (0,5%), litio-6 (0,25%) y berilio (0,14%).
El dalton se diferencia de la unidad de masa en los sistemas de unidades atómicas , que es la masa en reposo del electrón ( m e ).
La constante de masa atómica también se puede expresar como su equivalente de energía , m u c 2 . Los valores recomendados por CODATA 2018 son:
El equivalente de masa megaelectronvoltio (MeV/ c 2 ) se utiliza comúnmente como unidad de masa en física de partículas , y estos valores también son importantes para la determinación práctica de masas atómicas relativas.
La interpretación de la ley de proporciones definidas en términos de la teoría atómica de la materia implicaba que las masas de los átomos de varios elementos tenían proporciones definidas que dependían de los elementos. Si bien se desconocían las masas reales, las masas relativas podían deducirse de esa ley. En 1803, John Dalton propuso utilizar la masa atómica (aún desconocida) del átomo más ligero, el hidrógeno, como unidad natural de masa atómica. Esta fue la base de la escala de peso atómico . [12]
Por razones técnicas, en 1898, el químico Wilhelm Ostwald y otros propusieron redefinir la unidad de masa atómica como1/dieciséisla masa de un átomo de oxígeno. [13] Esa propuesta fue adoptada formalmente por el Comité Internacional de Pesos Atómicos (ICAW) en 1903. Esa era aproximadamente la masa de un átomo de hidrógeno, pero el oxígeno era más susceptible de determinación experimental. Esta sugerencia se hizo antes del descubrimiento de los isótopos en 1912. [12] El físico Jean Perrin había adoptado la misma definición en 1909 durante sus experimentos para determinar las masas atómicas y la constante de Avogadro . [14] Esta definición permaneció sin cambios hasta 1961. [15] [16] Perrin también definió el "mol" como una cantidad de un compuesto que contenía tantas moléculas como 32 gramos de oxígeno ( O
2). A ese número lo llamó número de Avogadro en honor al físico Amedeo Avogadro .
El descubrimiento de los isótopos del oxígeno en 1929 requirió una definición más precisa de la unidad. Se utilizaron dos definiciones distintas. Los químicos optan por definir la AMU como1/dieciséisde la masa promedio de un átomo de oxígeno tal como se encuentra en la naturaleza; es decir, el promedio de las masas de los isótopos conocidos, ponderadas por su abundancia natural. Los físicos, por otra parte, lo definieron como1/dieciséisde la masa de un átomo del isótopo oxígeno-16 ( 16 O). [13]
La existencia de dos unidades distintas con el mismo nombre era confusa y la diferencia (aproximadamente1.000 282 en términos relativos) era lo suficientemente grande como para afectar a mediciones de alta precisión. Además, se descubrió que los isótopos de oxígeno tenían diferentes abundancias naturales en el agua y en el aire. Por estas y otras razones, en 1961 la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), que había absorbido a la ICAW, adoptó una nueva definición de unidad de masa atómica para su uso tanto en física como en química; a saber,1/12de la masa de un átomo de carbono-12. Este nuevo valor era intermedio entre las dos definiciones anteriores, pero más cercano al utilizado por los químicos (que serían los más afectados por el cambio). [12] [13]
La nueva unidad recibió el nombre de "unidad de masa atómica unificada" y se le dio un nuevo símbolo "u", para reemplazar el antiguo "amu" que se había utilizado para las unidades basadas en oxígeno. [17] Sin embargo, el antiguo símbolo "amu" se ha utilizado a veces, después de 1961, para referirse a la nueva unidad, particularmente en contextos laicos y preparatorios.
Con esta nueva definición, el peso atómico estándar del carbono es aproximadamente12.011 Da , y el del oxígeno es de aproximadamente15.999 Da . Estos valores, generalmente utilizados en química, se basan en promedios de muchas muestras de la corteza terrestre , su atmósfera y materiales orgánicos .
La definición de la IUPAC de 1961 de unidad de masa atómica unificada, con ese nombre y símbolo "u", fue adoptada por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) en 1971 como una unidad no perteneciente al SI aceptada para su uso con el SI . [18]
En 1993, la IUPAC propuso el nombre más corto "dalton" (con símbolo "Da") para la unidad de masa atómica unificada. [19] [20] Al igual que con otros nombres de unidades como Watt y Newton, "dalton" no se escribe con mayúscula en inglés, pero su símbolo, "Da", sí se escribe con mayúscula. El nombre fue respaldado por la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP) en 2005. [21]
En 2003, el Comité Consultivo de Unidades , parte del CIPM , recomendó el nombre al BIPM , ya que "es más corto y funciona mejor con prefijos [SI]". [22] En 2006, el BIPM incluyó el dalton en su octava edición del folleto SI de definiciones formales como una unidad no perteneciente al SI aceptada para su uso con el SI . [23] El nombre también fue incluido como una alternativa a "unidad de masa atómica unificada" por la Organización Internacional de Normalización en 2009. [24] [25] Ahora es recomendado por varios editores científicos, [26] y algunos de ellos consideran "unidad de masa atómica" y "amu" están en desuso. [27] En 2019, el BIPM retuvo el dalton en su novena edición del folleto del SI , al tiempo que eliminó la unidad de masa atómica unificada de su tabla de unidades no pertenecientes al SI aceptadas para su uso con el SI , pero en segundo lugar señala que el dalton (Da ) y la unidad de masa atómica unificada (u) son nombres (y símbolos) alternativos para la misma unidad. [1]
La definición de dalton no se vio afectada por la redefinición de las unidades básicas del SI de 2019 , [28] [29] [1] es decir, 1 Da en el SI todavía es1/12de la masa de un átomo de carbono-12, cantidad que debe determinarse experimentalmente en términos de unidades SI. Sin embargo, la definición de mol se cambió para ser la cantidad de sustancia que consiste exactamente en6.022 140 76 × 10 23 entidades y también se cambió la definición del kilogramo. Como consecuencia, la constante de masa molar permanece cerca, pero ya no exactamente, de 1 g/mol, lo que significa que la masa en gramos de un mol de cualquier sustancia permanece casi, pero ya no exactamente, igual numéricamente a su masa molecular promedio en daltons. ] aunque la incertidumbre estándar relativa de4,5 × 10 −10 en el momento de la redefinición es insignificante a todos los efectos prácticos. [1]
Aunque las masas atómicas relativas se definen para átomos neutros, se miden (mediante espectrometría de masas ) para iones: por lo tanto, los valores medidos deben corregirse para la masa de los electrones que se eliminaron para formar los iones, y también para la masa equivalente de la energía de enlace del electrón , E b / m u c 2 . La energía de enlace total de los seis electrones en un átomo de carbono 12 es1 030 ,1089 eV =1,650 4163 × 10 −16 J : mi b / m u c 2 =1,105 8674 × 10 −6 , o aproximadamente una parte en 10 millones de la masa del átomo. [31]
Antes de la redefinición de las unidades SI en 2019, los experimentos tenían como objetivo determinar el valor de la constante de Avogadro para encontrar el valor de la unidad de masa atómica unificada.
Josef Loschmidt obtuvo indirectamente por primera vez un valor razonablemente preciso de la unidad de masa atómica en 1865, estimando el número de partículas en un volumen dado de gas. [32]
Perrin estimó el número de Avogadro mediante diversos métodos, a principios del siglo XX. Fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1926 , en gran parte por este trabajo. [33]
La carga eléctrica por mol de cargas elementales es una constante llamada constante de Faraday , F , cuyo valor se conocía esencialmente desde 1834, cuando Michael Faraday publicó sus trabajos sobre electrólisis . En 1910, Robert Millikan obtuvo la primera medición de la carga de un electrón, − e . El cociente F / e proporcionó una estimación de la constante de Avogadro. [34]
El experimento clásico es el de Bower y Davis en NIST , [35] y se basa en disolver metal plateado lejos del ánodo de una celda de electrólisis , mientras pasa una corriente eléctrica constante I durante un tiempo conocido t . Si m es la masa de plata perdida del ánodo y Ar el peso atómico de la plata, entonces la constante de Faraday viene dada por:
Los científicos del NIST idearon un método para compensar la plata perdida del ánodo por causas mecánicas y realizaron un análisis de isótopos de la plata utilizada para determinar su peso atómico. Su valor para la constante de Faraday convencional fue F 90 =96 485 .39(13) C/mol , que corresponde a un valor para la constante de Avogadro de6.022 1449 (78) × 10 23 mol −1 : ambos valores tienen una incertidumbre estándar relativa de1,3 × 10-6 . _
En la práctica, la constante de masa atómica se determina a partir de la masa en reposo del electrón m e y la masa atómica relativa del electrón Ar ( e) (es decir, la masa del electrón dividida por la constante de masa atómica). [36] La masa atómica relativa del electrón se puede medir en experimentos de ciclotrón , mientras que la masa en reposo del electrón se puede derivar de otras constantes físicas.
donde c es la velocidad de la luz , h es la constante de Planck , α es la constante de estructura fina y R ∞ es la constante de Rydberg .
Como se puede observar en los valores antiguos (CODATA 2014) en la siguiente tabla, el principal factor limitante en la precisión de la constante de Avogadro fue la incertidumbre en el valor de la constante de Planck , ya que todas las demás constantes que contribuyen al cálculo fueron conocido con mayor precisión.
El poder de los valores actualmente definidos de constantes universales se puede entender en la siguiente tabla (2018 CODATA).
Hoy en día se pueden producir monocristales de silicio en instalaciones comerciales con una pureza extremadamente alta y con pocos defectos de red. Este método definió la constante de Avogadro como la relación entre el volumen molar , V m , y el volumen atómico V del átomo :
La celda unitaria de silicio tiene una disposición cúbica de empaquetado de 8 átomos, y el volumen de la celda unitaria se puede medir determinando un único parámetro de celda unitaria, la longitud a de uno de los lados del cubo. [38] El valor CODATA de 2018 de a para silicio es5.431 020 511 (89) × 10 −10 m . [39]
En la práctica, las mediciones se realizan sobre una distancia conocida como d 220 (Si), que es la distancia entre los planos denotada por los índices de Miller {220}, y es igual a a / √ 8 .
Se debe medir y tener en cuenta la composición proporcional de isótopos de la muestra utilizada. El silicio se presenta en tres isótopos estables ( 28 Si, 29 Si, 30 Si) y la variación natural en sus proporciones es mayor que otras incertidumbres en las mediciones. Se puede calcular el peso atómico Ar del cristal de muestra, ya que los pesos atómicos estándar de los tres nucleidos se conocen con gran precisión. Esto, junto con la densidad medida ρ de la muestra, permite determinar el volumen molar V m :
