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Masa (espectrometría de masas)

JJ Thomson descubrió los isótopos del neón utilizando espectrometría de masas.

La masa registrada por un espectrómetro de masas puede referirse a diferentes cantidades físicas dependiendo de las características del instrumento y la forma en que se muestra el espectro de masas .

Unidades

El dalton (símbolo: Da) es la unidad estándar que se utiliza para indicar la masa a escala atómica o molecular ( masa atómica ). [1] La unidad de masa atómica unificada (símbolo: u) es equivalente al dalton. Un dalton es aproximadamente la masa de un solo protón o neutrón. [2] La unidad de masa atómica unificada tiene un valor de1.660 538 921 (73) × 10 −27  kg . [3] La uma sin el prefijo "unificado" es una unidad obsoleta basada en el oxígeno, que fue reemplazada en 1961.

Masa molecular

Distribución isotópica teórica del ion molecular de cafeína

La masa molecular (abreviada M r ) de una sustancia , anteriormente también llamada peso molecular y abreviada como MW, es la masa de una molécula de esa sustancia, relativa a la unidad de masa atómica unificada u (igual a 1/12 de la masa de un átomo de 12 C ). Debido a esta relatividad, la masa molecular de una sustancia se conoce comúnmente como masa molecular relativa y se abrevia como M r .

Masa media

La masa media de una molécula se obtiene sumando las masas atómicas medias de los elementos que la componen. Por ejemplo, la masa media del agua natural con fórmula H2O es 1,00794 + 1,00794 + 15,9994 = 18,01528 Da.

Número de masa

El número másico , también llamado número de nucleón , es el número de protones y neutrones en un núcleo atómico . El número másico es único para cada isótopo de un elemento y se escribe después del nombre del elemento o como un superíndice a la izquierda del símbolo de un elemento. Por ejemplo, el carbono-12 ( 12 C) tiene 6 protones y 6 neutrones.

Masa nominal

La masa nominal de un elemento es el número de masa de su isótopo estable más abundante de origen natural, y para un ion o molécula, la masa nominal es la suma de las masas nominales de los átomos constituyentes. [4] [5] Las abundancias de isótopos están tabuladas por la IUPAC : [6] por ejemplo, el carbono tiene dos isótopos estables 12 C con una abundancia natural del 98,9% y 13 C con una abundancia natural del 1,1%, por lo que la masa nominal del carbono es 12. La masa nominal no siempre es el número de masa más bajo, por ejemplo, el hierro tiene los isótopos 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe y 58 Fe con abundancias del 6%, 92%, 2% y 0,3%, respectivamente, y una masa nominal de 56 Da. Para una molécula, la masa nominal se obtiene sumando las masas nominales de los elementos constituyentes, por ejemplo el agua tiene dos átomos de hidrógeno con masa nominal 1 Da y un átomo de oxígeno con masa nominal 16 Da, por lo tanto la masa nominal de H 2 O es 18 Da.

En espectrometría de masas, la diferencia entre la masa nominal y la masa monoisotópica es el defecto de masa . [7] Esto difiere de la definición de defecto de masa utilizada en física, que es la diferencia entre la masa de una partícula compuesta y la suma de las masas de sus partes constituyentes. [8]

Masa exacta

La masa exacta (más apropiadamente, la masa exacta medida [9] ) es una masa determinada experimentalmente que permite determinar la composición elemental. [10] Para moléculas con masa inferior a 200 Da , una precisión de 5 ppm suele ser suficiente para determinar de forma única la composición elemental. [11]

Masa exacta

La masa exacta de una especie isotópica (más apropiadamente, la masa exacta calculada [9] ) se obtiene sumando las masas de los isótopos individuales de la molécula. Por ejemplo, la masa exacta del agua que contiene dos hidrógenos-1 ( 1 H) y un oxígeno-16 ( 16 O) es 1,0078 + 1,0078 + 15,9949 = 18,0105 Da. La masa exacta del agua pesada , que contiene dos hidrógenos-2 ( deuterio o 2 H) y un oxígeno-16 ( 16 O) es 2,0141 + 2,0141 + 15,9949 = 20,0229 Da.

Cuando se da un valor de masa exacto sin especificar una especie isotópica, normalmente se refiere a la especie isotópica más abundante.

Masa monoisotópica

La masa monoisotópica es la suma de las masas de los átomos de una molécula utilizando la masa en reposo, no ligada y en estado fundamental del isótopo principal (el más abundante) de cada elemento. [12] [5] La masa monoisotópica de una molécula o ion es la masa exacta obtenida utilizando los isótopos principales. La masa monoisotópica se expresa típicamente en daltons.

En el caso de los compuestos orgánicos típicos, en los que la masa monoisotópica es la más utilizada, esto también da como resultado que se seleccione el isótopo más ligero. En el caso de algunos átomos más pesados, como el hierro y el argón, el isótopo principal no es el más ligero. El pico del espectro de masas correspondiente a la masa monoisotópica a menudo no se observa en el caso de moléculas grandes, pero se puede determinar a partir de la distribución isotópica. [13]

Masa más abundante

Distribución isotópica teórica del ion molecular del glucagón (C 153 H 224 N 42 O 50 S)

Esto se refiere a la masa de la molécula con la distribución isotópica más representada, basada en la abundancia natural de los isótopos. [14]

Isotopomero e isotopólogo

Los isotopómeros (isómeros isotópicos) son isómeros que tienen el mismo número de cada átomo isotópico , pero difieren en las posiciones de los átomos isotópicos. [15] Por ejemplo, CH 3 CHDCH 3 y CH 3 CH 2 CH 2 D son un par de isotopómeros estructurales .

Los isotopómeros no deben confundirse con los isotópogos , que son especies químicas que difieren en la composición isotópica de sus moléculas o iones . Por ejemplo, tres isotópogos de la molécula de agua con diferente composición isotópica del hidrógeno son: HOH, HOD y DOD, donde D representa el deuterio ( 2H ).

Masa de Kendrick

La masa de Kendrick es una masa que se obtiene multiplicando la masa medida por un factor numérico. La masa de Kendrick se utiliza para ayudar a identificar moléculas de estructura química similar a partir de picos en espectros de masas . [16] [17] El método para expresar la masa fue sugerido en 1963 por el químico Edward Kendrick.

Según el procedimiento descrito por Kendrick, la masa de CH 2 se define como 14.000 Da, en lugar de 14.01565 Da. [18] [19]

La masa de Kendrick para una familia de compuestos viene dada por [20]

Para el análisis de hidrocarburos, = CH 2 .

Defecto de masa (espectrometría de masas)

El defecto de masa que se utiliza en física nuclear es diferente de su uso en espectrometría de masas. En física nuclear, el defecto de masa es la diferencia entre la masa de una partícula compuesta y la suma de las masas de sus componentes. En espectrometría de masas, el defecto de masa se define como la diferencia entre la masa exacta y la masa entera más próxima. [21] [22]

El defecto de masa de Kendrick es la masa exacta de Kendrick restada de la masa entera de Kendrick más cercana. [23]

El filtrado de defectos de masa se puede utilizar para detectar selectivamente compuestos con un espectrómetro de masas en función de su composición química. [7]

Fracción de empaquetamiento (espectrometría de masas)

Francis William Aston ganó el Premio Nobel de Química en 1922 por su descubrimiento, mediante su espectrógrafo de masas , de isótopos, en un gran número de elementos no radiactivos, y por su enunciación de la regla de los números enteros . [24] [25]

El término fracción de empaquetamiento fue definido por Aston como la diferencia entre la masa medida M y la masa entera más cercana I (basada en la escala de masa de oxígeno-16 ) dividida por la cantidad que comprende el número de masa multiplicado por diez mil: [26]

.

El modelo inicial de la estructura nuclear de Aston (anterior al descubrimiento del neutrón ) postulaba que los campos electromagnéticos de los protones y electrones estrechamente empaquetados en el núcleo interferirían y una fracción de la masa sería destruida. [27] Una fracción de empaquetamiento baja es indicativa de un núcleo estable. [28]

Regla del nitrógeno

La regla del nitrógeno establece que los compuestos orgánicos que contienen exclusivamente hidrógeno , carbono , nitrógeno , oxígeno , silicio , fósforo , azufre y halógenos tienen una masa nominal impar que indica que hay un número impar de átomos de nitrógeno presentes o una masa nominal par que indica que hay un número par de átomos de nitrógeno presentes en el ion molecular . [29] [30]

La hipótesis de Prout y la regla de los números enteros

La regla de los números enteros establece que las masas de los isótopos son múltiplos enteros de la masa del átomo de hidrógeno . [31] La regla es una versión modificada de la hipótesis de Prout propuesta en 1815, en el sentido de que los pesos atómicos son múltiplos del peso del átomo de hidrógeno. [32]

Véase también

Referencias

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