Para empezar, hay dos diferencias fundamentales
- “Masa atómica” se refiere a un solo átomo de un elemento químico, pero “peso atómico de un elemento” es el valor promedio de masa de muchos átomos del elemento. ¿Y no es lo mismo? No, porque hay que tener en cuenta la existencia de isótopos.
- La «masa atómica» tiene unidades; el peso atómico (también llamado «masa atómica relativa») es una cantidad adimensional.
Vamos a explicarlo.
Masa atómica
En su Libro Dorado, la Unión Internacional de Química Teórica y Aplicada (UIQTA, o IUPAC en sus siglas inglesas) define “masa atómica, ma” como
Masa en reposo de un átomo en su estado fundamental. La unidad de uso común es la unidad de masa atómica unificada.
Trataremos de razonar la definición anterior con un ejemplo, que podría ser el del elemento boro. Si preguntáramos a un programa de inteligencia artificial “¿cuál es la masa atómica del boro?”, este, si se atiene a la definición de la UIQTA, debería preguntarnos a su vez: “¿de qué tipo de átomo de boro”? Porque en la naturaleza hay dos tipos de átomos de boro. De ellos se dice que son isótopos entre sí y son el boro-10 (o 10B) y el boro-11 (o 11B). Como es sabido, dos átomos son isótopos entre sí si solo difieren en el número de neutrones de su núcleo. En este caso, el 10B tiene 5 neutrones y el 11B tiene 6 neutrones. Como todo átomo de B, independientemente del isótopo del que se trata, tiene 5 protones, el número total de nucleones (protones + neutrones) del 10B es 10, y de ahí el superíndice “10”, valor que se conoce como “número de masa”. Lo análogo cabe decir del 11B.
Podemos, entonces, reformular la pregunta así: “¿cuál es la masa atómica del 10B?”, ¿“cuál es la masa atómica del 11B? Las respuestas que debería dar el programa de inteligencia artificial serían (según los datos actuales de la UIQTA):
ma(10B) = 10,012937 u
ma(11B) = 11,009305 u
La unidad u significa “unidad de masa atómica unificada” y la definiremos al final.
Podríamos representar lo dicho mediante la siguiente figura en la que se muestran dos cajas, cada una de las cuales contiene un átomo de B, pero se trata de distintos isótopos del B: el 10B y el 11B (nótese en el dibujo de la derecha que el núcleo contiene un neutrón más que el núcleo del dibujo de la izquierda):
Peso atómico de un elemento
La UIQTA define la variable “masa atómica relativa (peso atómico), Ar” como la
relación entre la masa promedio del átomo y la unidad de masa atómica unificada.
El Libro Dorado no contiene una definición de “masa promedio del átomo”, pero podemos decir que se quiere dar a entender la media de los pesos de todos los átomos de un elemento existentes en una muestra, teniendo en cuenta que no todos los átomos de un elemento pesan lo mismo, ya que pueden corresponder a distintas especies isotópicas como hemos dicho antes. Volvamos al ejemplo del boro para entenderlo.
Masa promedio
Supongamos que atrapamos al azar y metemos en una caja 10 átomos de boro existentes en algún lugar de nuestro planeta. Se sabe que las abundancias de los dos isótopos naturales del boro (10B y 11B) son aproximadamente el 20 y el 80 % respectivamente. Por lo tanto, de los 10 átomos de boro atrapados al azar, lo más probable es que 2 de ellos sean de 10B y 8 sean de 11B. Lo representamos en la siguiente imagen, en la que hemos destacado los dos átomos de 10B para distinguirlos de los otros.
Pues bien, la masa promedio de estos 10 átomos sería una masa promedio ponderada por su abundancia y se calcularía así:
Ahora bien, la abundancia natural de los isótopos del boro no es exactamente del 20 y el 80 %, sino cantidades próximas a esas. Podríamos preguntarnos: ¿cómo podemos conocer la abundancia exacta si es imposible contar todos los átomos de 10B y 11B que hay en el planeta? Además, es de esperar que por diversas razones esa abundancia no sea la misma en distintas regiones del planeta (por ejemplo, podría estar produciéndose en algún lugar uno de los dos isótopos en una proporción mayor que la del otro por pruebas nucleares, radiactividad natural o lo que fuera). Para solventar este inconveniente, la UIQTA, manejando muchos datos, establece cada cierto tiempo unos valores de abundancias que se consideran de referencia y que son los que se usan en los cálculos normales. Normalmente, por la razón mencionada, estos valores se dan en intervalos, que parael caso del boro son actualmente:
%(10B) = [18,9, 20,4]
%(11B) = [79,6, 81,1]
Para hacer cálculos cuantitativos que no requieran una altísima exactitud se pueden considerar los valores centrales de esos intervalos:
%(10B) = 19,65
%(11B) = 80,35
Empleando estos valores y refiriéndonos a 100 átomos tomados al azar, la masa atómica media del boro sería:
Como se ve, el cálculo arroja una cantidad de 11 cifras significativas. Trabajar con todas ellas es absurdo desde el punto de vista de la teoría de errores porque hemos obtenido esa cantidad tomando unas abundancias aproximadas. Por eso, como las abundancias que hemos utilizado tienen 4 cifras significativas, será más que suficiente que la masa promedio del B la demás con otras tantas, es decir, que digamos que es 10,81. (Y, dado que el error de redondeo a 10,8 sería pequeño, para la gran mayoría de los cálculos ese valor con 3 cifras significativas sería bastante adecuado).
Masa atómica relativa
Hasta aquí hemos explicado el concepto de masa promedio del átomo que figura en la definición de “masa atómica relativa (peso atómico), Ar” que da la UIQTA. Pero recordemos que la definición completa es: “relación entre la masa promedio del átomo y la unidad de masa atómica unificada”. ¿Qué quiere decir esto? Es muy simple: se trata de dividir la masa promedio entre “1 u”, que es una unidad de masa atómica unificada. Como es obvio, el valor que se obtendría sería el mismo que antes, es decir 10,81, pero sin la unidad u.
Por lo tanto, la masa atómica relativa de un elemento, Ar, que comúnmente se denomina también peso atómico del elemento, es una cantidad adimensional que coincide con la masa promedio de los átomos del elemento pero que, justamente por ser adimensional, no se acompaña de ninguna unidad de medida.
Teniendo en cuenta todo lo anterior está justificado decir:
El peso atómico del boro es 10,81.
Ese el valor que encontramos cuando consultamos en una tabla periódica (aunque también podría venir dado en intervalos).
Está claro, pues, que la palabra “relativa” de la variable “masa atómica relativa” se refiere a que esa variable es una relación (cociente) entre dos valores, siendo el denominador la unidad de masa atómica unificada.
Peso atómico estándar
De la discusión anterior se habrá comprendido que la masa atómica de un átomo es una cantidad fija bien conocida (que ha variado con el tiempo por la mejora de la exactitud de los instrumentos de medida), pero las tablas de pesos atómicos pueden variar con los años si se obtienen valores actualizados de las abundancias de los elementos. Esa es la razón de que se hable del concepto de peso atómico estándar. Esta variable, según la UIQTA; es:
Valor recomendado de masa atómica relativa de un elemento revisado bienalmente por la Comisión de Pesos Atómicos y Abundancias Isotópicas de la UIQTA y aplicable al elemento 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 no ha estado sujeta a una modificación significativa de la composición isotópica dentro de un período geológico breve.
Teniendo en cuenta todo eso se puede decir:
El peso atómico estándar del B es 10,81.
En realidad, cuando hablamos del «peso atómico» ya se entiende que en la inmensa mayoría de las ocasiones nos referimos al «peso atómico estándar» del elemento, es decir, al propuesto por la IUQTA, por lo que es innecesario decir «estándar».
Una consideración que habría que hacer es que el uso de la palabra “peso atómico” no es técnicamente correcto, ya que no se trata propiamente de un peso (una fuerza), sino de una masa. No obstante, la UIQTA mantiene el término por razones históricas y su abundante uso. Ora consideración es que también se podría hablar de “peso atómico (o masa atómica relativa) de un átomo” en vez de “peso atómico de un elemento”. Sería simplemente la masa atómica del átomo en cuestión pero sin unidades.
Unidad de masa atómica unificada
Quedaría explicar qué es la “unidad de masa atómica unificada” de la que hemos hablado en varas ocasiones anteriormente. La UIQTA la define así:
Unidad de masa no perteneciente al Sistema Internacional (igual a la constante de masa atómica) definida como la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12 en su estado fundamental y usada para expresar masas de partículas atómicas; u ≈ 1.660 5402(10)·10−27 kg.
En cuanto a la constante de masa atómica mencionada en la anterior definición, es, según la UIQTA:
Una doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12 en su estado fundamental nuclear y electrónico, mu=1,660 5402(10)·10−27 kg. Es igual a la unidad de masa atómica unificada.
(Ver esta explicación en vídeo).
