El peso atómico de 10 elementos serán cambiados

Todos hemos crecido con una tabla periódica de los elementos químicos en la mano. En el colegio lo usábamos para resolver algunos problemas de estequiometria y en la universidad para poder preparar algunas soluciones. En los trabajos rutinarios de laboratorio, el peso atómico de un elemento es muy importante para poder calcular el peso de una molécula y así poder pesar la cantidad adecuada de un reactivo para preparar una solución con una determinada concentración.

Ejemplo: Si me mandan a preparar 100ml de una solución 1 molar de glucosa (C₆H₁₂O₆). Primero iré a mi tabla periódica y veré el peso atómico del carbono (12.011), luego del hidrógeno (1.0079) y finalmente del oxígeno (15.999). Entonces la molécula de glucosa pesará: (6 x 12.011) + (12 x 1.0079) + (6 x 15.999) = 180.1548. Entonces, tendré que pesar 18.01548gr de glucosa para disolverlo en la cantidad suficiente de agua para obtener 100ml. Claro que la mayoría no se complicará y pesará directamente 18gr.

Sin embargo, si queremos hacer estudios metabólicos o ensayos químicos sumamente precisos, debemos cumplir con la mayor cantidad de decimales posibles para reducir el margen de error. Qué pasaría ahora si les digo que la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) – por primera vez en su historia – cambiará el pesó atómico de 10 elementos químicos, entre ellos el carbono, hidrógeno y oxígeno. Para algunos la mayoría, esto pasará inadvertido, pero para muchos científicos, principalmente los químicos analíticos y nanotecnólogos, esto será un gran acontecimiento, ya que a nivel de nanomoles, nanogramos o nanolitros, el cambio será sumamente significativo.

Los pesos atómicos son el resultado de la ponderación de las masas atómicas de todos los isótopos estables de un elemento que pueden ser encontrados de manera natural. Por ejemplo, el carbono tiene dos isótopos estables: el ¹²C que tiene 6 protones y 6 neutrones (el que todos conocemos), y el ¹³C, que tiene 6 protones y 7 neutrones. Las abundancias de estos isótopos son del 98.89% y 1.11%, respectivamente. Como los protones y neutrones tienen prácticamente la misma masa, y la masa atómica de un elemento cualquiera esta en función de la masa atómica del ¹²C que es – por definición – 12 umas, cada protón y neutrón pesará 1 uma. Entonces, el peso atómico del carbono será (0.9889 x 12) + (0.0111 x 13) = 12.0111, justo el valor que aparece en la Tabla Periódica. Sin embargo, el carbono tiene además un isótopo radiactivo natural, el ¹⁴C con 6 protones y 8 neutrones, el cual se encuentra en cantidades sumamente pequeñas llamadas “trazas”, y que después de un poco más de 5700 años se convierte en nitrógeno. Este isótopo no es contado para calcular el peso atómico del átomo de carbono porque no cumple con una de las premisas usadas por la IUPAC para calcular los pesos atómicos: si el isótopo natural es radiactivo, debe ser estable por lo menos 10¹⁰ años.

Si miran con detenimiento la Tabla Periódica, muchos elementos no tienen pesos atómicos exactos y los ponen dentro de paréntesis, por ejemplo, el Ástato, el Radón, el Radio y casi todos los actínidos como el Plutonio, Neptunio, entre otros. Esto se debe a que son elementos naturalmente radiactivos, se convierten en otro elemento completamente diferente después de un determinado tiempo y no se mantienen estables por 10¹⁰ años.

 

Por otro lado, la determinación del peso atómico de aquellos elementos que tienen sólo un isótopo estable (100% de abundancia), tales como el Flúor, Aluminio o el Oro, serán mucho más fáciles de determinar. Además, estos pesos atómicos son considerados como constantes de la naturaleza y sus valores son conocidos con una precisión sumamente alta, con incertidumbres de sólo 1 parte en 38 millones (como es el caso del flúor), a diferencia de aquellos elementos que tiene más de un isótopo natural estable, cuyas incertidumbres son más grandes.

Es por esta razón que hemos usado – por más de 150 años – pesos atómicos con un valor único  estándar, tal como aparece en los libros y las tablas periódicas de los elementos. Sin embargo, la Comisión de Abundancias Isotópicas y Pesos Atómicos de la IUPAC ha publicado una nueva Tabla Periódica donde los átomos del hidrógeno, litio, boro, carbono, nitrógeno, oxígeno, silicio, azufre, cloro y talio, presentarán sus pesos atómicos como intervalos.

De esta manera, podrás usar como peso atómico del hidrógeno cualquier valor que esté dentro del intervalo [1.00784; 1.00811], pero este valor dependerá de donde hayas encontrado dicho elemento. Para eso habrá una tabla como la siguiente, de la cual se obtendrán los pesos atómicos exactos:

Estos datos han sido obtenidos gracias a las modernas técnicas analíticas (espectrometría de masas o activación neutrónica) que pueden calcular el peso de los elementos de manera muy precisa, ya que los estudian de manera individual… átomo por átomo. 

Entonces, las posibles ilustraciones que mostrará la IUPAC para su nueva Tabla Periódica de los Elementos Químicos será…

Figura: a muestra al cloro con dos isótopos naturales estables, cuyo peso atómico no es una constante de la naturaleza y será presentado como un intervalo. b muestra al mercurio con siete isótopos naturales estables, cuyo peso atómico no es una constante de la naturaleza pero su valor se muestra de manera estándar. c muestra al arsénico que sólo tiene un isótopo natural estable por lo tanto su peso atómico será una constante de la naturaleza. d  muestra al americio el cual es un elemento naturalmente radiactivo y no posee un isótopo estable por 10¹⁰ años, por lo tanto no tiene un peso atómico estándar.

Usando estos nuevos valores de pesos atómicos y las técnicas analíticas modernas tendremos la capacidad de identificar de donde procede un determinado alimento o la pureza química de algún insumo, todo esto en base a sus abundancias isotópicas. También podrá ser usado en la medicina forense para determinar si una persona fue envenenada, o el lugar donde estuvo en sus últimos días  de vida. En el deporte, podrá ser usado para determinar los casos de dopaje ya que el peso atómico del carbono encontrado en la testosterona humana es mayor al de la testosterona de origen farmacéutico.

Todos estos avances se dan en conmemoración al Año Internacional de la Química del 2011.

Referencias:

Coplen, TB, & Holden, NE (2011). Atomic Weights—No Longer Constants of Nature Chemistry International, 33 (2) [Preprint – submitted to Chemistry International – scheduled for publication in March-April  2011]

Wieser, M., & Coplen, T. (2010). Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report) Pure and Applied Chemistry DOI: 10.1351/PAC-REP-10-09-14