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 MASSA ATÔMICA; MASSA MOLECULAR,  ISÓTOPOS E MOL

Massa  é a grandeza física que quantifica a matéria. A unidade de massa no  sistema internacional é o quilograma :1 kg  Quando se compra açúcar,ou feijão,ou arroz, pega-se sacos de 1.kg; ou 2.kg. ou5 kg. O quilograma é uma “unidade de massa padrão”  para qualquer substância ou produto. Também podem ser usados múltiplos e submúltiplos do quilograma. Em Química os submúltiplos mais usados são 1.grama e 1.miligrama sendo correlacionados assim:

 1000 g= 10³.g = 1 kg         e      1g  = 0,001.kg = 10 ^-3.kg ; 

1000. mg =  10³.mg = 1.g. e      1.mg = 0,001.g = 10 ^-3.g

 

No caso de massas dos átomos e moléculas não se pode adotar 1 kg. nem 1.g  nem 1.mg como unidade, pois a massa de um átomo é extremamente pequena. Para dar uma idéia: a massa de um átomo de Hidrogênio se fosse expresso em gramas teria aproximadamente:      0,000.000.000.000.000.000.000.001 660 gramas.

Imagine fazer cálculos com este número e outros dessa grandeza dos demais elementos químicos.   Para contornar esta dificuldade os químicos adotaram uma unidade chamada “unidade de massa atômica” (u.m.a. ou apenas u) definida como 1/12 da massa de um átomo do isótopo  de Carbono 12. Esta unidade corresponde a 1,66×10 ^-24 gramas. = 1 u.m.a

 

A massa atômica indica quantas vezes a massa do átomo considerado é maior do que 1/12 da massa do isótopo do Carbono 12 ( C¹² ).

 

Assim, este átomo padrão, isótopo do Carbono 12, tendo A=12 ao ser comparado (medido sua massa) com 1/12.u. fica com a massa 12/12 = 1 = unidade, logo a massa do C¹² é 1.u ( é o padrão)

                           1.u.m.a = 1.u = 1/12 da (MA) doC¹²

 

Praticamente todos os elementos químicos são misturas de isótopos

Como já estudamos em escritas anteriores, isótopos são átomos que possuem o mesmo número de prótons p ( número este destacado com a denominação particular de “número atômico” simbolizado pela letra Z) e diferentes números de massa..

Como “Elemento Químico” é o conjunto de átomos de mesmo número de prótons (ou mesmo número atômico Z ), consequentemente, átomos isótopos pertencem a um  mesmo elemento químico. Ex.: todo átomo com Z=1 é  do elemento químico Hidrogênio. (símbolo H)

Os átomos isótopos são reconhecidos pelo símbolo do elemento que representam e pelo seu número de massa.  (A = nº. de massa =  p + n )( p= nº. de prótons; n= nº. de nêutrons).

  Lembrando que a representação  de um átomo de um elemento químico qualquer  X de número atômico Z e número de massa A fica genericamente assim: _ZX^A  (ou com A em cima e Z em baixo ambos do mesmo lado antes do símbolo do EQ)..

Assim, por exemplo, o elemento químico denominado Cloro é constituído por dois isótopos: o cloro35 (A=35) símbolo  Cl³⁵ e o cloro 37  (A=37) símbolo   Cl³⁷ nas seguintes proporções Cloro 35 = 77,35%  e Cloro 37 = 22,65%

 

ANEXO – Em Química é normal mencionar “massa atômica ou “peso atômico” para a massa dos átomos e “massa molecular” ou “peso molecular” para as massas das moléculas, apesar de na Física o conceito de massa ser diferente de peso (peso = massa x aceleração da gravidade) e isto se deve ao fato de que para os cálculos químicos interessa a proporção ou relação entre massas e a comparação de pesagens, por exemplo:  comparando p₁ com p₂ (genericamente) _, de dois átomos diferentes temos: p₁/p₂   =  m₁x g /m₂xg   simplificando os “g” do numerador com o do denominador temos finalmente: p₁/p₂ = m₁/m₂ onde se pode verificar que a relação entre os pesos de dois átomos é exatamente igual à relação entre suas massas. Medir massas é comparar a massa a ser determinada com uma massa referencial que chamamos de ”padrão” e a medida obtida é expressa em uma unidade também “padrão”.As “massas atômicas são resultados da comparação referenciada à unidade padrão que é 1/12 da massa do isótopo do Carbono 12

Como a maioria dos elementos químicos (EQ) são constituídos de átomos isótopos, as suas  “massas atômicas”  podem ser calculadas  pela  média ponderada dos respectivos “números de massa” (A) dos seus átomos isótopos com relação às suas proporções na composição dos elementos químicos considerados, medido em “unidades de massa atômica”. Assim, por exemplo, o elemento químico Cloro possui dois isótopos, portanto  é constituído de uma mistura desses átomos isótopos que são o Cl³⁵ e Cl³⁷ nas seguintes proporções em massa que é reconhecida pelo título “ abundância relativa dos isótopos”. Cloro 35 (77,35%) e Cloro37 (22,65%)..

A média ponderada dos números de massa  (A) desses isótopos , ou seja: a massa atômica do Cloro é calculada assim:

MA do Cloro = 35×77,35 + 37×22,65 / 77,35 + 22,65 = = 2707 + 838 / 100 = 3545 / 100 = 35,45 u.m.a. ou 35,45.u que é a massa atômica do elemento químico Cloro.

 

Existem alguns “elementos químicos” que possuem apenas átomos com um “numero de massa” (A) – não possuem isótopos – e nesses casos a “Massa Atômica” desses elementos são as massas atômicas desses átomos com únicos “números de massa”. Por exemplo: o Flúor dotado de todos seus átomos com Z=9 e A=p+n=9+10=19  comparado com a massa de 1/12 do C¹² acusou uma massa atômica de 18,998 praticamente igual a seu número de massa. A pergunta imediata é: “se não há isótopos, a “massa atômica” e o “número de massa” não deviam ser iguais?”  Seria o esperado, mas  não são porque sendo A=p+n (prótons mais nêutrons) a massa do próton (1,00759..u) não é exatamente igual à massa do nêutron (1,00897.u) e ambas são ligeiramente diferentes de 1.u  Outro motivo é a “energia de empacotamento” que diz respeito à perda de energia e massa relacionada ao agrupamento dos prótons e nêutrons na formação do núcleo.do átomo.    

 

As MASSAS ATÔMICAS (dos átomos) dos elementos químicos são tabeladas e não necessitam ser memorizadas..Com a repetição do uso das (MA) é comum fixar na memória as MA de alguns EQ

A seguir algumas MA de alguns EQ.(Seguidos: de De Z=1 até Z= 20;Após Z= 20 salteados)

EQ	MA(u)	EQ	MA(u)
H	1,00794	—-	——-
He	4,0026	Mn	54,938
Li	6,941	Fe	55,847
Be	9,012	Co	58,933
B	10,81	Ni	58,69
C	12,011	Cu	63,546
N	14,0067	Zn	65,39
O	15,9994	As	74,9216
EQ	MA(u)	Br	79,904
F	18,998	Sr	87,62
Ne	20,179	Ag	107,868
Na	22,9898	Cd	112,41
Mg	24,305	I	126,905
Al	26,9815	Ba	137,33
Si	28,086	Ce	140,12
P	30,9738	Pt	195,08
S	32,06	Au	196,967
Cl	35,453	Hg	200,59
Ar	39,948	Pb	207,2
K	39,098	Bi	208,980
Ca	40,08	U	238,029

 Na prática usa-se arredondar os valores das massas atômicas; H=1; He=4;Li=7 etc.

É necessário entender bem que “massa” é quantidade de matéria e que “massa atômica” não é a massa de um único átomo, mas a média ponderada do número de massa  (A) de um número muito grande de átomos (isótopos para a maioria dos EQ) em relação às proporções dos isótopos na constituição dos EQ. Então, “massa atômica” é massa, é quantidade de matéria, e número de átomos é número, e o valor da “massa atômica” refere-se a muitos átomos do EQ considerado.  Sabe-se atualmente que a massa atômica mede a massa de 6,023×10²³ átomos (este número é denominado de número ou constante de Avogrado, descobridor desta relação de (MA) com nº. de átomos).

A Massa Atômica não é a massa de um único átomo do elemento químico considerado, mas representa a massa em unidades de massa atômica (u.m.a  ou  u) do “número de Avogrado” ( 6,023×10²³⁾ de  átomos de um elemento químico.

 

ÁTOMO-GRAMA – é a massa atômica expressa em gramas (g), porém não representa a massa de um único átomo em gramas, mas do um número grande – do número de Avogrado – de átomos, expressoem gramas.. Exs.: Átomo-grama do Hidrogênio é 1g; o átomo-grama do Oxigênio é 16g ; átomo-grama do Cloro é 35,5g.    

No átomo-grama do Hidrogênio (1.g), no átomo-grama do carbono (12g.). no átomo-grama do Oxigênio (16.g), no átomo-grama do Enxofre ( 32.g),  generalizando: no átomo-grama de qualquer elemento químico há a mesma quantidade de 6,02 x 10²³ átomos, (“número de Avogrado”) .. Assim,temos::

1 átomo-grama de Hidrogênio  = 1.g de H  e contém 6,02 x 10 ²³ átomos de H

1 átomo-grama de Oxigênio =  16 gde O e contém 6,02 x 10²³ átomos de O

1 átomo-grama de Enxofre = 32 g  de S e contém 6,02 x 10²³ átomos de S

Etc….

 

CONCEITO DE MOL –

Quando se compra ovos, ou laranjas, ou tomates, etc., é comum usar-se  a palavra “dúzia” significando o número doze.. Uma dúzia de ovos, uma dúzia de laranjas etc., representando uma quantidade fixa (12), mas de produtos com massas diferentes.  

Em Química, o “MOL” tem este mesmo sentido de representar uma quantidade fixa tanto de átomos como de moléculas, íons, e tantas outras entidades químicas da matéria com massas diferentes e iguais. Isto se verificou com o advento da conceituação e determinação do “Número de AVOGRADO” (6,02 x 10²³) – Isto pode ser melhor entendido assim:  

                           1 mol de átomos = 6,02 x 10 ²³ átomos

                           1 mol de moléculas = 6,02 x 10²³ moléculas

                           1 mol de íons = 6,02 x 10²³ íons

Ou mais amplamente:

1 átomo-grama de H = 1.g H = 1 mol de átomos de H = 6,02 x 10 ²³ átomos de H

1 átomo-grama de O = 16.g O = 1 mol de átomos de O =  6,02 x 10²³ átomos de O

EM resumo, MOL é atualmente indicação de uma quantidade  fixa (6,023 x 10²³) de átomos, moléculas, íons, etc.), da mesma forma que no cotidiano das compras  de certos produtos se usa a  dúzia (12) ou dezena (10) ou centena (100) etc. indicando quantidades bem determinadas aplicadas a vários produtos de massas diferentes e coincidentemente iguais. .

Demonstração: 

1 mol de Hidrogênio contém 6,023×10²³ átomos de Hidrogênio H e tem uma massa atômica de 1.u ;  1 mol de Oxigênio contém 6,023×10²³ átomos de Oxigênio O e tem uma massa atômica de 16.u

1 mol de Enxofre contém 6,023×10²³ átomos de Enxofre S e tem uma massa atômica de 32.u

Portanto, 1 mol de qualquer elemento químico considerado indica um nº.fixo (6,02×10²³) de átomos  que possuem massas iguais e diferentes.

Com relação ás substâncias fica: 

1 mol de água contém 6,02×10²³ moléculas de água H₂O e tem massa molecular de 18.u

1 mol de gás carbônico contém 6,023×10²³ moléculas de CO₂ e tem massa molecular de 44.u

1 mol de amônia contém 6,023×10²³ moléculas de NH₃ e tem massa molecular de 17.u

Portanto, 1 mol de qualquer substância química considerada indica um nº. fixo (6,023×10²³) de moléculas que possuem massas moleculars diferentes.

MASSA MOLECULAR – é a massa da molécula de uma substância medida em unidades de massa atômica (u.m.a). MM da água = 18 u.; MM do CO₂ = 44 u.

Obtém-se a “massa molecular” (MM) ou “peso molecular” (PM) somando as massas atômicas dos elementos químicos que compõem a fórmula da substância considerada, levando-se em conta a quantidade de cada átomo de cada elemento na fórmula da substância e isto é válido tanto para “substância molecular” nas quais os átomos são ligados entre si por “ligações moleculares”,isto é, os átomos compartilham elétrons como por exemplo no gás carbônico CO₂ e água H₂O,  como para “substâncias iônicas” nas quais os átomos são unidos por atrações elétricas como por exemplo no Cloreto de Sódio NaCl .Exemplo de cálculo de massa molecular;

A massa molecular da água H₂O é a soma da massa atômica do Hidrogênio e da massa atômica do Oxigênio; MA do H = 1u; MA do O = 16u Então, a MM da H₂O é 2×1 + 16 = 2+16 = 18 u. (Observar que no cálculo feito, levou-se em conta a quantidade de átomos de cada elemento; como o Hidrogênio entra com dois átomos na fórmula da água sua massa atômica ficou multiplicado por 2.)

Massa Molecular do NaCl = (MA do Na + MA do Cl) =  23  + 35,5 = 58,5 u.m.a. , pois a (MA) do Na = 23 u.m.a (ou 23 u.).; a do Cl é 35,5 u.m.a (ou 35 u.).

Massa Molecular do CO2 = 12 + 2x 16 = 12 + 32 = 44 u.m.a.= 44.u.

Aqui usamos números aproximados para as (MA)

Massa Molecular do Ácido Sulfúrico H₂SO₄ será:: MA do Enxofre (S) é 32.u.m.a (32.u) do (H) =1.u.m.a.(1.u) e do (O) =16.u.m.a.(16.u)

A massa molecular do H2SO4 será:   MM (H2SO4)  ================

= 2 x MA do H  +  1 x MA do S  +  4 x MA do O  =  2 x 1 + 1 x 32 + 4 x 16 = 2+32+64 = 98 u. ou 98 u.m.a. 

 

MOLÉCULA-GRAMA é a “massa molecular” expressa em gramas, porém não representa a massa de uma única molécula em gramas, mas de um número grande de moléculas, do número de Avogrado de moléculas.. Assim, a “molécula grama” da água H₂O é 18.g; a “massa molecular” do CO₂ é 44.g ;a “massa molecular “ do ácido Sulfúrico H₂SO₄  é 98.g.

 

MASSA MOLAR  DE UM ELEMENTO QUÍMICO é sua “massa atômica expressa em granas por mol.      Quando dizemos que a massa molar do Hidrogênio é 1 g/mol queremos dizer que na massa de 1 g de Hidrogênio existe 1 mol de Hidrogênio, ou seja existe 6,023×10²³ átomos de Hidrogênio.

De modo geral, a massa de um EQ em que há 1 mol (6,023×10²³) de átomos é chamada “massa molar”.

 

Quando escrevemos a equação da reação do Zinco com o Enxofre dando o Sulfeto de Zinco,   Zn + S  à   ZnS   podemos entender que 1  átomo-grama de Zn reagiu com um átomo-grama de S dando uma molécula-grama de ZnS , que é o mesmo que escrever: 65.g de Zn reagiu com 32.g de S dando 97.g de ZnS e é o mesmo que dizer um mol de Zn reagiu com 1 mol de S dando 1 mol de ZnS ou ainda um mesmo número de átomos de Zn e de S reagiram dando mesmo número de moléculas de Sulfeto de Zinco, número este 6,023×10²³.. Podemos imaginar ainda que 1 átomo de Zn reagiu com 1 átomo de S formando 1 molécula de ZnS

TABELA DOS EQ E SEUS  ISÓTOPOS –  [Nesta relação só constam os isótopos estáveis, não incluindo os instáveis, por isso não inclui – por exemplo – o isótopo 14 do Carbono e os demais] [Tabela apenas dos principais EQ - para consulta]

E Q	Símb	Z	A	%	E Q	Símb.	Z	A	%
Hidrogênio	H	1	1	99,98	Ferro	Fe	26	54	6.04
		1	2	≈ 0,02			26	56	91,57
		1	3	10-7			26	57	,2,11
Hélio	He	2	3	-?-_	Cobalto	Co	27	57	100
		2	4	100	Níquel	Ni	28	58	67,4
Lítio	Li	3	6	7.90			28	60	26,7
		3	7	92,10			28	61	1,2
Berílio	Be	4	9	100			28	62	3,8
Boro	B	5	10	18,40			28	64	0,88
		5	11	81,60	Arsênio	As	33	75	100
Carbono	C	6	12	98,90	Bromo	Br	35	79	50,6
		6	13	1,10			35	81	49,4
Nitrogênio	N	7	14 15	99,62 0,38	Estrôncio	Sr	38	84	0,56
Oxigênio	O	8	16	99,76			38	86	9,86
		8	17	0,24			38	87	7,02
		8	18	0,20			38	88	82,56
Flúor	F	9	19	100	Prata	Ag	47	107	52,5
Neônio	Ne	10	20	90,0			47	109	47,5
		10	21	0,27	Cádmio	Cd	48	106	1,4
		10	22	9,73			48	108	1,0
Sódio	Na	11	23	100			48	110	12,8
Magnésio	Mg	12	24	77,40			48	111	13,0
		12	25	11,50			48	112	24,2
		12	26	11,10			48	113	12,3
Alumínio	Al	13	27	100			48	114	28,0
Silício	Si	14	28	89,6			48	116	7,3
		14	29	6,2	Iodo	I	53	127	100
		14	30	4,2	Césio	Cs	55	133	100
Fósforo	P	15	31	100	Bário	Ba	56	130	0,101
Enxofre	S	16	32	95,0			56	132	0,097
		16	33	0,74			56	134	2,47
		16	34	4,2			56	135	6,59
		16	36	0,016			56	136	7,81
Cloro	Cl	17	35	77,35			56	137	11,32
		17	37	22,65			56	138	71.66
Argônio	Ar	18	36	0,307	Cério	Ce	58	136	1
		18	38	0,061			58	138	1
		18	40	99,632			58	140	90
Potássio	K	19	39	93,3			58	142	10
		19	40	0,012	Ouro	Au	79	197	100
		19	41	6,7	Chumbo	Pb	82	204	1,48
Cálcio	Ca	20	40	99,96			82	206	23,59
		20	42	0,64			82	207	22,64
		20	43	0,15			82	208	52,29
		20	44	2,06	Bismuto	Bi	85	209	100
		20	46	0,003	Urânio	U	92	234	0,006
		20	48	0,19			92	235	0,710
Escândio	Sc	21	45	100			92	238	99,28

Exercícios – 1) Qual a massa molecular do ácido nítrico, sendo dados as massas atômicas do H=1.u; N= 14.u; O=16.u. Solução: A fórmula do ácido Nítrico é HNO₃ logo sua massa molecular será 1+ 14 + 3 x 16 = 15 + 48 = 63.u

2) Qual a molécula-grama do ácido  nítrico? Pelo cálculo anterior é  63.g

3) Quantos mols(*) tem a molécula-grama do ácido nítrico? 63.g de ácido nítrico (molécula grama)  corresponde a 1 mol  de ácido nítrico. (*) o plural de “mol” é “mols”.

 

CLARC EM 30/11/2011