Masa atómica y masa molecular
En el Altiplano, una familia de agricultores compra fertilizante para su huerto y en la etiqueta lee «46 % de nitrógeno». ¿Cómo se sabe cuánto nitrógeno hay en un fertilizante? Para responder hay que saber cuánto «pesa» cada átomo y cada molécula. Un átomo es tan pequeño que los gramos no sirven: necesitamos una unidad hecha a su medida. Al final de la página volverás a esta pregunta.
La unidad de masa atómica
Un átomo de carbono pesa unos $0{,}0000000000000000000000199\ \text{g}$. Escribir y comparar números así es incómodo. Por eso los químicos eligieron un átomo como patrón y miden a los demás comparándolos con él.
El átomo de referencia es el carbono-12 (6 protones y 6 neutrones). Su masa se define como exactamente 12 u. Equivale a
$$1\ \text{u} = 1{,}66 \times 10^{-24}\ \text{g}$$Con esta unidad, un átomo de hidrógeno pesa casi 1 u y uno de oxígeno, 16 u. Los números son pequeños y fáciles de comparar.
Explica con tus palabras qué es la unidad de masa atómica (u) y por qué los químicos la usan para expresar la masa de los átomos en lugar de usar gramos. Escribe también…
Explica con tus palabras qué es la unidad de masa atómica (u) y por qué los químicos la usan para expresar la masa de los átomos en lugar de usar gramos. Escribe también a qué átomo se toma como referencia para definirla.
Masa atómica relativa y absoluta
La masa atómica relativa dice cuántas veces es mayor la masa de un átomo que 1 u. Es la que aparece en la tabla periódica. Como es una comparación, no tiene unidades (aunque al hablar del átomo se expresa en u).
| Elemento | Símbolo | Masa atómica relativa |
|---|---|---|
| Hidrógeno | $\text{H}$ | 1 |
| Carbono | $\text{C}$ | 12 |
| Oxígeno | $\text{O}$ | 16 |
| Sodio | $\text{Na}$ | 23 |
| Azufre | $\text{S}$ | 32 |
La masa atómica absoluta es la masa real de un átomo, en gramos. Se obtiene multiplicando la masa relativa por el valor de 1 u:
$$m_{\text{absoluta}} = \text{masa relativa} \cdot 1{,}66 \times 10^{-24}\ \text{g}$$También puedes usar el carbono-12: su masa absoluta es $1{,}99 \times 10^{-23}\ \text{g}$ y vale 12, así que 1 unidad relativa equivale a $\frac{1{,}99 \times 10^{-23}}{12}\ \text{g}$.
Con la tabla periódica, escribe la masa atómica relativa, redondeada a un decimal, de los siguientes elementos: hidrógeno ($\text{H}$), carbono ($\text{C}$), oxígeno…
Con la tabla periódica, escribe la masa atómica relativa, redondeada a un decimal, de los siguientes elementos: hidrógeno ($\text{H}$), carbono ($\text{C}$), oxígeno ($\text{O}$) y sodio ($\text{Na}$). Indica además si estas masas tienen unidades.
La masa atómica absoluta de un átomo de carbono-12 es aproximadamente $1{,}99 \times 10^{-23}\ \text{g}$. Con este dato, calcula la masa absoluta aproximada, en gramos,…
La masa atómica absoluta de un átomo de carbono-12 es aproximadamente $1{,}99 \times 10^{-23}\ \text{g}$. Con este dato, calcula la masa absoluta aproximada, en gramos, de un átomo de oxígeno cuya masa atómica relativa es 16. Explica brevemente cómo usaste la relación entre la masa relativa y la masa absoluta.
Masa atómica promedio: isótopos
En la tabla periódica el cloro aparece con 35,5, no con 35 ni 36. ¿Por qué? Porque en la naturaleza el cloro es una mezcla de isótopos: átomos del mismo elemento con distinto número de neutrones y, por tanto, distinta masa.
La masa atómica de la tabla es un promedio ponderado: cada isótopo cuenta según su abundancia.
El cloro natural es una mezcla de dos isótopos: $^{35}\text{Cl}$, con masa 35 u y abundancia del 75 %, y $^{37}\text{Cl}$, con masa 37 u y abundancia del 25 %. Calcula…
El cloro natural es una mezcla de dos isótopos: $^{35}\text{Cl}$, con masa 35 u y abundancia del 75 %, y $^{37}\text{Cl}$, con masa 37 u y abundancia del 25 %. Calcula la masa atómica promedio del cloro. Luego, con ese valor y $\text{Na} = 23$, determina la masa molecular de la sal común, $\text{NaCl}$, y la del cloruro de calcio, $\text{CaCl}_2$ ($\text{Ca} = 40$). Explica por qué la masa atómica del cloro en la tabla periódica no es un número entero.
Masa molecular
Una molécula es un grupo de átomos unidos. Su masa molecular es la suma de las masas atómicas de todos los átomos que la forman. Se expresa en u (o sin unidades, si es relativa).
Los subíndices dicen cuántos átomos hay. Si hay paréntesis, el subíndice de fuera multiplica todo lo de dentro.
Conviene organizar el cálculo en una tabla.
| Elemento | Átomos | Masa atómica | Subtotal |
|---|---|---|---|
| H | 2 | 1 | 2 |
| S | 1 | 32 | 32 |
| O | 4 | 16 | 64 |
| Total ($\text{H}_2\text{SO}_4$) | 98 u |
Calcula la masa molecular del agua, $\text{H}2\text{O}$, usando las masas atómicas $\text{H} = 1$ y $\text{O} = 16$. Escribe el planteamiento de la suma indicando…
Calcula la masa molecular del agua, $\text{H}_2\text{O}$, usando las masas atómicas $\text{H} = 1$ y $\text{O} = 16$. Escribe el planteamiento de la suma indicando cuántos átomos de cada elemento hay en la molécula.
Calcula la masa molecular del ácido sulfúrico, $\text{H}2\text{SO}4$, y la del hidróxido de calcio, $\text{Ca(OH)}2$, que se usa en la construcción como cal apagada. Usa…
Calcula la masa molecular del ácido sulfúrico, $\text{H}_2\text{SO}_4$, y la del hidróxido de calcio, $\text{Ca(OH)}_2$, que se usa en la construcción como cal apagada. Usa las masas atómicas $\text{H} = 1$, $\text{O} = 16$, $\text{S} = 32$ y $\text{Ca} = 40$. Luego indica cuál de los dos compuestos tiene mayor masa molecular y cuántas unidades más pesa.
Sales hidratadas
En el laboratorio del colegio, Nayra prepara una solución con sulfato de cobre(II) pentahidratado, $\text{CuSO}4 \cdot 5\,\text{H}2\text{O}$, una sal usada en la minería…
En el laboratorio del colegio, Nayra prepara una solución con sulfato de cobre(II) pentahidratado, $\text{CuSO}_4 \cdot 5\,\text{H}_2\text{O}$, una sal usada en la minería para flotación de minerales. Calcula su masa molecular con $\text{Cu} = 63{,}5$, $\text{S} = 32$, $\text{O} = 16$ y $\text{H} = 1$. Muestra por separado la masa del $\text{CuSO}_4$ y la de las cinco moléculas de agua.
Porcentaje en masa de un elemento
Con la masa molecular se responde la pregunta del inicio. El porcentaje en masa de un elemento dice cuántos gramos de ese elemento hay en cada 100 g de compuesto:
$$\%\ \text{elemento} = \frac{\text{masa del elemento en la fórmula}}{\text{masa molecular}} \cdot 100$$Vuelve al principio: un fertilizante con «46 % de nitrógeno» es la urea, porque de cada 100 g de urea, unos 46,7 g son nitrógeno. Aquí está la razón: sus moléculas son ligeras y contienen dos átomos de N.
Mateo debe comparar tres fertilizantes para un huerto en los valles de Cochabamba: urea, $\text{CO(NH}2)2$, nitrato de amonio, $\text{NH}4\text{NO}3$, y sulfato de…
Mateo debe comparar tres fertilizantes para un huerto en los valles de Cochabamba: urea, $\text{CO(NH}_2)_2$, nitrato de amonio, $\text{NH}_4\text{NO}_3$, y sulfato de amonio, $(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$. Usa $\text{H} = 1$, $\text{C} = 12$, $\text{N} = 14$, $\text{O} = 16$ y $\text{S} = 32$. Calcula la masa molecular de cada uno y el porcentaje en masa de nitrógeno que contiene. Concluye cuál aporta más nitrógeno por cada 100 g de fertilizante y justifica tu respuesta con los resultados.
Resumen
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La u (uma) es $\frac{1}{12}$ de la masa del átomo de carbono-12; $1\ \text{u} = 1{,}66 \times 10^{-24}\ \text{g}$.
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La masa atómica relativa (la de la tabla) compara con la u y no tiene unidades; la absoluta es la masa real en gramos.
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La masa atómica de un elemento es el promedio ponderado de sus isótopos, por eso no suele ser entera.
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La masa molecular es la suma de las masas atómicas de todos los átomos de la fórmula (cuidado con paréntesis y subíndices).
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En sales hidratadas se suman la masa de la sal y la de las moléculas de agua.
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El % en masa de un elemento es $\frac{\text{masa del elemento}}{\text{masa molecular}} \cdot 100$.