Isotopi e massa atomica

La tavola periodica indica per il cloro circa 35.45, eppure nessun atomo di cloro pesa 35.45. Ognuno è cloro-35 oppure cloro-37.

Stesso elemento, pesi diversi

Gli isotopi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni e di elettroni, quindi si comportano allo stesso modo nelle reazioni. Differiscono solo per i neutroni, che ne cambiano la massa. L'idrogeno lo mostra chiaramente. L'idrogeno comune non ha nemmeno un neutrone. Il deuterio ne ha uno ed è circa due volte più pesante. Il trizio ne ha due ed è radioattivo. Il NIST misura che il 99.9885% dell'idrogeno naturale è del tipo semplice e lo 0.0115% è deuterio.

Da dove viene 35.45

La massa atomica stampata sulla tavola periodica è una media su tutti gli atomi di quell'elemento presenti in natura, pesata secondo quanto è comune ciascun isotopo. Le masse si misurano in unità di massa atomica, in cui un atomo di carbonio-12 vale esattamente 12. Per il cloro, il NIST dà al cloro-35 una massa di 34.969 e una percentuale del 75.76%, e al cloro-37 una massa di 36.966 e una percentuale del 24.24%.

Moltiplica ogni massa per la sua percentuale e somma: 34.969 × 0.7576 + 36.966 × 0.2424 ≈ 26.49 + 8.96 ≈ 35.45. Poiché tre atomi di cloro su quattro sono del tipo più leggero, la media sta molto più vicina a 35 che a 37. Lo stesso calcolo per il carbonio, 12 × 0.9893 + 13.003 × 0.0107, dà circa 12.011, ed è per questo che il carbonio è indicato poco sopra 12.

Nota che le masse degli isotopi sono vicine a numeri interi ma non esattamente uguali. Il cloro-35 ha numero di massa 35, un semplice conteggio di 17 protoni e 18 neutroni, eppure la sua massa misurata è 34.969. I numeri di massa sono sempre numeri interi, le masse misurate no, perché protoni e neutroni non valgono esattamente 1 unità ciascuno e una parte della massa viene spesa per tenere unito il nucleo.

Il NIST non dà al cloro un'unica massa atomica. Dà un intervallo, da 35.446 a 35.457, perché la percentuale di cloro-37 varia leggermente tra campioni provenienti da luoghi diversi. Nel lavoro di tutti i giorni i chimici la arrotondano a 35.45. Anche alcuni altri elementi, tra cui idrogeno e carbonio, sono indicati con un intervallo per lo stesso motivo.

Isotopi instabili

Alcuni isotopi sono instabili e si trasformano lentamente in altri elementi emettendo radiazioni. Il carbonio-14 è uno di questi. Il NIST osserva che metà di qualsiasi quantità di carbonio-14 si trasforma in azoto-14 in 5730 anni. Questo ritmo costante si chiama tempo di dimezzamento. Gli esseri viventi assumono carbonio, compresa una minuscola parte di carbonio-14, per tutta la vita. Dopo la morte il carbonio-14 non viene più rimpiazzato e la sua quota si dimezza ogni 5730 anni, quindi misurare quanto ne resta dice agli archeologi quanto è antico un osso, un seme o un vecchio falò.

La maggior parte degli isotopi che incontri è stabile. Il carbonio-12 e il carbonio-13 non cambiano mai da soli, e lo stesso vale per i due isotopi del cloro, per l'idrogeno comune e per il deuterio. Degli otto isotopi della tabella qui sopra (D è il deuterio e T il trizio; le percentuali sono valori NIST), solo il trizio e il carbonio-14 sono radioattivi.