Che cos’è un’unità di massa atomica o AMU?

L’unità di massa atomica (amu), detta anche unità di massa atomica unificata o dalton (Da), è un’unità di massa molto piccola utilizzata per esprimere la massa degli atomi in termini di massa di un atomo dell’isotopo del carbonio 12 . È definito come un dodicesimo della massa dell’atomo di carbonio-12 quando non è legato a nessun altro atomo.

La definizione dell’unità di massa atomica assegna all’atomo di carbonio-12 una massa di esattamente 12 amu. Usando questa unità, la massa di tutti gli altri atomi è espressa come multiplo o sottomultiplo della massa dell’atomo di carbonio-12. Per questo motivo, al momento della sua creazione, l’unità di massa atomica era solo un’altra scala relativa della massa atomica, simile ad altre che erano già state postulate fino ad allora. Tuttavia, quando fu determinata la massa effettiva dell’atomo di carbonio e fu così possibile stabilire il valore assoluto dell’unità di massa atomica, l’amu divenne una scala assoluta di massa allo stesso modo del grammo, della libbra e della tonnellata.

Il valore dell’unità di massa atomica

Il concetto e il valore dell’unità di massa atomica è legato al concetto originario che Avogadro propose per la mole. Ha definito una mole come il numero di particelle in esattamente 12 grammi di un campione puro al 100% dell’isotopo di carbonio-12. All’epoca questo numero non era noto, ma oggi lo è; il suo valore è chiamato numero di Avogadro ed è di circa 6.022,10 ²³ (il valore attualmente accettato per questo numero è esattamente 6.0221367,10 ²³ particelle per mole).

Una volta determinato il numero di Avogadro, si può conoscere la massa di un singolo atomo di carbonio 12. Dividendo questo valore per 12 si ottiene il valore dell’unità di massa atomica. La relazione è molto semplice:

Se, per definizione, una mole di atomi di carbonio-12 pesa esattamente 12 grammi, e sappiamo che ci sono 6.0221367,10· ²³ atomi in 1 mole, allora ogni atomo di carbonio-12 pesa:

Ora, usando la definizione di unità di massa atomica, otteniamo:

Pertanto, l’unità di massa atomica ha un valore di 1,660540,10 ^-27 kg

Perché usare l’uma?

Qualsiasi massa, compresa quella di un atomo, può essere espressa in qualsiasi unità di massa, da grammi, libbre e once a tonnellate metriche; tuttavia, alcuni sono più convenienti di altri a seconda dei casi. Ad esempio, è comune rappresentare il proprio peso in libbre o chilogrammi, ma non in tonnellate. Né esprimeremmo la massa di un Boeing 747 in grammi o milligrammi; probabilmente lo faremmo a tonnellate.

Usando questa stessa logica, e considerando che gli atomi sono estremamente piccoli, non è conveniente usare nessuna di queste unità per esprimere la massa atomica. Ecco perché esiste l’unità di massa atomica, poiché consente di rappresentare la massa degli atomi in modo più conveniente.

Poiché gli atomi sono molto piccoli, ci si aspetterebbe che l’unità di massa atomica sia altrettanto piccola.

L’unità di massa atomica e il numero di massa

Una coincidenza sia fortunata che sfortunata è che la definizione dell’unità di massa atomica fa sì che le masse espresse degli atomi abbiano un valore numerico molto simile al numero di massa noto. Quest’ultimo indica il numero totale di nucleoni, cioè di protoni e neutroni che sono presenti nel nucleo di un atomo. Infatti, nel caso dell’atomo di carbonio-12, 12 indica proprio il numero di massa e, solo per questo atomo, tale numero coincide esattamente con la massa dell’atomo espressa in amu.

Poiché il nucleo di carbonio-12 contiene 6 protoni e 6 neutroni, l’unità di massa atomica rappresenta, in un certo senso, una massa media tra i due nucleoni. Per questo motivo, per la maggior parte degli atomi il numero di massa è molto simile alla sua massa atomica espressa in amu. Tuttavia, non sono la stessa cosa, né si riferiscono nemmeno alle stesse grandezze fisiche. Il numero di massa non è una massa, anche se il suo nome lo suggerisce.

La massa atomica contro la massa molare di un atomo

Infine, vale la pena fare un’ulteriore precisazione sui termini peso atomico, massa atomica e massa molare di un atomo. Quando parliamo di peso atomico o massa atomica, intendiamo il peso o la massa di un singolo atomo. Ad esempio, espressa in dalton, la massa atomica del carbonio-12 è 12 amu, come abbiamo visto prima.

Tuttavia, è comune per molti studenti affermare, erroneamente, che la massa atomica del carbonio è 12 g o peggio, 12 g/mol. Il primo errore è di notevole gravità, poiché dice che un singolo atomo di carbonio, qualcosa di così piccolo che può essere visto solo attraverso i microscopi più avanzati del mondo, ha una massa di 12 g, che potrebbe benissimo essere equivalente a un grande cucchiaio di zucchero.

Il secondo errore è molto più comune, tanto che molti chimici professionisti lo commettono: stanno confondendo la massa atomica (cioè la massa di un atomo) con la massa molare di un atomo (cioè la massa di una mole di atomi). ). La confusione nasce dal fatto che, a causa della definizione dell’unità di massa atomica e della mole, la massa molare in g/mol è numericamente uguale alla massa atomica in amu.

Esempi di utilizzo dell’unità di massa atomica

• La massa di un atomo di carbonio-13 in unità di massa atomica è 13,003355 amu.
• La massa atomica media dell’elemento carbonio (non di un particolare atomo di carbonio) è 12,0107 amu (questo consiste nella media ponderata delle masse degli isotopi naturali del carbonio, C-12 e C-13).
• Il polimero PG5 è la molecola più grande mai creata dall’uomo e ha una massa di oltre 200 milioni di dalton o amu. L’immagine seguente mostra la struttura del monomero che lo costituisce.

• La molecola di DNA del genoma umano ha circa 3,3 miliardi di paia di basi e una massa di circa 2,2,10 ¹² amu.

• La massa di una persona che pesa 75 kg in unità di massa atomica è 4.417,10 ²⁸ amu.

Riferimenti

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• Marin-Becerra, Armando, & Moreno-Esparza, Rafael. (2010). Masse relative e la mole: una semplice dimostrazione di un concetto difficile . Educazione chimica ,  21 (4), 287-290. Estratto il 13 luglio 2021 da http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0187-893X2010000400005&lng=es&tlng=es .
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