Isòtops
Els isòtops són formes nuclears d’un mateix element: el nombre de protons no canvia, però sí el de neutrons. El canvi afecta la massa i, de vegades, l’estabilitat nuclear, mentre que la química electrònica es manté gairebé igual.
Notació i identitat
Com llegir A i Z
Una espècie nuclear s’escriu AZX. X és el símbol de l’element, Z és el nombre de protons i A és el nombre màssic. Per a 3717Cl, el nucli conté 17 protons i 37 − 17 = 20 neutrons. El 17 ja identifica el clor; el 37 identifica aquest isòtop.
Com que el símbol fixa Z, el nombre inferior sovint s’omet en l’escriptura habitual: clor-37 o ³⁷Cl és suficient.
Núclid i isòtop
A núclid és una espècie nuclear concreta. 12C i 13C són dos núclids. Anomenar-los isòtops posa en relleu la seva relació: pertanyen al mateix element perquè tenen el mateix nombre de protons.
Dos nuclis poden tenir el mateix nombre màssic i pertànyer a elements diferents. En aquest cas no són isòtops entre ells.
Química dels isòtops
Els isòtops neutres d’un mateix element tenen el mateix nombre d’electrons i pràcticament la mateixa estructura electrònica. Per això 12CO₂ i 13CO₂ segueixen les mateixes reaccions bàsiques i per això els isòtops ocupen una sola posició a la taula periòdica.
Gairebé igual no vol dir exactament igual. Canviar la massa nuclear modifica les freqüències vibracionals i pot alterar lleugerament les velocitats de reacció o els equilibris. Aquests efectes isotòpics són especialment visibles en l’hidrogen perquè substituir 1H per deuteri gairebé duplica la massa nuclear.
Nombre màssic i massa mesurada
El nombre màssic A és un recompte enter de protons i neutrons. La massa isotòpica real és una magnitud mesurada expressada en unitats de massa atòmica unificada, u, i normalment no és un enter. 13C té nombre màssic 13, però la seva massa isotòpica mesurada és lleugerament superior a 13 u.
La diferència reflecteix les masses reals de protons, neutrons i electrons, així com l’energia d’enllaç nuclear de l’àtom format. L’enllaç nuclear modifica la massa segons E = mc².
Estabilitat i abundància
El nucli es manté unit per la interacció forta, mentre que els protons també es repel·leixen elèctricament. Els neutrons reforcen l’enllaç nuclear sense afegir repulsió coulombiana. Per tant, l’equilibri favorable entre neutrons i protons es desplaça a mesura que els nuclis es fan més pesants.
Aquest equilibri no ho explica tot. També importen l’estructura de capes nuclears, l’aparellament i l’energia d’enllaç total. Els nuclis fora d’una regió favorable d’estabilitat poden reduir la seva energia mitjançant transformacions radioactives com la desintegració beta o alfa.
L’abundància isotòpica és la fracció d’àtoms que pertanyen a un isòtop concret. Les taules de manual sovint donen un percentatge convenient, però els materials naturals reals poden presentar relacions isotòpiques lleugerament diferents segons l’origen i la història.
L’evaporació, la condensació, la difusió, la formació de minerals i els processos biològics poden fraccionar els isòtops. Per a diversos elements, els pesos atòmics estàndard s’expressen, per tant, com a intervals i no com un únic valor exacte vàlid per a qualsevol mostra terrestre normal.
Pes atòmic i mesura
El pes atòmic d’un element reflecteix tant les masses isotòpiques com les seves proporcions. En un sistema senzill de dos isòtops:
massa atòmica mitjana = m₁x₁ + m₂x₂, amb x₁ + x₂ = 1.
És una mitjana ponderada per la població. No significa que un àtom individual de clor amb una massa de 35,45 u sigui l’àtom físic típic. Cada àtom correspon a un isòtop o a un altre.
Mitjana ponderada del clor
Considerem una mostra il·lustrativa que conté un 75,78 % de 35Cl amb massa isotòpica 34,9689 u i un 24,22 % de 37Cl amb massa 36,9659 u:
(0.7578 × 34.9689) + (0.2422 × 36.9659) ≈ 35.45 u.
El resultat queda entre les masses dels dos isòtops i més a prop de 35Cl perquè aquest isòtop domina la mostra. Si s’enriqueix el material en 37Cl, la massa mitjana augmenta encara que tots els àtoms continuïn sent clor.
Espectrometria de masses
L’espectrometria de masses separa ions segons la seva relació massa/càrrega m/z. Els isòtops d’un mateix element tenen una química gairebé idèntica però masses diferents, de manera que els pics isotòpics ben resolts poden revelar la composició.
Els espectres de massa moleculars també contenen patrons isotòpics. Les molècules amb clor, brom o diversos àtoms de carboni poden produir grups característics de pics perquè les diferents combinacions isotòpiques tenen masses lleugerament diferents.
Relacions isotòpiques
Els isòtops lleugers i pesants no es comporten de manera perfectament idèntica. L’evaporació, la condensació, la difusió, les reaccions bioquímiques i la formació de minerals poden modificar lleugerament les relacions isotòpiques. Això és el fraccionament isotòpic.
Les diferències poden ser petites, però les mesures modernes les poden resoldre. Per això les relacions isotòpiques poden conservar informació sobre un procés: història del cicle de l’aigua, vies biològiques del carboni, condicions de formació d’un mineral o origen d’un material.
Les petites diferències de relació isotòpica s’expressen habitualment respecte d’una referència:
δ = [(Rmostra/Rreferència) − 1] × 1000 ‰
R pot ser una relació com ara 13C/12C. Un δ positiu significa que la mostra té una relació isòtop pesant/isòtop lleuger més alta que la referència; un valor negatiu significa que és més baixa. Cal indicar sempre la referència perquè δ és una magnitud relativa.
Aplicacions
Carboni
12C defineix la referència moderna de massa atòmica. 13C és estable i s’utilitza àmpliament com a traçador i en anàlisi estructural. 14C és radioactiu i pot actuar com a rellotge per al carboni que ha intercanviat matèria amb l’atmosfera o la biosfera.
No són químiques diferents del carboni. Són variants nuclears del mateix element, amb masses i estabilitats diferents que ofereixen oportunitats experimentals diferents.
Datació
Per a un radionúclid, cada desintegració individual és impredictible, però una població gran segueix N(t) = N₀e−λt, amb T½ = ln 2 / λ. Aquesta regularitat estadística fa possible la datació radiomètrica.
Una relació isotòpica mesurada no és automàticament una edat. Cal considerar les condicions inicials, el comportament del nucli pare i del producte fill, la contaminació i si el sistema s’ha mantingut efectivament tancat.
Traçadors
Un traçador només ha de ser distingible. Enriquir un compost amb 13C, 15N o 18O permet seguir els seus àtoms al llarg d’una reacció, un organisme o un reservori ambiental mantenint pràcticament la mateixa química.
De la mateixa manera, les relacions isotòpiques naturals poden distingir fonts de carboni, rastrejar aigües subterrànies, ajudar a reconstruir aspectes del clima passat i revelar relacions dins d’una xarxa tròfica.
Medicina
La desintegració radioactiva es pot detectar des de fora del cos o pot dipositar energia als teixits. Per això alguns radionúclids són útils en diagnòstic per imatge i teràpia. Un isòtop útil ha de combinar el mode de desintegració, la radiació, la semivida i la química adequats.
Una semivida massa llarga pot generar una activitat persistent innecessària; una de massa curta pot fer que l’isòtop es desintegri abans d’acabar la imatge o el tractament. La física nuclear i el direccionament químic han de treballar conjuntament.
Un material enriquit conté una fracció més gran d’un isòtop que un material de referència o natural. L’enriquiment no canvia Z i, per tant, no transforma un element en un altre. Modifica la composició isotòpica estadística d’un conjunt d’àtoms.
Exercicis
Composició nuclear
Per a 5826Fe, Z = 26, de manera que hi ha 26 protons. El nombre de neutrons és N = A − Z = 58 − 26 = 32. Un altre àtom de ferro amb 30 neutrons continua sent ferro perquè Z continua valent 26; és 56Fe.
Mitjana ponderada
Un element té dos isòtops: 10,0 u amb un 20,0 % i 11,0 u amb un 80,0 %. Calcula la massa atòmica mitjana.
Solució
(0.200 × 10.0) + (0.800 × 11.0) = 10.8 u.