Isótopos
Los isótopos son formas nucleares de un mismo elemento: el número de protones no cambia, mientras que el número de neutrones sí. Esta variación modifica la masa y, en ocasiones, la estabilidad nuclear, pero deja prácticamente igual la química electrónica.
Notación e identidad
Cómo leer A y Z
Una especie nuclear se escribe AZX. X es el símbolo del elemento, Z es el número de protones y A es el número másico. Para 3717Cl, el núcleo contiene 17 protones y 37 − 17 = 20 neutrones. El 17 ya identifica al cloro; el 37 identifica a este isótopo.
Como el símbolo fija Z, el número inferior suele omitirse en la escritura habitual: cloro-37 o ³⁷Cl es suficiente.
Núclido e isótopo
A núclido es una especie nuclear concreta. 12C y 13C son dos núclidos. Llamarlos isótopos destaca su relación: pertenecen al mismo elemento porque tienen el mismo número de protones.
Dos núcleos pueden tener el mismo número másico y pertenecer a elementos distintos. En ese caso no son isótopos entre sí.
Química de los isótopos
Los isótopos neutros de un elemento tienen el mismo número de electrones y, en esencia, la misma estructura electrónica. Por eso 12CO₂ y 13CO₂ experimentan las mismas reacciones fundamentales y los isótopos ocupan una sola posición en la tabla periódica.
Casi iguales no significa idénticos. Cambiar la masa nuclear modifica las frecuencias vibracionales y puede alterar ligeramente las velocidades de reacción o los equilibrios. Estos efectos isotópicos son especialmente visibles en el hidrógeno, porque sustituir 1H por deuterio casi duplica la masa nuclear.
Número másico y masa medida
El número másico A es un recuento entero de protones y neutrones. La masa isotópica real es una magnitud medida, expresada en unidades de masa atómica unificada, u, y normalmente no es un número entero. 13C tiene número másico 13, pero su masa isotópica medida es ligeramente superior a 13 u.
La diferencia refleja las masas reales de protones, neutrones y electrones, así como la energía de enlace nuclear del átomo formado. El enlace nuclear modifica la masa mediante E = mc².
Estabilidad y abundancia
El núcleo se mantiene unido por la interacción fuerte, mientras que los protones también se repelen eléctricamente. Los neutrones refuerzan el enlace nuclear sin añadir repulsión coulombiana. Por ello, la proporción favorable entre neutrones y protones cambia a medida que los núcleos se hacen más pesados.
Esa proporción no lo explica todo. También importan la estructura de capas nucleares, el apareamiento y el enlace total. Los núcleos fuera de una región favorable de estabilidad pueden reducir su energía mediante transformaciones radiactivas, como la desintegración beta o alfa.
La abundancia isotópica es la fracción de átomos que pertenece a un isótopo determinado. Las tablas didácticas suelen dar un porcentaje práctico, pero los materiales naturales reales pueden presentar proporciones isotópicas ligeramente distintas según su origen e historia.
La evaporación, la condensación, la difusión, la formación de minerales y los procesos biológicos pueden fraccionar los isótopos. Por ello, para varios elementos los pesos atómicos estándar se expresan como intervalos y no como un único valor exacto válido para toda muestra terrestre normal.
Peso atómico y medida
El peso atómico de un elemento refleja tanto las masas isotópicas como sus proporciones. En un sistema sencillo con dos isótopos:
masa atómica media = m₁x₁ + m₂x₂, con x₁ + x₂ = 1.
Es una media ponderada de una población. No significa que exista como átomo físico típico un átomo de cloro individual con una masa de 35,45 u. Cada átomo pertenece a un isótopo concreto.
Media ponderada del cloro
Consideremos una muestra ilustrativa con un 75,78 % de 35Cl de masa isotópica 34,9689 u y un 24,22 % de 37Cl de masa 36,9659 u:
(0,7578 × 34,9689) + (0,2422 × 36,9659) ≈ 35,45 u.
El resultado queda entre las masas de ambos isótopos y más cerca de 35Cl porque ese isótopo domina la muestra. Si el material se enriquece en 37Cl, la masa media aumenta aunque todos los átomos sigan siendo cloro.
Espectrometría de masas
La espectrometría de masas separa iones según su relación masa/carga m/z. Los isótopos de un mismo elemento tienen una química casi idéntica pero masas distintas, de modo que unos picos isotópicos bien resueltos permiten determinar la composición.
Los espectros de masas moleculares también muestran patrones isotópicos. Las moléculas que contienen cloro, bromo o varios átomos de carbono pueden producir grupos de picos característicos porque las distintas combinaciones isotópicas tienen masas ligeramente diferentes.
Relaciones isotópicas
Los isótopos más ligeros y más pesados no se comportan de forma perfectamente idéntica. La evaporación, la condensación, la difusión, las reacciones bioquímicas y la formación de minerales pueden desplazar ligeramente las relaciones isotópicas. Este fenómeno se denomina fraccionamiento isotópico.
Las diferencias pueden ser pequeñas, pero las técnicas modernas pueden resolverlas. Por eso las relaciones isotópicas conservan información sobre un proceso: la historia del ciclo del agua, las rutas biológicas del carbono, las condiciones de formación de minerales o el origen de un material.
Las pequeñas diferencias entre relaciones isotópicas suelen expresarse respecto de una referencia:
δ = [(Rmuestra/Rreferencia) − 1] × 1000 ‰
R puede ser una relación como 13C/12C. Un δ positivo indica que la muestra tiene una relación isótopo pesado/isótopo ligero mayor que la referencia; un valor negativo indica una relación menor. Siempre debe indicarse la referencia porque δ es una magnitud relativa.
Aplicaciones
Carbono
12C define la referencia moderna de masa atómica. 13C es estable y se utiliza ampliamente como trazador y en análisis estructural. 14C es radiactivo y puede actuar como reloj para el carbono que ha intercambiado con la atmósfera o la biosfera.
No son químicas diferentes del carbono. Son variantes nucleares del mismo elemento cuya masa y estabilidad abren distintas posibilidades experimentales.
Datación
Para un radionúclido, cada desintegración individual es impredecible, pero una población grande sigue N(t) = N₀e−λt, con T½ = ln 2 / λ. Esa regularidad estadística hace posible la datación radiométrica.
Una relación isotópica medida no equivale automáticamente a una edad. Deben considerarse las condiciones iniciales, el comportamiento del progenitor y del descendiente, la contaminación y si el sistema permaneció efectivamente cerrado.
Trazadores
Un trazador solo necesita ser distinguible. Enriquecer un compuesto en 13C, 15N o 18O permite seguir sus átomos a través de una reacción, un organismo o un reservorio ambiental conservando prácticamente la misma química.
Las relaciones isotópicas naturales también pueden distinguir fuentes de carbono, rastrear aguas subterráneas, ayudar a reconstruir aspectos del clima pasado y revelar relaciones en las redes tróficas.
Medicina
La desintegración radiactiva puede detectarse desde el exterior del cuerpo o depositar energía en los tejidos. Por ello, determinados radionúclidos son útiles en diagnóstico por imagen y terapia. Un isótopo útil debe combinar el modo de desintegración, la radiación, la semivida y la química adecuados.
Una semivida demasiado larga puede generar una actividad persistentemente innecesaria; una demasiado corta puede hacer que el radionúclido se desintegre antes de completar la imagen o el tratamiento. La física nuclear y la orientación química deben funcionar conjuntamente.
Un material enriquecido contiene una fracción mayor de un isótopo que un material de referencia o natural. El enriquecimiento no cambia Z y, por tanto, no transforma un elemento en otro. Cambia la composición isotópica estadística de un conjunto de átomos.
Ejercicios
Composición nuclear
Para 5826Fe, Z = 26, por lo que hay 26 protones. El número de neutrones es N = A − Z = 58 − 26 = 32. Otro átomo de hierro con 30 neutrones sigue siendo hierro porque Z continúa siendo 26; es 56Fe.
Media ponderada
Un elemento tiene dos isótopos: 10,0 u con una abundancia del 20,0 % y 11,0 u con una abundancia del 80,0 %. Calcula la masa atómica media.
Solución
(0,200 × 10,0) + (0,800 × 11,0) = 10,8 u.