Vamos mudar o referencial de massa atômica? Que tal o hidrogênio-1 pelo carbono-12? #SQN

Tempo de leitura: 10 minutos

Definindo uma referência

Quando começamos a estudar estequiometria, nos deparamos com a definição de unidade de massa atômica – o misterioso 1/12 avos do carbono-12. Confesso que como professor, e muito menos como aluno, eu nuca entendi muito bem esse referencial. Mas antes de discutirmos o porque desse referencial, precismos entender a importância dos referenciais de unidades.

Toda grandeza física é representada por um múltiplo de um referencial Para ficar mais claro, imagine um fio que tenha 10 metros de comprimento. Sabemos que um fio de 10 m é um fio que apresenta 10 vezes o comprimento de um 1 m. Percebam, 10 m = 10 x 1 m, a grandeza (10 m) é um múltiplo (10 vezes) de um referencial (1 m). Certo? Agora deixa eu perguntar … o que é “1 m”? Você pode responder que são 100 centímetros … mas isso não define o metro! Na verdade, a definição de centímetro é derivada do metro – é exatamente a centésima parte dessa unidade de comprimento. Como sabemos que os “metros de pedreiro”, ou as fitas métricas das costureiras, medem exatamente 1 metro, como dizem que medem? Bom … sem enrolar mais, a definição de metro é bem abstrata – desde 1983, o metro é definido como a distância percorrida pela luz, no vácuo, em 1/299792458 segundo. Então … se você tem 1, 70 m de altura, você tem na verdade 1,7 vezes a “a distância percorrida pela luz, no vácuo, em 1/299792458 segundo”. Esquisito, não? Mas essa é a definição …  e é uma boa definição. Por quê? Porque não é palpável, e é imutável quanto a fatores externos. Como a velocidade da luz é uma constante no vácuo, não há nada que modifique a distância que chamamos de “metro”.

No caso da definição de quilograma, o referencial é um cilindro formado por uma liga de irídio-platina, que está guardado na Agência Internacional de Pesos e Medidas, na França, desde 1889. Só para frisar, se você “pesa” 80 kg, você “pesa” na verdade, 80 vezes a massa desse cilindro. Esse é um referencial palpável, físico, mais fácil de se imaginar. Mas há um grande problema … mesmo essa liga sendo feita de metais nobres ,e pouco reativos, pode oxidar, e com isso ter sua massa alterada. Parem um pouco e pensem nessa consequência … a definição de quilograma pode mudar de um ano para outro devido à fatores externos sobre esse precioso cilindro. Isso tanto é verdade, que já há algum tempo existe um movimento tentando mudar o referencial do quilograma para alguma coisa mais abstrata, porém menos suscetível à fatores externos.

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E no caso dos átomos?

Mas vamos ao que interessa ... nós podemos expressar a massa atômica em quilogramas, mas nesse caso, teremos um número muito pequeno, sem significado físico, e difícil de trabalhar. Por isso foi definido um referencial para a massa dos átomos, de maneira a termos números de magnitude razoável para trabalhar. No caso dos átomos, como dito no início do artigo, é 1/12 avos da massa do carbono-12. Isso significa que, se um átomo qualquer, apresenta como massa atômica um valor de 35, este átomo apresenta uma massa de 35 x 1/12 avos da massa do carbono-12. Neste caso, a unidade utilizada para representar a massa atômica é o "u", ou "u.m.a.", que significa "unidade de massa atômica", ou ainda o dalton, da. A unidade "dalton" é muito usada para representar a massa de macromoléculas, como proteínas, mas tem o mesmo significado do "u".

Expressar a massa do átomo em "unidades de massa atômica" é muito mais prático do que em quilogramas. O átomo em questão "pesa" 35 u, quando usamos o 1/12 avos da massa do carbono-12 como referência, ou 5,81 x 10-26 kg, quando usamos o cilindro especial como referência. Isso porque a massa de 1/12 avos do carbono-12 corresponde a 1,660 x 10-27 kg. Acho que ficou clara a importância e praticidade de trabalharmos com "unidade de massa atômica", ao invés de "quilograma" (ao menos quando trabalhamos com átomos).

Mas por que o carbono-12?

O fato de 1 u corresponder a 1,660 x 10-27, significa que, se fosse possível pegarmos um único átomo de carbono-12 e o dividíssemos em 12 partes iguais (1/12 avos), cada um desses fragmentos pesaria aproximadamente 1,660 x 10-27 kg. Mas vamos pensar um pouco ... e é exatamente isso que eu sempre pensei ...

O carbono-12 é constituído de 6 prótons e 6 nêutrons (a massa do elétron é desprezível nesse caso), e se consideramos a massa do próton sendo praticamente igual a massa do nêutron, podemos dizer que 1/12 avos do carbono-12 corresponde a massa de um próton (ou de um nêutron). Sendo assim, porque não é o hidrogênio-1, aquele formado por um único próton, que é o referencial a massa atômica?

Sim, por que não é o hidrogênio? Além do raciocínio acima, o hidrogênio-1 (ou prótio) é o átomo mais leve que conhecemos, então ... por que 1 u não corresponde a massa dele? Poderíamos pensar que o carbono-12 possui massa 12 vezes maior que a massa do hidrogênio 1, e que o césio-137, apresenta 137 vezes a massa do hidrogênio-1, e não 137 vezes a massa de 1/12 avos do carbono-12. Isso seria muito mais fácil de se aceitar e de explicar aos alunos (e eu diria ... até mais "palpável"). Sempre me perguntei isso, e tenho certeza que muitos alunos de ensino médio (se não todos) também. O pior é que atravessamos a graduação sem ter essa resposta, e continuamos a não dá-la aos nossos alunos, sempre jogando a velha e boa justificativa:

Isso foi definido dessa forma, eu não tenho culpa disso, e "ponto final" (ou algo bem parecido com isso)

Mas eu fiquei muito feliz no dia que achei essa resposta. O mais triste é que eu deveria tê-la aprendido na graduação ... não nas aulas de química, mas sim nas de física!

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Indo mais a fundo

Na verdade, o raciocínio de que a massa de 1/12 avos do carbono-12 (1 u) corresponde à massa do hidrogênio-1 (ou do próton) não é tão verdadeira assim. Nós podemos constatar isso na tabela ao lado.

tabela_massa

Notem que a massa do próton, ou a massa do hidrogênio-1, nosso candidato ao referencial de massa atômica, é ligeiramente maior que a massa de 1/12 do carbono-12. A diferença entre a massa do próton e do nêutron é bem pequena, cerca de 0,12%, mas entre o próton e a unidade de massa atômica é cerca de 0,89%. Caso eu questione que, a massa do próton e do nêutron não podem ser consideradas iguais, então eu nunca poderia sugerir que a massa do próton pode ser igual a massa de 1/12 avos do carbono-12!

Vamos parar para pensar um pouco no significado por trás desses números. Isso significa que, se nós tivermos os 6 prótons e os 6 neutros que formam o carbono-12, cada um tem sua massa, mas quando essas mesmas unidades estão formando o agregado que chamamos de núcleo, a massa de cada um deles é diferente! Na verdade é menor!

Pode isso Arnaldo? E como fica a Lei da Conservação da Matéria de Lavoisier?

Pode sim ... por que o motivo causador dessa diferença está além das prerrogativas do excepcional francês que perdeu a cabeça. O motivo disso é um efeito relativístico chamado de Defeito de Massa. Para entendermos um pouco, imagine que eu queira separar o agregado nuclear do carbono-12 em seus 6 prótons e 6 nêutrons. Para isso vou precisar de uma quantidade grande de energia. Agora vamos supor que eu consiga fazer isso! A energia que eu empreguei para separá-los, não apenas os separou, mas foi convertida, em uma pequena quantidade (porém computável), em massa. Por isso é um efeito relativístico, onde massa e energia podem ser convertidas uma na outra. Isso significa, de maneira mais clara, que o próton isolado tem uma massa (1,673 x 10-27 kg), mas quando ele está ligado no agregado nuclear (sim! Ligado, vocês não leram errado, mas isso é outra história ...) sua massa é outra (1,660 x 10-27 kg)! Na verdade, para ser mais exato, é menor. Esse é o Defeito (ou falta, como é um dos significados dessa palavra) de Massa!

Então ...

Então isto significa que, se todos os átomos tem em seu núcleo mais de um próton, e todos apresentam o Defeito de Massa, o único átomo que não deveria ser utilizado para representar todos os outros como um referencial, é o que não apresenta esse "defeito", ou seja, o hidrogênio-1. Irônico, não é? O mais ilustre candidato ao cargo de referencial de massa atômica teve sua candidatura impugnada pelo Defeito de Massa!

O Defeito de Massa de cada átomo é diferente. Seu valor depende da energia envolvida para separar as unidade subnucleares (não que isso seja possível, é apenas para compararmos). No comparativo entre o elementos, o carbono-12 leva vantagens, como estabilidade e abundância. Poderia ser o oxigênio-16, ou nitrogênio-14, mas não poderia ser o pobre do hidrogênio-1...

E ai pessoal, gostaram do artigo. Essa é uma versão melhorada do que eu escrevi há uns anos atrás no meu antigo blog, o Ensinando e Aprendendo. Espero que tenham gostado do artigo, e que ele tenha sido esclarecedor. Caso seja um aluno, indique esse artigo a seu professor. Caos seja professor indique, a seus alunos. Vamos ajudar para que todos tenham suas dúvidas esclarecidas sobre essa fantásticas disciplina que é a química! Ah ... aproveitem cliquem nos botões vermelho e azul acima, para curtir nossa Fanpage e se inscrever no Canal.

  • Daywison Silva

    Como sempre, seus artigos são muito esclarecedores!!

  • Kleberson John

    Muito bom o texto.Nunca tinha pensado nos efeitos relativísticos e como isso influenciaria na definição de massa atômica kkkkk. Mas além disso, tem algum motivo especial para a escolha do carbono-12? Se conseguir explicar de uma maneira sucinta, ficaria agradecido.

  • Felipe Camun

    muito bom mesmo, sempre achei porque não o hidrogênio kkkk agora não resta duvida, o mais irônico como mesmo falou é ele ser o único que não pode ser usado kkk. belo post