Referencial para a massa atômica – 1/12 do Carbono-12. Por que não é o hidrogênio?

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Antes de iniciarmos esse artigo, queria dizer que esse não é um artigo que mostra a química do dia-a-dia, mas é o primeiro de um conjunto de artigos que eu pretendo publicar chamados de “filosofando a química”. O meu objetivo é tentar explicar alguns fatos que simplesmente são passados por alto na sala de aula, mas que tem sua explicação, e na maioria das vezes são explicações bem interessantes. Então … vamos lá.

Quem já estudou na escola o conceito de massa atômica/ massa molecular/ massa molar deve-se lembrar que o 1/12 do átomo de carbono-12 é usado como referencial para a escala de massa atômica. Lembram-se? Não? Vou relembrá-los rapidamente …

Qualquer grandeza física é representada por um múltiplo de um referencial. Por exemplo, quando eu falo que um pedaço de fio elétrico possui cinco metros, ou 5 m, estou dizendo que esse pedaço de fio possui 5 vezes o comprimento do referencial, que é 1 metro. Quando falamos que um terreno possui uma área de 360 m2, estou dizendo que está área possui 360 vezes a área do referencial, que desta vez é um quadrado de 1m x 1m, ou 1m2. O mesmo pode-se aplicar a outras grandezas. Por exemplo, quando eu me refiro à massa. Quando falamos que temos 80 kg, estamos falando que nossa massa é oitenta vezes maior que a massa do nosso referencial, que é 1 kg. Certo? Então vamos parar por aqui porque a lista de exemplos simplesmente não tem fim.

Cada um desses referenciais possui uma definição. Por exemplo, o que é precisamente 1m? Ou o que é precisamente 1 Kg? O referencial do Quilograma é um cilindro formado por uma liga de irídio-platina. A massa deste artefato corresponde precisamente a 1 Kg, e ele está guardado, desde 1889, na Agência Internacional de Pesos e Medidas, que fica localizada próxima a Paris. Hoje existe um forte movimento da comunidade científica em mudar esse referencial por algum outro menos arriscado (arriscado porque, embora este cilindro seja feito de materiais pouco reativos, além de estar isolado do meio externo, já foi verificado que, ao longo desses anos, ele perdeu um pouco de massa). O metro, por sua vez, tem um referencial não tão palpável assim. Desde 1983, o metro é definido como a distância percorrida pela luz, no vácuo, em 1/299792458 segundo. Embora seja meio surreal, essas são as definições para tais grandezas físicas.

Entendido e/ou relembrado toda essa discussão sobre grandezas e unidades, podemos voltar ao assunto principal do artigo. Qual é o referencial para a massa de um átomo. Poderíamos usar o quilograma, mas esta não é a unidade mais apropriada para sistemas tão pequenos (e põe pequeno nisso!!!) como um átomo. Apenas para termos uma ideia a massa de um átomo, como o hidrogênio, é da ordem de 10-27 Kg. Um átomo mais pesado como o chumbo teria massa na ordem de 10-25 Kg. Essa é uma massa extremamente pequena!!!! Não faz muito sentido expressá-la na unidade quilograma. Por isso fez-se necessário a criação de uma nova escala, com uma unidade mais apropriada para o tamanho dos átomos, que é a chamada unidade de massa atômica, comumente expressa com a unidade “u“, “uma“, ou ainda com a unidade dalton, da.

Mas … qual então é a referência da unidade de massa atômica, ou seja, o que define 1 u? Bom … basta abrir qualquer livro de química geral e lá vemos que 1 u corresponde precisamente a 1/12 da massa do carbono com número de massa 12 (o chamado carbono – 12, C-12). Essa massa corresponde a, aproximadamente, 1,660 x 10-27 Kg.  Isto significa que se fosse possível pegar um único átomo de C-12 e o colocássemos em uma balança ele pesaria 12 x 1,660 x 10-27 Kg. Como dito anteriormente, este é um número com pouco significado, de tão pequeno que ele é. Mas se for expresso em unidade de massa atômica, o C-12 pesa 12 x 1u, logo sua massa é 12 u (uma escala muito mais adequada!).

Entendido isso, chegou a hora de filosofarmos…

tabela_massaO C-12, possui número de massa 12, porque em seu núcleo existem 12 subpartículas (ele possui 6 prótons e 6 nêutrons, além de possui 6 elétrons, porém consideramos a massa do elétrons desprezível quando avaliamos a massa atômica). Normalmente assumimos que a massa do próton é igual a massa do nêutron. E, de fato, quando olhamos esses valores na tabela ao lado, constatamos que a diferença realmente é bem pequena (cerca de 0,12 %, apenas).

Então, porque não usamos a massa do próton como a definição para a unidade de massa atômica? Afinal, a massa de 1/12 do C-12, seria o equivalente a um próton. Ou ainda, porque a referência para a unidade de massa atômica não é o átomo de hidrogênio – 1, afinal ele possui apenas um próton?  Eu sempre me perguntei isso, e muitos dos meus alunos também …

Bom … mas as coisas não são bem assim… . Retornem por favor à tabela, e comparem a massa do próton com a massa de 1/12 do C-12, ou seja,  1u. Existe uma pequena diferença entre os valores, diferença esta maior que a diferença de massa entre os prótons e os nêutrons. Neste caso, a diferença é em torno de 0,89%. Conseguem perceber o significado desta diferença? Estes números estão mostrando que a massa do próton no agregado nuclear (1/12 do C-12) é menor que a massa do próton isolado (como no caso do hidrogênio)! E de fato é assim!!!

Mas, por que? Como? Isso é possível? Nunca ouvi nada disso!

Mas é verdade … e isto corre por causa de um efeito relativístico chamado de defeito de massa. O que é isso?  Bom … dentro do núcleo do C-12 temos 6 próton e 6 nêutrons ligados entre si. (Ligados? Calma … isso será abordado em outro post). Caso eu queira separar essas partículas nucleares, eu preciso fornecer uma quantidade de energia, a chamada energia de ligação. Após fornecer a energia de ligação, eu teria as seis unidades separadas, porém essa energia fornecida não foi usada apenas para separar as partículas, ela é convertida em massa! De modo, que a soma da massa das unidades separadas é maior que soma da massa das unidades no arranjo nuclear. Este é o defeito de massa. Entenderam? O próton tem uma massa quando está no arranjo nuclear, e uma massa ligeiramente maior quando isolado.

Com isto, as coisas ficam um pouco mais claras. Se existe esse defeito de massa, todos os átomos o possuem. Certo? Não! existe um que não possui o defeito de massa. Que é? O isótopo do átomo hidrogênio de massa 1, ou o H-1. Irônico não? O átomo que deveria ser o referencial da escala de massa atômica,  por ser o mais simples, é justamente o único que não pode ser, justamente por não apresentar defeito de massa.

Ah … mas é uma diferença tão pequena. Tenho que levá-la em consideração?

Sim, é pequena. Mas forçar que a massa do próton seja igual a do nêutron, quando de fato não é, já é uma aproximação. Desprezar o defeito de massa, é fazer uma aproximação maior ainda, afinal, o erro associado é mais de 7 vezes maior que o da aproximação massa do próton = massa do nêutron. Por isso, é um efeito que deve ser considerado. Conheciam essa explicação? Na maioria das vezes é uma coisa que simplesmente é passado por cima nas aulas de química.

 E ai gostaram do artigo? Então por favor deixem seu comentário, curtam, divulguem, e caso queira que eu escreva sobre algum tema, é só deixarem nos comentários.

  • Silvério Ferreira Silva Filho

    Excelente artigo e conteúdo explicado com maestria!

  • Danilo Moreira

    A única pessoa que achei falando o PORQUE das coisas, muito bom! Porém estou com uma dúvida.
    U equivale 1/12, só que 1/12 equivale a 0,083…, qual a explicação disso?

  • Carlos Eduardo Fonseca

    Ótima explicação, isso sempre me intrigou.

  • Peter Herzog Heinz

    Agora o mundo inteiro fez sentido !! Grato pela explicação

  • Ione Sabrina

    Cara… tava desesperada para saber disso.
    E olha que procurei em vários livros, vídeos-aulas, site de universidades, documentos em PDF e achei aqui!
    Obrigada.

  • Malana Lana

    Esclarecedor. Gostei muito!

  • CARLOS RODRIGO SILVA DE OLIVEIRA

    Geralmente não me paro a responder post´s mas o seu foi merecedor.
    Não sei ao certo se sua pagina é um blog ou o que seja pois sou leigo em assuntos da internet
    O QUE SEI é que entendi minha duvida, obrigado continue postando, e indique outros assuntos Sou estudante da UFCSPA em Porto Alegre. Valeu obrigado. Roots Very roots

    • Antonio Florencio

      Olá Carlos, fico muito feliz que o Ensinando e Aprendendo tenha sido útil. Pode ficar tranquilo que continuarei postando, tanto os artigos quanto as vídeo aulas. Caso tenha a sugestão de algum tema que queira saber, fique a vontade para deixar nos comentários. Muito obrigado pelo retorno.

  • http://jones-c.blogspot.com Jones Ferreira

    Antonio, meu amigo! Extremamente esclarecedor! Vou levar isso para as minhas aulas..

    (Finalmente estou vendo com carinho seu site.. Está muito bom! Continue.. Daqui a pouco farei um também.. rs)

    • Antonio Florencio

      Vlw Jones, muito obrigado. Espero que realmente seja útil.