Principios de análisis instrumental

Las masas atómicas y moleculares se expresan generalmente en la escala de masa atómica, la cual se basa en un isótopo de car– bono específico. Una unidad de masa atómica unificada en esta escala es igual a 1/12 de la masa de un átomo neutro de 1 ~C. La unidad de masa atómica unificada recibe el símbolo u. Una uni– dad de masa atómica unificada suele denominarse Dalton (Da), el cual es el término aceptado aun cuando no es una unidad del Sistema Internacional de Unidades. El término antiguo, unidad de masa atómica (urna) no es recomendado dado que estaba basado en el isótopo más estable de oxígeno 16 0. Por lo tanto, una unidad de masa atómica unificada o Da, es 12 g 12 C/mol 12 C masa de un átomo de 1 ~C = 6.022142 X l0 23 átomos 12 C/mol 12 C = 1.992646 x l0- 23 g/átomo 12 C = 1.992646 X l0- 26 kg/ átomo 12 C Entonces, la unidad de masa atómica unificada es 1 u = 1 Da 1 = - ( 1.992646 X lO- 23 g) 12 = 1.6605387 X 10- 24 g = 1.6605387 X 10- 27 kg La masa atómica relativa de un isótopo como el de ~~Cl se mide entonces con respecto a la masa del átomo de referencia del 1 ~C. El cloro 35 tiene una masa que es 2.914071 veces mayor que la masa del isótopo de carbono. Por tanto, la masa atómica del isótopo del cloro es masa atómica~~Cl = 2.914071 X 12.000000 Da = 34.968853 Da Como un mol de 1 ~C pesa 12.000000 g, la masa molar de ~~Cl es de 34.968853 g/mol. 3 En espectrometría de masas, a diferencia de otros ámbitos de la química, interesa con frecuencia la masa exacta m de determi– nados isótopos de un elemento o la masa exacta de los compo– nentes que contienen un cierto grupo de isótopos. Por tanto, es necesario poder diferenciar entre las masas de compuestos como 12 C 1 H 4 m = (12.000000 X 1) + (1.008 X 4) = 16.03200 Da 13 C 1 H 4 m = (13.0000 X 1) + (1.008 X 4) = 17.0320 Da 12 C 1 H/ H 1 m= (12.0000 X 1) + (1.008 X 3) + (2.0160 X 1) = 17.0400Da 3 La lista de los isótopos de todos los elementos y sus masas atómicas se pueden consultar en varios manuales, como el Handbook ofChemistry and Physics, 96a. ed., Boca Raton, FL: CRC Press, 2015, también disponible en línea a través de muchas librerías. >» 11A Algunos aspectos generales de la espectrometría de masas 249 En los cálculos anteriores se presentaron las masas de los isótopos con seis cifras decimales. Por lo regular, las masas exactas se dan con tres o cuatro cifras a la derecha del punto decimal porque los espectrómetros de masas de alta resolución tienen la aptitud de medir con ese nivel de precisión. En otros contextos se usa el término masa nominal, que implica una precisión de un número entero en una medición de masa. Por consiguiente, las masas nominales de los tres isómeros antes citados son 16, 17, y 17 Da, respectivamente. La masa atómica química o masa atómica promedio (A) de un elemento en la naturaleza viene dado por la ecuación /1 A= A 1 p 1 + A 2 p 2 + · · · + A 11 p 11 = 2:A,p, i = 1 donde A 1 , A 2 , • •. , A, son las masas atómicas en daltons de los n isótopos de un elemento y p 1 , p 2 , • . . , p, son las abundancias fraccionarias de estos isótopos en la naturaleza. Normalmente, la masa atómica química es la que interesa a los químicos para la mayoría de los propósitos. La masa molecular química o prome– dio de un compuesto es entonces la suma de las masas atómicas químicas de los átomos que aparecen en la fórmula del com– puesto. Por consiguiente, la masa molecular química del CH 4 es 12.01115 + (4 X 1.008) = 16.0434 Da. La masa atómica o molecular expresada sin unidades es el número de masa. 11A.2 Relación masa-carga Otro término que se utiliza a lo largo de este capítulo es la rela– ción masa-carga de un ion atómico o molecular. Para un ion ésta es la relación adimensional entre su número de masa y el número de cargas fundamentales z que tiene. Por consiguiente, para 12 C 1 H/ , mi z= 16.032/l = 16.032. Para 13 C 1 H 4 2+ , miz= 17.032/2 = 8.516. Como en la espectrometría de masas la mayoría de los iones presenta una sola carga, el término relación masa– carga se puede acortar y utilizar el término más apropiado de masa. Si se habla con rigor, esta simplificación es incorrecta, pero se utiliza mucho en la bibliografía sobre espectrometría de masas. 11A.3 Tipos de espectrometria de masas En la tabla 11.1 se resumen los tipos más importantes de espec– trometría de masas. Históricamente, la espectrometría de masas con ionización térmica y con fuente de chispa fueron los pri– meros métodos espectrométricos de masas para ejecutar análi– sis elemental tanto cualitativo como cuantitativo. Todavía en la actualidad se emplean ambos métodos, aunque han sido reem– plazados poco a poco por algunos de los métodos que se enlis– tan en la tabla 11.1, sobre todo por la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICPMS, por sus siglas en inglés) . Observe que las tres primeras entradas de la tabla corresponden a métodos acoplados, que son la combinación de dos técnicas instrumentales que proporcionan resultados analí– ticos mejores que los que se obtienen con cada método por sepa– rado. Hay cierta cantidad de métodos acoplados en varias partes de este libro.