Isotopi: massa atomica, numero di massa

Gli isotopi sono atomi che hanno lo stesso numero di protoni ma  diverso numero di neutroni.
Gli atomi sono identificati sulla base del numero di protoni contenuti nel nucleo detto numero atomico.

Definizione

Poiché la somma del numero di protoni e di elettroni contenuti nel nucleo è detto numero di massa essi possono essere definiti come atomi aventi lo stesso numero atomico ma diverso numero di massa.

Il termine  deriva dal greco ισος e  τοπος che significa stesso posto per indicare gli atomi dello stesso elemento che occupano pertanto la stessa posizione nella Tavola Periodica che hanno lo stesso numero di protoni ma diverso numero di neutroni.

La loro esistenza fu scoperta dal chimico inglese Frederick Soddy nel 1913 che, nell’ambito dei suoi studi sulla radioattività, provò l’esistenza degli isotopi in alcuni elementi radioattivi.
Nello stesso anno il fisico Sir Joseph John Thomson scoprì l’esistenza di isotopi di elementi stabili. Questa scoperta mise in discussione la visione tradizionale degli atomi come unità indivisibili e aprì nuove strade per la ricerca.
Sono noti gli isotopi di alcuni atomi ed in particolare quelli dell’idrogeno e del carbonio.

Isotopi dell’idrogeno

Per quanto attiene quelli dell’idrogeno che ha un solo protone e quindi ha numero atomico pari a 1 vi sono il protio che non ha neutroni, il deuterio che ha un neutrone e il tritio che ha 2 neutroni. Si hanno quindi tre isotopi con numero di massa 1,2 e 3:Come si può vedere dall’immagine gli isotopi sono denotati mettendo prima del simbolo il numero atomico in basso e il numero di massa in alto.

Isotopi del carbonio

Il carbonio ha 6 protoni quindi ha numero atomico pari a 6 ma si può presentare sotto tre diverse forme isotopiche aventi rispettivamente 6, 7 o 8 neutroni. Si hanno quindi tre isotopi con numero di massa 12, 13 e 14

Massa atomica e isotopi

Poiché la massa atomica è influenzata dalla quantità e dal tipo di isotopi essa è ottenuta tramite la media ponderata delle masse atomiche dei singoli isotopi in cui si tiene conto dell’abbondanza relativa di ciascun isotopo:
massa atomica = ( % isotopo 1∙ massa isotopo 1) +  ( % isotopo 2∙ massa isotopo 2) + …/100

Ad esempio si può calcolare la massa atomica del boro sapendo che esso esiste come ¹⁰B (massa = 10.012937 secondo la percentuale di 19.91) e come ¹¹B (massa = 11.009305 secondo la percentuale di 80.09):
massa atomica del boro = (10.012937 ∙19.91) + (11.009305 ∙ 80.09)/100= 10.81

Gli isotopi di un elemento hanno le stesse proprietà chimiche in quanto queste dipendono dal numero di elettroni di legame. L’unica eccezione è rappresentata dall’effetto isotopico cinetico che consiste in una diminuzione della velocità di reazione quando un atomo è sostituito da un suo isotopo.

Questo effetto è marcato nel caso degli isotopi dell’idrogeno in quanto il deuterio ha massa doppia rispetto al protio e il tritio ha massa tripla.