Cómo medir lo extremadamente pequeño: masa atómica

Victoria Prieto
Victoria Prieto

¿Cómo se mide la masa de un objeto? La masa se define como la cantidad de materia que contiene un objeto. Esto es muy diferente del peso, por supuesto, porque la masa de nuestro objeto permanecería igual a pesar de la presencia o el tamaño de un campo gravitacional. Sin embargo, es seguro decir que la mayoría de los sistemas de medición de laboratorio están aquí en la Tierra, y podemos usar la gravedad de la Tierra para ayudar en nuestra medición de masa. Una forma es utilizar una balanza y una cantidad conocida de masa. Simplemente coloque nuestro objeto en un lado de la balanza y continúe agregando cantidades conocidas de masa al otro lado hasta que la balanza esté equilibrada.

Pero si nuestro objeto es muy pequeño … ¿demasiado pequeño para verlo y demasiado ligero para medirlo con la gravedad? ¿Cómo se mide la masa de un átomo? Además, ¿cómo se determina cuánto de un objeto consta de un tipo particular de átomo? Hay dos herramientas de uso común solo para este propósito. Probablemente hayas oído hablar de uno de estos, pero no del otro. Estas herramientas utilizadas para medir sustancias a nivel atómico son el tema central del artículo de hoy.

Calidad frente a cantidad

Explicación del espectrómetro de masas por FranklyChemistry en YouTube

Si Sir Isaac Newton golpea su corteza cerebral izquierda en este momento, está pensando en la dirección correcta. La fuerza es igual a la aceleración de masa-tiempo. Si aplicamos una fuerza conocida a nuestro átomo y medimos su aceleración, podemos conocer su masa. Pero primero necesitamos definir dos técnicas que a menudo se confunden con los sistemas de medición a escala atómica.

Calidad:

La medición de la calidad le dirá qué hay, pero no cuánto de lo que hay. Es subjetivo, pero útil para comprender determinadas situaciones. Decir “Hay muchos Arduinos en su lugar de trabajo” sería un análisis cualitativo.

Cantidad:

Aquí está la medición más intuitiva. Se basa en números y es objetivo. Contar el número exacto de Arduinos en su lugar de trabajo es una medida cuantitativa.

Estos términos se utilizan en otros campos y tienen varias definiciones que se aplican a cada uno. Pero para el propósito de este artículo, comprenda que la medición cualitativa le dirá “Tenemos Arduinos aquí” y la medición cuantitativa le dirá “Tenemos X número de Arduinos aquí”. Consulte la wiki para obtener una explicación más técnica de la medición cualitativa versus cuantitativa aplicada a los estudios químicos.

Espectrómetro de masas

Espectrómetro de masas de Khan Academy

Me salté el diagrama de arriba sin mencionarlo, pero miro hacia atrás por un momento. Imaginemos una pequeña rampa y un puñado de pellets rodando por la rampa. Cada bola tiene una masa diferente. Ahora imaginemos que tomamos un secador de pelo y soplamos las bolas hacia los lados mientras bajan por la rampa. Las bolas con más masa serán las menos desviadas, mientras que las bolas con la menor masa serán las más desviadas. Mirando dónde aterrizan las bolas al final de la rampa, podemos medir la masa de las bolas.

Un espectrómetro de masas mide la masa de un átomo o molécula reemplazando la rampa con un campo eléctrico y el secador de pelo con un imán. Primero, los átomos deben calentarse a un estado gaseoso. Luego se bombardean con electrones rápidos para liberar electrones de la muestra de gas. Esto convierte la muestra en iones positivos. Tenga en cuenta que los electrones pesan 1/1836 amu, por lo que los electrones faltantes no tendrán ningún efecto medible en la masa de nuestra muestra.

Ahora que la muestra tiene carga positiva, ¡podemos usar un campo eléctrico para acelerarlos! Se utilizan dos “placas” a diferentes potenciales para enfocar y acelerar los iones de muestra hacia un imán. Los iones son atraídos por el imán y son desviados por el campo magnético. La cantidad de esta disminución está relacionada con la masa del ión de muestra.

Así como medimos dónde golpean las bolas en la parte inferior de la rampa, medimos dónde golpean los iones al final de su viaje. Al medir dónde golpean la “pantalla de detección”, medimos la cantidad de iones que el imán ha defendido y, por lo tanto, la masa del ión.

Cromatografía líquida de alta calidad

Sistema LC isocrático para waters.com

Si bien un espectrómetro de masas puede darnos la masa de átomos y moléculas, generalmente no se usa para cuantificar la cantidad de un elemento o molécula que contiene una muestra. Por lo tanto, el espectrograma de masas generalmente se considera una medida cualitativa.

Para saber cuánto elemento o molécula tiene, debe utilizar una técnica llamada Cromatografía líquida. Los instrumentos de LC que funcionan bajo presión se denominan HPLC (cromatografía líquida de alta calidad). A menudo, los espectrómetros de masas se combinan con HPLC y se denominan máquinas LC-MS.

¿Cómo nos dice la HPLC la cantidad de elemento o molécula en una muestra? Imaginemos que tenemos un cubo de varios tamaños. Nuestro objetivo es separarlos y agruparlos según sus características individuales. Una forma de hacerlo es con un “filtro de fricción”. Imagina que arrojamos el cubo de tuercas y tornillos a nuestro filtro. Debajo de la salida del filtro hay una cinta transportadora. Los tornillos y tuercas más pequeños experimentan menos fricción cuando caen a través del filtro y salen primero, mientras que los más grandes experimentan más fricción y salen últimos.

Mecanismo de separación de tamaños a través de water.com

La HPLC hace algo similar a las moléculas. Una muestra se disuelve en un líquido. Luego, la muestra líquida se fuerza a través de lo que se conoce como una columna bajo alta presión de aire. La columna es algo análoga a nuestro filtro de fricción. El tamaño y la composición de las columnas de HPLC varían según el tamaño aproximado de la muestra que necesita análisis. Pero todos funcionan de la misma manera. La alta presión de aire fuerza la muestra a través de la columna, y las interacciones con el relleno de la columna (no la fricción) hacen que las moléculas de diferentes tamaños se muevan a través de la columna a diferentes velocidades.

Con la combinación de espectrómetro de masas y HPLC se utiliza para obtener una medida cuantitativa de moléculas. El espectrómetro de masas les dice a los científicos qué sustancias son una muestra, y luego se usa la HPLC para medir la cantidad de cada sustancia en particular que contiene la muestra. Las técnicas se aplican en una amplia variedad de campos. La precisión de este método permite medir los insecticidas (y todo lo demás, como vitaminas u hormonas) en los alimentos, y también es invaluable para desarrollar y probar medicamentos.

  • William Struve dice:

    Wow Will, su descripción de HPLC solo cubre un tipo (exclusión de tamaño) y son las moléculas más grandes las que aparecen primero. Otros tipos de HPLC utilizan la afinidad de unión diferencial de las moléculas al material de la columna, no el tamaño de las moléculas. De cualquier manera hay fricción.

    • Es Sweatman dice:

      Sí, fricción no es la palabra adecuada. Haré algunas modificaciones. ¡Gracias por el comentario constructivo!

  • Me dice:

    Todavía me pregunto cómo medir la masa de un átomo …

    • PWalsh dice:

      Sumerja un filamento en una solución de algo y luego déjelo secar.

      Calentar el filamento al vacío y los átomos de la solución hierven. Si hay una placa de alto voltaje más lejos, los átomos comenzarán a cargarse y volarán hacia la placa.

      Coloque ese flujo de iones a través de un campo magnético y los iones cargados se desviarán. La placa se puede mover y se ajusta para obtener la corriente máxima.

      Conociendo la velocidad de los iones en el campo eléctrico y la fuerza del campo magnético, puede calcular la cantidad de disminución proporcional a la masa del ion.

      La declinación que mides indirectamente te dice la masa del ion.

  • cactus dice:

    “… eso [mass spectrometer] no puede cuantificar la cantidad de elemento o molécula que contiene una muestra. “
    Yo diría que un espectrómetro de masas puede muy bien determinar cuantitativamente la cantidad de iones específicos. Para esto se utiliza ICP-MS. Incluso la imagen de la academia Khan tiene “abundancia relativa” en el diagrama …

    • Es Sweatman dice:

      Bueno. Lo cambié de “no puedo” a “no se usa habitualmente …”

      • AMA dice:

        Estoy con la interpretación original de Will de eso. Lo que se obtiene de una especificación masiva es un patrón fragmentado. Averigua la cantidad de cada ion detectado, pero eso depende de qué tan estable sea el ion y cuánto hay en la fuente y cómo se producen esos iones que dependen de la corriente de iones y muchas otras cosas. Los isótopos no influyen mucho en el proceso, por lo que la abundancia de isótopos juega un papel importante en el patrón resultante y su interpretación. Esto también significa que es posible realizar trabajos cuantitativos con isótopos. Es posible comparar cosas entre muestras. No estoy tratando de cambiarlo, hay espacio para la interpretación, pero en su forma original me pareció bien. Suponiendo que sepa qué es la muestra o puede procesarla, un solo análisis de masa todavía no le dice nada sobre la abundancia elemental o molecular que hace la HPLC porque la absorbancia molecular medida por su detector es fija.

  • Alex dice:

    ¿Qué pasa con los compuestos inorgánicos y los diferentes tipos de ionización, así como los diferentes tipos de analizadores de masas? Sin embargo, no es un mal artículo … solo faltan algunos de los mejores puntos. Solía ​​trabajar para Waters Micromass … ¡Fue mi primer trabajo después de la universidad!

  • AMA dice:

    La HPLC es bastante universal en la cromatografía líquida de alto rendimiento. La wiki dice que antes era Pressure, pero eso es nuevo para mí y debe haber sido hace más de 2 décadas.

    • Es Sweatman dice:

      Reparado. ¡Gracias!

    • Nathan McCorkle dice:

      Lo extraño es que nadie habla realmente de cromatografía líquida de bajo rendimiento (¿no lo llaman simplemente analítico que preliminar?) … pero es más probable que hablen de cromatografía líquida de baja presión (columnas de centrifugación, gravedad -alimentado, a base de agua). vacío del grifo, el vacío diabólico es generalmente de “baja” presión). ¿De qué otra manera podemos cambiar la industria excepto por un artículo a la vez y editores vacilantes?

  • Dan # 8582394734 dice:

    Una buena introducción a un aspecto de la metrología. La metrología es la base de casi todas las ciencias e ingeniería, la recopilación de datos o el control de procesos. Podrías hacer una serie completa sobre ese tema.

  • Jef dice:

    Estoy totalmente de acuerdo con los comentarios anteriores. Buen artículo, pero se necesitan algunos matices.
    El propósito de un cromatógrafo de líquidos es principalmente separar mezclas.
    Un espectrómetro de masas puede tener problemas si se introducen inmediatamente mezclas complejas, es decir, el acoplamiento con un dispositivo de separación.
    También cabe mencionar las partes principales: ionización (generación de iones) y analizadores (separación de masas).
    Y finalmente: un espectrómetro de masas no solo registra las masas de los iones, sino también la cantidad, por lo que el instrumento puede ser tanto cualitativo como cuantitativo.
    Es muy difícil explicar la imagen completa en una página, me toma 10 lecciones y una wiki de veinte páginas.

    • Es Sweatman dice:

      Mi experiencia ha sido que la mayoría de los laboratorios utilizarán la especificación de masas para la identificación y LC para la cuantificación. Por ejemplo, supongamos que tengo una muestra que contiene dos proteínas. Usaré una especificación de masas para identificar las dos proteínas. Luego usaría esos datos para configurar mi LC para ver la conexión.

  • TheRegnirps dice:

    Metrología, no meteorología. ¿Por qué es una caricatura de un locutor / comediante del tiempo en televisión?

    • Guenthert dice:

      ¿Porque el personal quiere que le paguen?

    • astronave dice:

      Creo que se supone que es Bill Nye, el científico.

      • notarealemail dice:

        Eso es lo primero que pensé.
        Sin embargo, Bill Nye ya no es un científico. Un ex presentador de televisión que ahora se queja de la gasolina y el calentamiento global todo el día.

        • sotavento dice:

          Bill Nye siempre ha sido más un ingeniero que un científico …

  • TheRegnirps dice:

    HUESO. Dos artículos más para ti. Primero: no sé qué “La masa se define como la cantidad de materia que contiene un objeto”, pero la masa se define por la inercia. Cuando usa una escala, asume que una masa inercial es lo mismo que una masa gravitacional, pero nadie ha demostrado que eso sea cierto. En segundo lugar, los iones no son atraídos por el imán. Experimentan fuerza en ángulo recto con el campo magnético y con su trayectoria (la regla correcta para los vectores). El arco está en un plano perpendicular al campo magnético. Los iones no se acercan ni se alejan de los imanes. De hecho, el campo magnético no actúa sobre los iones. El vector de velocidad de los iones cambia de dirección pero no de magnitud. La fuerza es un producto transversal y el trabajo es una distancia fuerza-tiempo. El movimiento iónico es siempre perpendicular a la fuerza inmediata y, por lo tanto, la distancia fuerza-tiempo es cero.

    • Kirk McLoren dice:

      http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/atoms/faq/how-does-mass-spec-work.shtml

      bonita animación

    • dwinsemius dice:

      Estaba escrito, “Cuando usas una escala, asumes que una masa inercial es igual a una masa gravitacional, pero nadie ha demostrado que eso sea cierto”. Pero esa suposición es la suposición central de la Relatividad General de Einstein, que la convierte en tan “probado” como cualquier parte de la física.

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *