O composto SiCl4 é usado na produção de silício de alta pureza e sílica para aplicações comerciais. Considerando que, na natureza, o cloro é constituído de 75 % de ^35 Cl e 25 % de ^37 Cl e o silício é constituído de 92 % de ^28 Si, 5 % de ^29 Si e 3 % de ^30 Si, responda:
a) Quantos e quais picos m / e seriam observados no espectro de massa do íon molecular?
b) Qual é a massa atômica média do silício na natureza?

Passo 1

Beleza, o exercício manda a gente analisar o SiCl4 na espectrometria de massas e também calcular a massa atômica média do silício.
Conteúdo: isótopos, distribuição isotópica, massa molecular na espectrometria e média ponderada de massas.
O que vamos precisar:
  • Saber que cada átomo de Cl pode ser 35 ou 37 e que temos 4 cloros no composto.
  • Saber que o Si pode ser 28, 29 ou 30.
  • Montar todas as combinações de massas para o íon molecular e extrair os picos únicos.
  • Calcular média ponderada (massa atômica média) usando as abundâncias.

Passo 2

Teoria rápida de espectrometria isotópica:
  • O espectro de massa do íon molecular de SiCl4 mostra picos em valores de massa m/z que são simplesmente a soma das massas dos átomos que formam o íon (a razão carga/masa aqui é 1).
  • Como Cl tem dois isótopos, ^35Cl (35 u) e ^37Cl (37 u), e Si tem três isótopos, ^28Si, ^29Si e ^30Si, cada combinação dá uma massa diferente.
  • Para o cálculo da massa atômica média do Si, a gente usa a fórmula
Mmédia = sumi (fi times mi)é
onde fi é a fração natural e mi a massa de cada isótopo.

Passo 3

Vamos achar os possíveis m/z do íon molecular.
  1. Massas principais:
    m(^35Cl) = 35,
    m(^37Cl) = 37.
  2. No total de 4 cloros, se k for o número de cloros-37, os outros (4-k) são cloros-35.
  3. Massa dos 4 cloros = 35(4-k) + 37,k = 140 + 2k.
  4. A massa total do íon = massa do isótopo de Si + (140 + 2k).

Passo 4

Agora, para cada isótopo de Si (28, 29, 30) e para k=0,1,2,3,4, calculamos:
  • Se mSi=28: M=28 + (140 + 2k)=168 + 2k;;(k=0dots4) → 168, 170, 172, 174, 176
  • Se mSi=29: M=29 + (140 + 2k)=169 + 2k;;(k=0dots4) → 169, 171, 173, 175, 177
  • Se mSi=30: M=30 + (140 + 2k)=170 + 2k;;(k=0dots4) → 170, 172, 174, 176, 178
Percebe que alguns valores se repetem entre diferentes isótopos, então os picos únicos (sem repetições) são:
168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177 e 178.

Passo 5

Massa atômica média do silício:
Usamos as abundâncias: 92% de 28, 5% de 29, 3% de 30.
MSi = 0,92times28 + 0,05times29 + 0,03times30
Calculando:
0,92×28 = 25,76
0,05×29 = 1,45
0,03×30 = 0,90
Somando: 25,76 + 1,45 + 0,90 = 28,11 u

Resposta

a) Seriam observados 11 picos de m/z: 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177 e 178.
b) A massa atômica média do silício na natureza é 28,11 u.

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