АТОМНА МАСА: ВИЗНАЧЕННЯ, ВИДИ, ЯК ЇЇ ОБЧИСЛИТИ, ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Атомна маса являє собою кількість матеріалу , присутнього в атомі, які можуть бути виражені в звичайних фізичних одиницях або в одиницях атомної маси (UMA НУ). Атом порожній майже у всій його структурі; електрони, що розсіяні в областях, званих орбіталями, де є певна ймовірність їх знаходження та їх ядра.

У ядрі атома - протони та нейтрони; перший з позитивним зарядом, а другий з нейтральним зарядом. Ці дві субатомні частинки мають масу, набагато більшу, ніж маса електрона; тому маса атома регулюється його ядром, а не вакуумом, ані електронами.

Основні субатомні частинки і маса ядра. Джерело: Габріель Болівар.

Маса електрона приблизно 9,1 · 10 ^-31 кг, а протонної 1,67 · 10 ^-27 кг, масове відношення становить 1800; тобто протон «важить» в 1800 разів більше, ніж електрон. Аналогічно відбувається і з масами нейтрона та електрона. Ось чому масовий внесок електрона у звичайні цілі вважається незначним.

Через це зазвичай прийнято вважати, що маса атома, або атомна маса, залежить лише від маси ядра; що, у свою чергу, складається із суми речовини нейтронів та протонів. З цього міркування випливають дві концепції: масове число та атомна маса, обидві тісно пов'язані між собою.

Маючи стільки «порожнеч» в атомах, і оскільки їх маса майже повністю є функцією ядра, слід очікувати, що остання надзвичайно щільне.

Якщо ми видалимо цю порожнечу з будь-якого тіла або предмета, її розміри різко скоротяться. Крім того, якби ми могли побудувати невеликий об’єкт на основі атомних ядер (без електронів), то він мав би масу мільйонів тонн.

З іншого боку, атомні маси допомагають розрізнити різні атоми одного і того ж елемента; Це ізотопи. Оскільки існують більш рясні ізотопи, ніж інші, для даного елемента повинна бути оцінена середня маса атомів; середній показник, який може змінюватись від планети до планети або від одного космічного регіону до іншого.

Визначення та поняття

За визначенням, атомна маса - це сума мас її протонів і нейтронів, виражена ума або u. Отримане число (його також іноді називають масовим числом) розміщується безрозмірним у верхньому лівому куті в позначеннях, що використовуються для нуклідів. Наприклад, для елемента ¹⁵ X його атомна маса становить 15uma або 15u.

Атомна маса не може сказати багато про справжню ідентичність цього елемента X. Натомість використовується атомне число, яке відповідає протонам у ядрі X. Якщо це число дорівнює 7, то різниця ( 15-7) буде дорівнює 8; тобто X має 7 протонів і 8 нейтронів, сума яких дорівнює 15.

Повертаючись до зображення, ядро ​​має 5 нейтронів і 4 протони, тому його масове число дорівнює 9; а в свою чергу 9 аму - маса його атома. Маючи 4 протони та звертаючись до періодичної таблиці, видно, що це ядро ​​відповідає елементу берилію, Be (або ⁹ Be).

Одиниця атомної маси

Атоми занадто малі, щоб можна було вимірювати свої маси звичайними методами або звичайними вагами. Саме з цієї причини було винайдено uma, uo Da (кольоровий сліп). Ці одиниці, розроблені для атомів, дозволяють уявити, наскільки масивні атоми елемента відносно один одного.

Але що саме являє собою ума? Має бути посилання на встановлення масових відносин. Для цього в якості еталона був використаний атом ¹² С, який є найпоширенішим і стабільним ізотопом вуглецю. Отже, маючи 6 протонів (атомне число Z) та 6 нейтронів, його атомна маса становить 12.

Зроблено припущення, що протони та нейтрони мають однакові маси, так що кожен вносить 1 аму. Потім атомна одиниця маси визначається як одна дванадцята (1/12) маси атома вуглецю-12; це маса протона чи нейтрона.

Еквівалентність у грамах

І тепер виникає таке питання: скільки грам дорівнює 1 аму? Оскільки спочатку не було достатньо передових методик для його вимірювання, хімікам довелося погодитися виражати всі маси аму; однак це була перевагою, а не недоліком.

Чому? Оскільки субатомні частинки настільки малі, їх маса, виражена в грамах, повинна бути такою ж маленькою. Насправді 1 аму дорівнює 1,6605 · 10 ^-24 грам. Крім того, з використанням поняття моль не було проблемою працювати з масами елементів та їх ізотопів, знаючи, що такі одиниці можуть бути модифіковані до г / моль.

Наприклад, повертаючись до ¹⁵ X та ⁹ Be, ми маємо, що їх атомна маса становить 15 amu та 9 amu відповідно. Оскільки ці одиниці настільки малі і безпосередньо не говорять про те, скільки речовини треба «зважити», щоб ними маніпулювати, вони перетворюються на їх відповідну молярну масу: 15 г / моль і 9 г / моль (вводячи поняття молей і чисельність Авогадро).

Середня атомна маса

Не всі атоми одного і того ж елемента мають однакову масу. Це означає, що у них повинно бути більше субатомних частинок у ядрі. Будучи одним і тим же елементом, атомне число або кількість протонів повинні залишатися постійними; отже, існує лише різниця у кількості нейтронів, якими вони володіють.

Ось як це випливає з визначення ізотопів: атоми того ж елемента, але з різними атомними масами. Наприклад, берилій майже повністю складається з ізотопу ⁹ Be, з мікроелементами ¹⁰ Be. Однак цей приклад не дуже допомагає зрозуміти поняття середньої атомної маси; нам потрібен такий, що має більше ізотопів.

Приклад

Припустимо, що існує елемент ⁸⁸ J, який є основним ізотопом J з великою кількістю 60%. J також має два інших ізотопи: ⁸⁶ Дж, з великою кількістю 20%, і ⁹⁰ Дж, з великою кількістю також 20%. Це означає, що 100 атомів Дж, які ми збираємо на Землі, 60 з них - ⁸⁸ Дж, а решта 40 - суміш ⁸⁶ Дж і ⁹⁰ Дж.

Кожен з трьох ізотопів J має свою атомну масу; тобто їх сума нейтронів і протонів. Однак ці маси повинні бути усереднені, щоб мати атомну масу для J під рукою; тут, на Землі, як можуть бути інші регіони Всесвіту, де кількість ⁸⁶ Дж становить 56%, а не 60%.

Щоб обчислити середню атомну масу J, слід отримати середньозважену масу її ізотопів; тобто враховуючи відсоток достатку для кожного з них. Таким чином, ми маємо:

Середня маса (J) = (86 аму) (0,60) + (88 аму) (0,20) + (90 аму) (0,20)

= 87,2 аму

Тобто середня атомна маса (також відома як атомна маса) J становить 87,2 аму. Тим часом його молярна маса становить 87,2 г / моль. Зауважимо, що 87,2 ближче до 88, ніж до 86, а також до 90.

Абсолютна атомна маса

Абсолютна атомна маса - це атомна маса, виражена в грамах. Починаючи з прикладу гіпотетичного елемента J, ми можемо обчислити його абсолютну атомну масу (середню), знаючи, що кожен аму еквівалентний 1,6605 · 10 ^-24 грам:

Абсолютна атомна маса (J) = 87,2 аму * (1,6605 · 10 ^-24 г / аму)

= 1,444956 · 10 ^-22 г / Дж атом

Це означає, що в середньому атоми J мають абсолютну масу 1,444956 · 10 ^-22 г.

Відносна атомна маса

Відносна атомна маса чисельно ідентична середній атомній масі для даного елемента; Однак, на відміну від другого, першому бракує єдності. Тому він безрозмірний. Наприклад, середня атомна маса берилію становить 9,012182 u; при цьому його відносна атомна маса становить просто 9,012182.

Ось чому іноді ці поняття часто неправильно трактуються як синоніми, оскільки вони дуже схожі і відмінності між ними тонкі. Але чим ці маси відносно? Відносно однієї дванадцятої маси маси ¹² С.

Таким чином, елемент з відносною атомною масою 77 означає, що він має масу в 77 разів більше, ніж ^{1/12 12} ° С.

Ті, хто подивився на елементи періодичної таблиці, побачать, що їхні маси відносно виражені. Вони не мають одиниць аму, і їх інтерпретують як: залізо має атомну масу 55 846, це означає, що воно в 55 846 разів більше маси, ніж маса 1/12 частини ¹² С, і що воно також може бути виражене як 55 846 аму або 55,846 г / моль.

Як обчислити атомну масу

Математично наводився приклад, як обчислити його на прикладі елемента J. У загальних рисах ми повинні застосувати середньозважену формулу, яка була б:

P = Σ (ізотопна атомна маса) (величина в децималях)

Тобто, маючи атомні маси (нейтрони + протони) кожного ізотопу (як правило, природні) для даного елемента, а також їх відповідні наземні надлишки (або будь-який регіон, що розглядається), тоді зазначене середньозважене середнє значення можна обчислити.

А чому б не просто середнє арифметичне? Наприклад, середня атомна маса J становить 87,2 аму. Якщо ми обчислимо цю масу ще раз, але арифметично, у нас буде:

Середня маса (J) = (88 amu + 86 amu + 90 amu) / 3

= 88 аму

Зауважте, що між 88 і 87.2 є важлива різниця. Це тому, що середнє арифметичне передбачає, що достаток усіх ізотопів однаковий; Оскільки є три ізотопи J, кожен повинен мати кількість 100/3 (33,33%). Але насправді це не так: у нас набагато рясніші ізотопи, ніж у інших.

Ось чому обчислюється середньозважена, оскільки вона враховує, наскільки один ізотоп рясний відносно іншого.

Приклади

Вуглець

Для обчислення середньої атомної маси вуглецю потрібні його природні ізотопи з їх відповідним достатнім числом. Що стосується вуглецю, це: ¹² C (98,89%) і ¹³ C (1,11%). Їх відносні атомні маси відповідно становлять 12 і 13, що в свою чергу дорівнює 12 аму і 13 аму. Вирішення:

Середня атомна маса (C) = (12 amu) (0,9889) + (13 amu) (0,0111)

= 12,0111 аму

Тому маса атома вуглецю в середньому становить 12,01 аму. Оскільки мікроелементи є ¹⁴ С, це майже не впливає на цей середній показник.

Натрій

Усі наземні атоми натрію складаються з ²³ ізотопу Na, тому його достаток становить 100%. Ось чому в звичайних підрахунках його масу можна вважати просто 23 аму або 23 г / моль. Однак його точна маса - 22,98976928 аму.

Кисень

Три ізотопи кисню з відповідними їх достатками : ¹⁶ O (99,762%), ¹⁷ O (0,038%) і ¹⁸ O (0,2%). У нас є все, щоб обчислити його середню атомну масу:

Середня атомна маса (O) = (16 аму) (0,99762) + (17 аму) (0,00038) + (18 аму) (0,002)

= 16,00438 аму

Хоча його повідомляється точна маса насправді становить 15,9994 аму.

Азот

Повторюючи ті ж дії з киснем, ми маємо: ¹⁴ N (99,634%) і ¹⁵ N (0,366%). Так:

Середня атомна маса (N) = (14 amu) (0,99634) + (15 amu) (0,00366)

= 14,00366 аму

Зауважимо, що зареєстрована маса азоту становить 14,0067 амі, трохи вище, ніж ми підрахували.

Хлор

Ізотопи хлору з їх відповідними достатками становлять: ³⁵ Cl (75,77%) і ³⁷ Cl (24,23%). Обчислюючи його середню атомну масу, маємо:

Середня атомна маса (Cl) = (35 amu) (0.7577) + (37 amu) (0.2423)

= 35,4846 аму

Дуже схожий на повідомлений (35453 аму).

Диспрозіум

І нарешті, буде розрахована середня маса елемента з багатьма природними ізотопами: диспрозіум. Це та їх відповідне достаток: ¹⁵⁶ Dy (0,06%), ¹⁵⁸ Dy (0,10%), ¹⁶⁰ Dy (2,34%), ¹⁶¹ Dy (18,91%), ¹⁶² Dy (25,51 %), ¹⁶³ Dy (24,90%) та ¹⁶⁴ Dy (28,18%).

Ми поступаємо, як і в попередніх прикладах, щоб обчислити атомну масу цього металу:

Середня атомна маса (Dy) = (156 amu) (0,0006%) + (158 amu) (0,0010) + (160 amu) (0,0234) + (161 amu) (0,1891) + (162 amu) (0,2551) + (163 amu) (0,2490) + (164 amu) (0,2818)

= 162.5691 аму

Повідомлена маса становить 162 500 аму. Зауважимо, що це середнє значення становить від 162 до 163, оскільки ізотопи ¹⁵⁶ Dy, ¹⁵⁸ Dy та ¹⁶⁰ Dy мало рясні; тоді як переважають ¹⁶² Dy, ¹⁶³ Dy та ¹⁶⁴ Dy.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Вікіпедія. (2019). Атомна маса. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Крістофер Масі. (sf). Атомна маса. Відновлено з: wsc.mass.edu
4. Наталі Волховер. (12 вересня 2017 р.). Як ви зважуєте атом? Жива наука. Відновлено з сайту: lifecience.com
5. Хімія LibreTexts. (05 червня 2019 р.). Розрахунок атомних мас. Відновлено з: chem.libretexts.orgs
6. Едвард Вічерс та Х. Стеффен Пейзер. (15 грудня 2017 р.). Атомна вага. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com