الكتلة الذرية: التعريف والوحدات وكيفية الحساب

كل شيء تتفاعل معه يوميًا يتكون في النهاية من ذرات. يحتوي كوب ماء سعة 200 مل ، على سبيل المثال ، على حوالي 6.7 × 10²⁴ جزيئات ، وبما أن عدد الذرات في كل جزيء هو ثلاثة ، في المجموع هناك حوالي 2 × 10²⁵ ذرات في كوب واحد فقط. هذا هو 20 مليون مليار مليار - وهو رقم كبير جدًا بحيث لا يمكنك حتى تخيله حقًا - وهذا فقط في كوب صغير من الماء. يعد فهم هذه المكونات الدقيقة للمادة خطوة حاسمة لفهم الخصائص العيانية التي نعرفها على أساس يومي.

ولكن كيف يمكنك حساب شيء مثل عدد الذرات في كوب من الماء؟ كانت الحيلة في هذه الحالة بالتحديد هي استخدام ملفالكتلة الموليةمن الماء والعدد المعروف للذرات في الخلد من أي مادة. لكن الكتلة المولية ، بدورها ، تعتمد علىوحدة كتلة ذرية، وهو أمر بالغ الأهمية لفهمه لأي طالب في الفيزياء أو الكيمياء لحسن الحظ ، هذا في الحقيقة تبسيط للكتلة الفعلية لذرة أي مادة ، والتي تخبرك أساسًا بالكتلة النسبية مقارنةً بنيوترون أو بروتون واحد.

تحتوي الذرات على ثلاثة مكونات رئيسية: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. توجد البروتونات والنيوترونات داخل النواة ، وهو ترتيب مضغوط للمادة التي تقع في مركز الذرة ، وتوجد الإلكترونات "كسحابة ضبابية" حول الجزء الخارجي منها. هناك مساحة كبيرة بين النواة وحتى أقرب إلكترون. النواة لها شحنة موجبة ، لأن البروتونات موجبة الشحنة والنيوترونات محايدة ، في حين أن سحابة الإلكترونات تحمل شحنة سالبة توازن تلك من النيوترونات.

تحتوي النواة على الجزء الأكبر من كتلة الذرة ، لأن النيوترونات والبروتونات أثقل بكثير من الإلكترونات. في الواقع ، يبلغ حجم البروتونات أو النيوترونات حوالي 1800 مرة أكبر من الإلكترونات ، وهو أكبر بكثير من حجم الإلكترونات في كثير من الحالات ، يمكنك إهمال كتلة الإلكترون بأمان عندما تفكر أكثر في الكتلة الذرية عموما.

يسرد الجدول الدوري جميع العناصر (أي أنواع الذرة) الموجودة في الطبيعة ، بدءًا من أبسطها ، وهي ذرة الهيدروجين. الالعدد الذريمن ذرة (بالنظر إلى الرمزض) يخبرك بعدد البروتونات الموجودة في نواة ذرة العنصر ، وهو الرقم الأعلى في الكتلة ذات الصلة في الجدول الدوري. لأن هذا يحمل الشحنة الموجبة وعدد الإلكترونات (وهي معلومة أساسية عندما تكون كذلك التفكير في الترابط الذري) يجب أن يكون مساويًا لهذا الحياد الكهربائي العام الرئيسي ، هذا الرقم يميز حقًا جزء.

يمكن أن يكون هناك اختلافالنظائرمن نفس العنصر ، ومع ذلك ، الذي يحتوي على نفس عدد البروتونات (وبالتالي يمكن اعتباره بشكل معقول نفس العنصر) ، ولكن عددًا مختلفًا من النيوترونات. قد تكون هذه مستقرة أو لا تكون ، وهو موضوع مثير للاهتمام بحد ذاته ، ولكن الشيء المهم الذي يجب ملاحظته في الوقت الحالي هو أن النظائر المختلفة لها كتل مختلفة ولكن لها نفس الخصائص الإجمالية في معظم النظائر الأخرى طرق.

على الرغم من أن الذرات في شكلها العادي محايدة كهربائياً ، فإن بعض الذرات عرضة لاكتساب أو فقدان الإلكترونات ، مما قد يمنحها صافي شحنة كهربائية. تسمى الذرات التي خضعت لإحدى هذه العمليات أيونات.

يتم تعريف الكتلة الذرية بشكل عام من حيث وحدات الكتلة الذرية (amu). التعريف الرسمي هو أن 1 amu هي 1/12 من كتلة ذرة كربون -12. هنا ، الكربون 12 هو الطريقة القياسية لقول "نظير الكربون بستة بروتونات وستة النيوترونات "، لذا يمكنك في النهاية التفكير في أن وحدة الكتلة الذرية هي كتلة البروتون أو نيوترون. إذن ، بطريقة ما ، رقم الكتلة الذرية هو عدد البروتونات والنيوترونات في النواة ، وهذا يعني أنه ليس هو نفسه العدد الذري ،ض​.

من المهم ملاحظة أنه ، للأسباب الموضحة في القسم الأخير ، يتم إهمال كتلة الإلكترونات في الذرة عندما تتحدث عن الكتلة الذرية في معظم المواقف. ملاحظة أخرى مثيرة للاهتمام هي أن كتلة الذرة هي في الواقع أقل بقليل من كتلة جميع المكونات مجتمعة ، بسبب "طاقة الربط" التي تتطلبها لتثبيت النواة معًا. ومع ذلك ، فهذه مشكلة أخرى لا تحتاج حقًا إلى مراعاتها في معظم المواقف.

العدد الأقل في كتلة العنصر في الجدول الدوري هو متوسط ​​الكتلة الذرية ، والذي يختلف أيضًا عن الكتلة المعبر عنها بوحدات الكتلة الذرية. هذا هو في الأساس متوسط ​​مرجح لكتل ​​النظائر المختلفة لعنصر ما ، وهو ما يفسر وفرتها النسبية على الأرض. إذن ، هذا هو القياس "الإجمالي" الأكثر دقة لكتلة عنصر ما ، ولكن من الناحية العملية ، فإن الكتلة الذرية لأي نظير معين ستكون عددًا صحيحًا بوحدات الكتلة الذرية. في جداول دورية أبسط ، هذا "رقم الكتلة الذرية" (أ) بدلاً من متوسط ​​الكتلة الذرية.

الالكتلة الجزيئية(أو لاستخدام مصطلح أقل دقة ولكنه شائع أيضًا ، "الوزن الجزيئي") هو كتلة جزيء مادة في وحدات الكتلة الذرية. هذا أمر بسيط حقًا: تجد الصيغة الكيميائية للمادة المعنية ، ثم تجمع الكتل الذرية للذرات المكونة. على سبيل المثال ، يتكون الميثان من ذرة كربون واحدة وأربع ذرات هيدروجين ، وبالتالي فإن كتلة هذه المكونات مجتمعة. تحتوي ذرة كربون -12 على كتلة ذرية تساوي 12 ، ولكل ذرة هيدروجين كتلة ذرية تساوي 1 ، لذا فإن الكتلة الجزيئية الإجمالية لجزيء الميثان هي 16 وحدة دولية.

الكتلة المولية للمادة هي كتلة مول واحد من المادة. يعتمد هذا على رقم أفوجادرو ، الذي يخبرك بعدد الذرات أو الجزيئات في مول واحد من المادة ، وتعريف الشامة. الخلد هو كمية المادة التي تجعل كتلتها بالجرام مساوية لعدد كتلتها الذرية. لذلك بالنسبة للكربون -12 ، على سبيل المثال ، كتلة المول الواحد 12 جم.

رقم أفوجادرو هو 6.022 × 10²³، وبالتالي فإن 12 جرامًا من الكربون -12 تحتوي على العديد من الذرات ، وبالمثل ، تحتوي 4 جرام من الهيليوم على هذا العدد الكبير من الذرات أيضًا. من المهم أن تتذكر أنه إذا كانت المادة المعنية عبارة عن جزيء (أي شيء يتكون من أكثر من ذرة) ، فإن رقم أفوجادرو يخبرك بعددالجزيئاتبدلا من عدد الذرات.

يمنحك هذا كل ما تحتاج إلى معرفته لتصفح مثال مثل كوب الماء في المقدمة. احتوى الزجاج على 200 مل ، وهو ما يعادل 200 جم من حيث الكتلة وجزيء ماء واحد (الصيغة الكيميائية H₂O) يحتوي على ذرتين من الهيدروجين وذرة أكسجين واحدة ، للكتلة الجزيئية 18 amu والكتلة المولية 18 جم. لإيجاد عدد الذرات ، يمكنك ببساطة قسمة الكتلة على كتلة الخلد لإيجاد عدد المولات ، ثم الضرب في عدد أفوجادرو لإيجاد عدد الجزيئات. أخيرًا ، مع ملاحظة أن كل جزيء يحتوي على ثلاث ذرات ، يمكنك الضرب في ثلاثة لإيجاد عدد الذرات الفردية.

يمكن أن يساعدك العمل من خلال المزيد من الأمثلة على فهم المفاهيم الأساسية حول الكتلة الذرية. أبسط مثال على ذلك هو حساب كتلة عنصر بسيط مثل الكربون 12. تكون العملية مباشرة حقًا إذا كنت تفكر فقط من حيث amu ، ولكن يمكنك أيضًا تحويل amu إلى kg بسهولة للحصول على قياس موحد أكثر لكتلة الكربون.

يجب أن تكون قادرًا على حساب كتلة ذرة الكربون في amu بناءً على ما تعلمته بالفعل من المقالة ، مع ملاحظة أن هناك ستة بروتونات وستة نيوترونات في كل ذرة. إذن ما هي كتلة ذرة الكربون في amu؟ بالطبع ، الساعة 12 صباحًا. تضيف البروتونات الستة إلى النيوترونات الستة وتجد الإجابة ، لأن كلا النوعين من الجسيمات لهما كتلة 1 amu.

تحويل amu إلى kg بسيط جدًا من هذه النقطة أيضًا: 1 ​​amu = 1.66 × 10⁻²⁷ كجم ، لذلك

هذا الحقاكتلة صغيرة (وهذا هو السبب في أن الكتلة الذرية تُقاس عادةً بوحدة amu بدلاً من ذلك) ، ولكن من الجدير بالذكر أن كتلة الإلكترون تبلغ حوالي 9 × 10⁻³¹، لذلك من الواضح أنه حتى إضافة كل الإلكترونات الـ 12 إلى كتلة ذرة الكربون لن تحدث فرقًا ملحوظًا.

الوزن الجزيئي أكثر تعقيدًا قليلاً من مجرد حساب كتلة الذرة ، ولكن كل ما عليك فعله هو do هو إلقاء نظرة على الصيغة الكيميائية للجزيء ودمج كتل الذرات الفردية لإيجاد مجموع. على سبيل المثال ، حاول حساب كتلة البنزين ، والتي لها الصيغة الكيميائية: C₆ح₆، مع ملاحظة أنها ذرات كربون -12 وهو النظير العادي للهيدروجين وليس الديوتيريوم أو التريتيوم.

المفتاح هو ملاحظة أن لديك ست ذرات من الكربون -12 وست ذرات من الهيدروجين ، وبالتالي فإن كتلة الجزيء هي:

يمكن أن تصبح عملية العثور على الوزن الجزيئي أكثر تعقيدًا قليلاً بالنسبة للجزيئات الأكبر ، ولكنها دائمًا ما تتبع نفس العملية.

يتطلب إيجاد متوسط ​​الكتلة الذرية لعنصر النظر إلى كل من الكتلة الذريةوالوفرة النسبية للنظير المحدد على الأرض. يعتبر الكربون مثالًا جيدًا على ذلك لأن 98.9٪ من كل الكربون الموجود على الأرض عبارة عن كربون -12 ، و 1.1٪ كربون -13 و aجدانسبة صغيرة من الكربون 14 ، والتي يمكن إهمالها بأمان.

إن عملية إيجاد ذلك واضحة جدًا: اضرب نسبة النظير في كتلة النظير في amu ، ثم اجمع الاثنين معًا. الكربون -12 هو النظير الأكثر شيوعًا للكربون ، لذلك تتوقع أن تكون النتيجة قريبة جدًا من 12 amu. تذكر تحويل النسب المئوية إلى كسور عشرية (اقسمها على 100) قبل الحساب وستخرج بالإجابة الصحيحة:

هذه النتيجة هي بالضبط ما ستجده في جدول دوري يسرد متوسط ​​الكتلة الذرية بدلاً من كتلة النظير الأكثر شيوعًا.