Една от често срещаните задачи, които ще трябва да изпълните като начинаещ учен, който е в състояние да работи с данни, е разбирането на концепцията за средно ниво. Често ще срещнете извадка от подобни обекти, които се различават според една-единствена характеристика, която изучавате, например маса.
Може дори да се наложи да изчислите средната маса на група обекти, които не можете да претеглите директно, като атоми.
Повечето от 92-те атома, които се срещат в природата, идват в две или повече малко различни форми, наречени изотопи. Изотопите на един и същ елемент се различават един от друг само по броя на неутроните, съдържащи се в техните ядра.
Може да бъде полезно да се приложат всички тези принципи заедно, за да се получи средната маса на селекция от атоми, извлечени от известен пул от различни изотопи.
Какво представляват атомите?
Атомите са най-малката отделна единица на елемент, състояща се от всички свойства на този елемент. Атомите се състоят от ядро, съдържащо протони и неутрони, което е в орбита от почти безмасови електрони.
Протоните и неутроните тежат приблизително еднакво помежду си. Всеки протон съдържа положителен електрически заряд, равен по големина и противоположен по знак на електрона (отрицателен), докато неутроните нямат нетен заряд.
Атомите се характеризират предимно с атомния си номер, който е просто броят на протоните в атома. Добавянето или изваждането на електрони създава зареден атом, наречен йон, докато промяната на броя на неутроните създава въпросния изотоп на атома и по този начин елемент.
Изотопи и масово число
Масовото число на атома е броят на протоните плюс неутроните, които има. Хромът (Cr) например има 24 протона (като по този начин определя елемента като хром) и в най-стабилната си форма - тоест изотопът, който се появява най-често в природата - има 28 неутрона. По този начин масовото му число е 52.
Изотопите на даден елемент се определят от масовия им брой, когато са изписани. По този начин изотопът на въглерода с 6 протона и 6 неутрона е въглерод-12, докато по-тежкият изотоп с един допълнителен неутрон е въглерод-13.
Повечето елементи се срещат като смес от изотопи, като единият значително преобладава над останалите по отношение на „популярност“. Например 99,76% от естествено срещащия се кислород е кислород-16. Някои елементи обаче, като хлор и мед, показват по-широко разпределение на изотопите.
Формула за средна маса
Математическата средна стойност е просто сумата от всички отделни резултати в извадка, разделена на общия брой елементи в извадката. Например, в клас с петима ученици, които са постигнали резултати от викторини 3, 4, 5, 2 и 5, средната стойност на класа в теста ще бъде
\ frac {3 + 4 + 5 + 2 + 5} {5} = 3.8
Уравнението на средната маса може да бъде написано по много начини и в някои случаи ще трябва да знаете характеристики, свързани със средната стойност, като стандартно отклонение. Засега просто се съсредоточете върху основната дефиниция.
Средно претеглена и изотопи
Познаването на относителната част от всеки изотоп на определен елемент, който се среща в природата, ви позволява да изчислитеатомна масана този елемент, който, тъй като е средна стойност, не е масата на който и да е атом, а число, което е между най-тежкия и най-лекия изотоп.
Ако всички изотопи присъстваха в едно и също количество, можете просто да съберете масата на всеки вид изотоп и да разделите на броя на различните видове изотопи (обикновено два или три).
Средната атомна маса, дадена в атомни единици за маса (amu), винаги е подобна на масовото число, но не е цяло число.
Средна атомна маса: Пример
Хлорът-35 има атомна маса от 34,969 аму и представлява 75,77% от хлора на Земята.
Хлорът-37 има атомна маса от 36,966 amu и процентно изобилие от 24,23%.
За да изчислите средната атомна маса на хлора, използвайте информацията в периодичната таблица на елемента (вж. Ресурси), за да намерите (претеглената) средна стойност, но променяйки процентите до десетични:
(34,969 \ пъти 0,7577) + (36,966 \ пъти 0,2423) = 35,45 \ text {amu}