Атомна маса: Определение, единици и как да се изчисли

Всичко, с което си взаимодействате ежедневно, в крайна сметка се състои от атоми. Например 200-милилитрова чаша вода съдържа около 6,7 × 10²⁴ и тъй като броят на атомите във всяка молекула е три, общо има около 2 × 10²⁵ атоми само в тази една чаша. Това са 20 милиона милиарда милиарда - число толкова голямо, че дори не можете да си го представите - и то само в доста малка чаша вода. Разбирането на тези малки съставни части на материята е решаваща стъпка към разбирането на макроскопичните свойства, с които сме запознати всеки ден.

Но как изобщо можете да изчислите нещо като броя на атомите в чаша вода? Номерът в този конкретен случай беше използването намоларна масавода и известния брой атоми в мол на всяко вещество. Но моларната маса от своя страна зависи отатомна единица маса, което е абсолютно важно да се разбере за всеки студент по физика или химия. За щастие, това наистина е опростяване на действителната маса на атом на което и да е вещество, което по същество ви казва относителната маса в сравнение с един неутрон или протон.

Атомите имат три основни компонента: протони, неутрони и електрони. Протоните и неутроните съществуват вътре в ядрото, което е компактно разположение на материята, което се намира в центъра на атома, а електроните съществуват като „размит облак“ около външната му част. Има огромно пространство между ядрото и дори най-близкия електрон. Ядрото има положителен заряд, тъй като протоните са положително заредени, а неутроните неутрални, докато облакът от електрони носи отрицателен заряд, който балансира този от неутрона.

Ядрото съдържа по-голямата част от масата на атома, тъй като неутроните и протоните са много, много по-тежки от електроните. Всъщност или протоните, или неутроните са около 1800 пъти по-големи от електроните, толкова по-големи, отколкото в в много случаи можете спокойно да пренебрегнете масата на електрон, когато мислите за атомна маса повече в общи линии.

Периодичната таблица изброява всички елементи (т.е. типове атоми), открити в природата, започвайки с най-простия, който е водородният атом. Theатомно числона атом (даден символътZ.) ви казва колко протони има атомът на елемента в ядрото си и това е горното число на съответния блок в периодичната таблица. Защото това носи положителния заряд и броя на електроните (което е важна информация, когато сте мислейки за атомна връзка) трябва да бъде равно на това на основната обща електрическа неутралност, това число наистина характеризира елемент.

Може да има различниизотопина един и същ елемент обаче, които имат един и същ брой протони (и така може разумно да се смята за един и същ елемент), но различен брой неутрони. Те могат или не могат да бъдат стабилни, което е интересна тема сама по себе си, но важното е да се отбележи засега е, че различните изотопи имат различни маси, но еднакви общи свойства в повечето други начини.

Въпреки че атомите в обичайната си форма са електрически неутрални, някои атоми са склонни да получават или губят електрони, което може да им даде нетен електрически заряд. Атомите, претърпели един от тези процеси, се наричат ​​йони.

Атомната маса обикновено се дефинира по отношение на атомни единици за маса (amu). Официалната дефиниция е, че 1 аму е 1/12 от масата на въглерод-12 атома. Тук въглерод-12 е стандартният начин да се каже „изотопът на въглерода с шест протона и шест неутрони ", така че в крайна сметка можете да мислите за атомна единица маса като маса на протон или неутрон. По някакъв начин атомното масово число е броят на протоните и неутроните в ядрото, а това означава, че не е същото като атомното число,Z.​.

Важно е да се отбележи, че поради причините, обяснени в последния раздел, масата на електроните в атома се пренебрегва, когато говорим за атомна маса в повечето ситуации. Друга интересна бележка е, че масата на атома всъщност е малко по-малка от масата на всички комбинирани компоненти, поради „енергията на свързване“, необходима за задържане на ядрото. Това обаче е още едно усложнение, което всъщност не е нужно да обмисляте в повечето ситуации.

Долното число на блока на елемент в периодичната таблица е средната атомна маса, която също се различава от масата, изразена в атомни единици маса. Това по същество е среднопретеглена маса на различните изотопи на даден елемент, отчитаща относителното им изобилие на Земята. Така че в известен смисъл това е най-точната „обща“ мярка за масата на даден елемент, но на практика атомната маса на всеки конкретен изотоп ще бъде цяло число в атомни единици маса. В по-опростените периодични таблици това „атомно масово число“ (A) се използва вместо средната атомна маса.

Theмолекулна маса(или, за да използваме по-малко точен, но също често срещан термин, „молекулно тегло“) е масата на молекула на веществото в атомни единици маса. Разработването на това е наистина просто: Намирате химическата формула на въпросното вещество и след това събирате атомните маси на съставните атоми. Например, метанът се състои от един въглероден атом и четири водородни атома и така той има масата на тези компоненти в комбинация. Един въглерод-12 атом има атомна маса 12, а всеки водороден атом има атомна маса 1, така че общата молекулна маса на молекулата на метана е 16 amu.

Моларната маса на веществото е масата на един мол от веществото. Това се основава на числото на Avogadro, което ви казва броя на атомите или молекулите в един мол на веществото и дефиницията на мол. Мол е количеството на веществото, което прави масата му в грамове еднаква с атомното му масово число. Така че за въглерод-12, например, един мол има маса 12 g.

Числото на Авогадро е 6.022 × 10²³и така 12 g въглерод-12 съдържат толкова много атоми, а също така 4 g хелий също съдържат толкова много атоми. Важно е да запомните, че ако въпросното вещество е молекула (т.е. нещо, съставено от повече от един атом), тогава числото на Авогадро ви казва броя намолекулиа не броя на атомите.

Това ви дава всичко, което трябва да знаете, за да преминете през пример като този за чашата вода във въведението. Стъклото съдържа 200 ml, което съответства на 200 g по отношение на масата, и една водна молекула (химична формула H₂O) има два водородни атома и един кислороден атом за молекулна маса 18 amu и моларна маса 18 g. Така че, за да намерите броя на атомите, просто разделяте масата на масата на мол, за да намерите броя на моловете, и след това умножавате по броя на Авогадро, за да намерите броя на молекулите. И накрая, отбелязвайки, че всяка молекула има три атома, умножавате по три, за да намерите броя на отделните атоми.

Работата по още примери може да ви помогне да разберете ключовите понятия за атомната маса. Най-простият пример е изчисляването на масата на прост елемент като въглерод-12. Процесът е наистина ясен, ако мислите единствено по отношение на аму, но можете също така да конвертирате аму в кг доста лесно, за да получите по-стандартизирано измерване на масата на въглерода.

Би трябвало да можете да изчислите масата на атом въглерод в amu въз основа на това, което вече сте научили от статията, и да отбележите, че във всеки атом има шест протона и шест неутрона. И така, каква е масата на въглеродния атом в amu? Разбира се, това е 12 amu. Добавяте шестте протона към шестте неутрона и намирате отговора, тъй като и двата вида частици имат маса 1 аму.

Преобразуването на amu в kg също е доста просто от тази точка: 1 amu = 1,66 × 10⁻²⁷ кг

Това енаистина лималка маса (и затова вместо това атомната маса обикновено се измерва в аму), но си струва да се отбележи, че масата на електрона е около 9 × 10⁻³¹, така че е ясно, че дори добавянето на всички 12 електрона към масата на въглеродния атом не би имало значителна разлика.

Молекулното тегло е малко по-сложно от простото изчисляване на масата на атома, но всичко, което трябва трябва да разгледате химическата формула на молекулата и да комбинирате масите на отделните атоми, за да намерите обща сума. Например, опитайте се да изчислите масата на бензола, който има химичната формула: C₆З.₆, отбелязвайки, че те са въглерод-12 атоми и това е обикновеният изотоп на водорода, а не на деутерий или тритий.

Ключът е да забележите, че имате шест атома въглерод-12 и шест водород, така че масата на молекулата е:

Процесът на намиране на молекулното тегло може да стане малко по-сложен за по-големите молекули, но винаги следва същия процес.

Намирането на средната атомна маса на даден елемент включва разглеждане както на атомната масаиотносителното изобилие на специфичния изотоп на Земята. Въглеродът е добър пример за това, защото 98,9% от целия въглерод на Земята е въглерод-12, като 1,1% е въглерод-13 имногомалък процент е въглерод-14, който може безопасно да се пренебрегне.

Процесът за това е всъщност доста ясен: умножете пропорцията на изотопа по масата на изотопа в аму и след това добавете двете заедно. Въглерод-12 е най-често срещаният изотоп на въглерода, така че бихте очаквали резултатът да бъде много близо до 12 amu. Не забравяйте да преобразувате процентите в десетични числа (разделете ги на 100), преди да изчислите и ще получите правилния отговор:

Този резултат е точно това, което ще намерите в периодичната таблица, която изброява средната атомна маса, а не масата на най-често срещания изотоп.