Atomová hmotnost: definice, jednotky a způsob výpočtu

Všechno, s čím denně komunikujete, je nakonec tvořeno atomy. Například 200 ml sklenice vody obsahuje asi 6,7 × 10²⁴ a protože počet atomů v každé molekule je tři, celkem jich je asi 2 × 10²⁵ atomy v té jediné sklenici. To je 20 milionů miliard miliard - číslo tak velké, že si to ani nedokážete představit - a to jen v poměrně malé sklenici vody. Pochopení těchto drobných složek hmoty je zásadním krokem k pochopení makroskopických vlastností, které známe každý den.

Jak ale můžete vypočítat něco jako počet atomů ve sklenici vody? Trik v tomto konkrétním případě spočíval v použitímolární hmotnostvody a známý počet atomů v molu jakékoli látky. Ale molární hmotnost zase závisí naatomová hmotnostní jednotka, což je naprosto zásadní pro pochopení pro každého studenta fyziky nebo chemie. Naštěstí se jedná o skutečně zjednodušení skutečné hmotnosti atomu jakékoli látky, které vám v podstatě řekne relativní hmotnost ve srovnání s jediným neutronem nebo protonem.

Atomy mají tři hlavní složky: protony, neutrony a elektrony. Protony a neutrony existují uvnitř jádra, což je kompaktní uspořádání hmoty, které sedí ve středu atomu, a elektrony existují jako „fuzzy mrak“ kolem vnějšku. Mezi jádrem a dokonce nejbližším elektronem je obrovské množství prostoru. Jádro má kladný náboj, protože protony jsou kladně nabité a neutrony neutrální, zatímco mrak elektronů nese záporný náboj, který jej vyvažuje z neutronu.

Jádro obsahuje většinu hmoty atomu, protože neutrony a protony jsou mnohem, mnohem těžší než elektrony. Ve skutečnosti jsou protony nebo neutrony asi 1 800krát větší než elektrony, o tolik větší než v v mnoha případech můžete bezpečně zanedbat hmotnost elektronu, když více uvažujete o atomové hmotnosti obvykle.

Periodická tabulka uvádí všechny prvky (tj. Typy atomů) nalezené v přírodě, počínaje nejjednodušším, kterým je atom vodíku. Theprotonové čísloatomu (daný symbolZ) vám řekne, kolik protonů má atom prvku v jádře, a je to horní číslo na příslušném bloku v periodické tabulce. Protože to nese kladný náboj a počet elektronů (což je základní informace, když jste) přemýšlení o atomové vazbě) se musí rovnat této hlavní celkové elektrické neutralitě, toto číslo skutečně charakterizuje živel.

Mohou existovat různéizotopystejného prvku, které však mají stejný počet protonů (a lze je tedy rozumně považovat za stejný prvek), ale odlišný počet neutronů. Ty mohou, ale nemusí být stabilní, což je samo o sobě zajímavé téma, ale je důležité si je uvědomit prozatím je to, že různé izotopy mají různé hmotnosti, ale stejné celkové vlastnosti ve většině ostatních způsoby.

Ačkoli atomy v jejich běžné formě jsou elektricky neutrální, některé atomy jsou náchylné k získání nebo ztrátě elektronů, což jim může dát čistý elektrický náboj. Atomy, které prošly jedním z těchto procesů, se nazývají ionty.

Atomová hmotnost je obecně definována v jednotkách atomové hmotnosti (amu). Oficiální definice je, že 1 amu je 1/12 hmotnosti atomu uhlíku-12. Uhlík-12 je zde standardní způsob, jak říci „izotop uhlíku se šesti protony a šesti neutrony, “takže si můžete nakonec představit, že atomová hmotnostní jednotka je hmotou buď protonu nebo neutron. Svým způsobem je číslo atomové hmotnosti počet protonů a neutronů v jádře, což znamená, že to není totéž jako atomové číslo,Z​.

Je důležité si uvědomit, že z důvodů vysvětlených v poslední části je hmotnost elektronů v atomu zanedbávána, když hovoříte o atomové hmotnosti ve většině situací. Další zajímavou poznámkou je, že hmotnost atomu je ve skutečnosti o něco menší než hmotnost všech složek dohromady, protože „vazebná energie“ je nutná k udržení jádra pohromadě. Jedná se však o další komplikaci, kterou ve většině situací nemusíte brát v úvahu.

Nižší číslo na bloku prvku v periodické tabulce je průměrná atomová hmotnost, která se také liší od hmotnosti vyjádřené v jednotkách atomové hmotnosti. Jedná se v podstatě o vážený průměr hmot různých izotopů prvku, což odpovídá jejich relativní hojnosti na Zemi. V jistém smyslu jde o nejpřesnější „celkovou“ míru hmotnosti prvku, ale v praxi bude atomová hmotnost jakéhokoli konkrétního izotopu celé číslo v jednotkách atomové hmotnosti. Na jednodušších periodických tabulkách je toto „číslo atomové hmotnosti“ (A) se používá místo průměrné atomové hmotnosti.

Themolekulová hmotnost(nebo, abychom použili méně přesný, ale také běžný termín „molekulová hmotnost“), je hmotnost molekuly látky v jednotkách atomové hmotnosti. Vypracování je opravdu jednoduché: Najdete chemický vzorec pro danou látku a poté sečtete atomové hmotnosti jednotlivých atomů. Například methan se skládá z jednoho atomu uhlíku a čtyř atomů vodíku, a tak má dohromady hmotnost těchto složek. Jeden atom uhlíku-12 má atomovou hmotnost 12 a každý atom vodíku má atomovou hmotnost 1, takže celková molekulová hmotnost molekuly metanu je 16 amu.

Molární hmotnost látky je hmotnost jednoho molu látky. Toto je založeno na Avogadrově čísle, které vám řekne počet atomů nebo molekul v jednom molu látky a definici molu. Krtek je množství látky, díky níž je její hmotnost v gramech stejná jako její číslo atomové hmotnosti. Například pro uhlík-12 má jeden mol hmotnost 12 g.

Číslo společnosti Avogadro je 6,022 × 10²³, a tak 12 g uhlíku-12 obsahuje tolik atomů a podobně 4 g helia také obsahuje tolik atomů. Je důležité si uvědomit, že pokud je dotyčnou látkou molekula (tj. Něco složeného z více než jednoho atomu), pak Avogadrovo číslo udává početmolekulyspíše než počet atomů.

To vám dá vše, co potřebujete vědět, abyste si v úvodu prošli příkladem, jako je sklenice vody. Sklenice obsahovala 200 ml, což odpovídá hmotnosti 200 g, a jednu molekulu vody (chemický vzorec H₂O) má dva atomy vodíku a jeden atom kyslíku, pro molekulovou hmotnost 18 amu a molární hmotnost 18 g. Chcete-li tedy zjistit počet atomů, jednoduše vydělte hmotu hmotou molu, abyste zjistili počet molů, a poté vynásobte Avogadrovo číslo, abyste zjistili počet molekul. Nakonec si všimněte, že každá molekula má tři atomy, vynásobíte třemi a zjistíte počet jednotlivých atomů.

Práce na dalších příkladech vám pomůže pochopit klíčové pojmy o atomové hmotnosti. Nejjednodušším příkladem je výpočet hmotnosti jednoduchého prvku, jako je uhlík-12. Tento proces je opravdu přímý, pokud uvažujete pouze o amu, ale můžete také snadno převést amu na kg, abyste získali standardizovanější měření hmotnosti uhlíku.

Měli byste být schopni vypočítat hmotnost atomu uhlíku v amu na základě toho, co jste se již dozvěděli z článku, a poznamenat, že v každém atomu je šest protonů a šest neutronů. Jaká je tedy hmotnost atomu uhlíku v amu? Samozřejmě, je to 12 amu. Přidáte šest protonů k šesti neutronům a najdete odpověď, protože oba typy částic mají hmotnost 1 amu.

Převod amu na kg je i od tohoto bodu docela jednoduchý: 1 amu = 1,66 × 10⁻²⁷ kg, tak

Tohle jeopravdumalá hmotnost (a proto se atomová hmotnost místo toho obvykle měří v amu), ale stojí za zmínku, že hmotnost elektronu je přibližně 9 × 10⁻³¹, takže je jasné, že ani přidání všech 12 elektronů k hmotnosti atomu uhlíku by nemělo významný rozdíl.

Molekulová hmotnost je trochu komplikovanější než jen spočítat hmotnost atomu, ale vše, co musíte udělat, je podívat se na chemický vzorec molekuly a spojit hmotnosti jednotlivých atomů najít celkový. Zkuste například vypočítat hmotnost benzenu, který má chemický vzorec: C₆H₆s tím, že jsou to atomy uhlíku-12 a je to běžný izotop vodíku spíše než deuteria nebo tritia.

Klíčem je všimnout si, že máte šest atomů uhlíku-12 a šest vodíku, takže hmotnost molekuly je:

Proces hledání molekulové hmotnosti se může u větších molekul trochu zkomplikovat, ale vždy následuje stejný proces.

Nalezení průměrné atomové hmotnosti prvku zahrnuje zvážení atomové hmotnostiarelativní početnost konkrétního izotopu na Zemi. Uhlík je toho dobrým příkladem, protože 98,9 procenta veškerého uhlíku na Zemi je uhlík-12, přičemž 1,1 procenta je uhlík-13 avelmimalé procento je uhlík-14, což lze bezpečně zanedbávat.

Proces, jak to vyřešit, je ve skutečnosti velmi přímočarý: Vynásobte podíl izotopu hmotností izotopu v amu a poté tyto dva sečtěte. Uhlík-12 je nejběžnějším izotopem uhlíku, takže byste očekávali, že výsledek bude velmi blízko 12 amu. Nezapomeňte před výpočtem převést procenta na desetinná místa (vydělit je 100) a dostanete správnou odpověď:

Tento výsledek je přesně to, co najdete v periodické tabulce, která uvádí spíše průměrnou atomovou hmotnost než hmotnost nejběžnějšího izotopu.