Atommasse: Definition, Einheiten und Berechnungsmethode

Alles, mit dem Sie täglich interagieren, besteht letztendlich aus Atomen. Ein 200-ml-Glas Wasser enthält beispielsweise etwa 6,7 ​​× 10²⁴ Moleküle, und da die Anzahl der Atome in jedem Molekül drei beträgt, gibt es insgesamt etwa 2 × 10²⁵ Atome in nur diesem einen Glas. Das sind 20 Millionen Milliarden Milliarden – eine Zahl, die so groß ist, dass man sie sich nicht einmal richtig vorstellen kann – und das nur in einem ziemlich kleinen Glas Wasser. Das Verständnis dieser winzigen Bestandteile der Materie ist ein entscheidender Schritt zum Verständnis der makroskopischen Eigenschaften, mit denen wir täglich vertraut sind.

Aber wie kann man überhaupt so etwas wie die Anzahl der Atome in einem Glas Wasser berechnen? Der Trick in diesem speziellen Fall bestand darin, dieMolmassevon Wasser und die bekannte Anzahl von Atomen in einem Mol einer Substanz. Aber die Molmasse hängt wiederum von deratomare Masseneinheit, die für jeden Physik- oder Chemiestudenten unbedingt zu verstehen ist. Zum Glück ist dies wirklich eine Vereinfachung der tatsächlichen Masse eines Atoms einer beliebigen Substanz, die Ihnen im Wesentlichen die relative Masse im Vergleich zu einem einzelnen Neutron oder Proton angibt.

Atome haben drei Hauptkomponenten: Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Protonen und Neutronen existieren innerhalb des Kerns, einer kompakten Anordnung von Materie, die sich im Zentrum des Atoms befindet, und die Elektronen existieren als „unscharfe Wolke“ um ihn herum. Zwischen dem Kern und sogar dem nächsten Elektron ist viel Platz. Der Kern hat eine positive Ladung, weil die Protonen positiv geladen und die Neutronen neutral sind, während die Elektronenwolke eine negative Ladung trägt, die die des Neutrons ausgleicht.

Der Kern enthält den Großteil der Masse des Atoms, denn die Neutronen und Protonen sind viel, viel schwerer als Elektronen. Tatsächlich sind entweder Protonen oder Neutronen etwa 1.800-mal größer als Elektronen, also viel größer als in In vielen Fällen kann man die Masse eines Elektrons getrost vernachlässigen, wenn man über die Atommasse nachdenkt mehr allgemein.

Das Periodensystem listet alle in der Natur vorkommenden Elemente (d. h. Atomarten) auf, beginnend mit dem einfachsten, dem Wasserstoffatom. DasOrdnungszahleines Atoms (angesichts des SymbolsZ) gibt an, wie viele Protonen das Atom des Elements in seinem Kern hat, und es ist die obere Zahl auf dem entsprechenden Block im Periodensystem. Denn dieser trägt die positive Ladung und die Anzahl der Elektronen (was eine wesentliche Information ist, wenn Sie wenn man über Atombindung nachdenkt) muss dieser der elektrischen Gesamtneutralität entsprechen, diese Zahl charakterisiert wirklich die Element.

Es kann unterschiedlich seinIsotopedes gleichen Elements, die jedoch die gleiche Anzahl von Protonen haben (und daher vernünftigerweise als dasselbe Element angesehen werden können), aber eine andere Anzahl von Neutronen. Diese können stabil sein oder nicht, was für sich genommen ein interessantes Thema ist, aber es ist wichtig zu beachten Im Moment haben verschiedene Isotope unterschiedliche Massen, aber die gleichen Gesamteigenschaften in den meisten anderen Wege.

Obwohl Atome in ihrer gewöhnlichen Form elektrisch neutral sind, neigen einige Atome dazu, Elektronen aufzunehmen oder zu verlieren, was ihnen eine elektrische Nettoladung verleihen kann. Atome, die einen dieser Prozesse durchlaufen haben, werden Ionen genannt.

Die Atommasse wird im Allgemeinen in atomaren Masseneinheiten (amu) definiert. Die offizielle Definition ist, dass 1 amu 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms ist. Hier ist Kohlenstoff-12 die Standardformel für „das Isotop des Kohlenstoffs mit sechs Protonen und sechs“. Neutronen“, so dass man sich eine atomare Masseneinheit letztendlich als die Masse eines Protons oder ein Neutron. In gewisser Weise ist die Atommassenzahl also die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern, und das bedeutet, dass sie nicht mit der Ordnungszahl identisch ist.Z​.

Es ist wichtig zu beachten, dass aus den im letzten Abschnitt erläuterten Gründen die Masse der Elektronen im Atom in den meisten Situationen vernachlässigt wird, wenn man von Atommasse spricht. Ein weiterer interessanter Hinweis ist, dass die Masse eines Atoms aufgrund der „Bindungsenergie“, die erforderlich ist, um den Kern zusammenzuhalten, tatsächlich etwas geringer ist als die Masse aller Komponenten zusammen. Dies ist jedoch eine weitere Komplikation, die Sie in den meisten Situationen nicht wirklich berücksichtigen müssen.

Die untere Zahl auf einem Elementblock im Periodensystem ist die durchschnittliche Atommasse, die sich auch von der Masse in atomaren Masseneinheiten unterscheidet. Dies ist im Wesentlichen ein gewichteter Durchschnitt der Massen verschiedener Isotope eines Elements, der ihre relative Häufigkeit auf der Erde erklärt. In gewisser Weise ist dies also das genaueste „Gesamt“-Maß für die Masse eines Elements, aber in der Praxis wird die Atommasse eines bestimmten Isotops eine ganze Zahl in atomaren Masseneinheiten sein. Auf einfacheren Periodensystemen ist diese „Atommassenzahl“ (EIN) wird anstelle der durchschnittlichen Atommasse verwendet.

Dasmolekulare Masse(oder, um einen weniger genauen, aber auch gebräuchlichen Begriff zu verwenden, „Molekulargewicht“) ist die Masse eines Moleküls einer Substanz in atomaren Masseneinheiten. Die Berechnung ist ganz einfach: Sie finden die chemische Formel für den betreffenden Stoff und addieren dann die Atommassen der einzelnen Atome. Methan zum Beispiel besteht aus einem Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen und hat somit die Masse dieser Komponenten zusammen. Ein Kohlenstoff-12-Atom hat eine Atommasse von 12 und jedes Wasserstoffatom hat eine Atommasse von 1, so dass die Gesamtmolekularmasse eines Methanmoleküls 16 amu beträgt.

Die Molmasse eines Stoffes ist die Masse eines Mols des Stoffes. Dies basiert auf der Avogadro-Zahl, die Ihnen die Anzahl der Atome oder Moleküle in einem Mol einer Substanz und die Definition eines Mols angibt. Ein Mol ist die Menge eines Stoffes, die seine Masse in Gramm gleich seiner Ordnungszahl macht. Für Kohlenstoff-12 zum Beispiel hat ein Mol eine Masse von 12 g.

Avogadros Zahl ist 6.022 × 10²³, und so enthalten 12 g Kohlenstoff-12 so viele Atome, und ebenso enthalten 4 g Helium auch so viele Atome. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass, wenn die fragliche Substanz ein Molekül ist (d. h. etwas aus mehr als einem Atom besteht), die Avogadro-Zahl die Anzahl der. angibtMolekülesondern die Anzahl der Atome.

Dies gibt Ihnen alles, was Sie wissen müssen, um ein Beispiel wie das des Glases Wasser in der Einleitung durchzugehen. Das Glas enthielt 200 ml, das entspricht 200 g Masse und ein Wassermolekül (chemische Formel H₂O) hat zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom bei einer Molmasse von 18 amu und einer Molmasse von 18 g. Um die Anzahl der Atome zu ermitteln, dividieren Sie einfach die Masse durch die Masse eines Mols, um die Anzahl der Mole zu ermitteln, und multiplizieren Sie dann mit der Avogadro-Zahl, um die Anzahl der Moleküle zu ermitteln. Beachten Sie schließlich, dass jedes Molekül drei Atome hat, und multiplizieren Sie mit drei, um die Anzahl der einzelnen Atome zu ermitteln.

Das Durcharbeiten weiterer Beispiele kann Ihnen helfen, die wichtigsten Konzepte zur Atommasse zu verstehen. Das einfachste Beispiel ist die Berechnung der Masse eines einfachen Elements wie Kohlenstoff-12. Der Prozess ist wirklich einfach, wenn Sie nur an Amu denken, aber Sie können Amu auch ziemlich einfach in kg umrechnen, um eine standardisiertere Messung der Kohlenstoffmasse zu erhalten.

Sie sollten in der Lage sein, die Masse eines Kohlenstoffatoms in amu zu berechnen, basierend auf dem, was Sie bereits aus dem Artikel gelernt haben, und beachten Sie, dass jedes Atom sechs Protonen und sechs Neutronen enthält. Was ist also die Masse eines Kohlenstoffatoms in amu? Natürlich sind es 12 Uhr morgens. Sie addieren die sechs Protonen zu den sechs Neutronen und finden die Antwort, da beide Teilchenarten eine Masse von 1 amu haben.

Die Umrechnung von amu in kg ist auch von diesem Punkt aus ziemlich einfach: 1 amu = 1,66 × 10⁻²⁷ kg, also

Das ist einJa wirklichwinzige Masse (und deshalb wird die Atommasse normalerweise in amu gemessen), aber es ist erwähnenswert, dass die Masse eines Elektrons etwa 9 × 10. beträgt⁻³¹, also ist klar, dass selbst die Addition aller 12 Elektronen zur Masse des Kohlenstoffatoms keinen nennenswerten Unterschied gemacht hätte.

Molekulargewicht ist etwas komplizierter, als nur die Masse eines Atoms zu berechnen, aber alles, was Sie tun müssen Schauen Sie sich die chemische Formel des Moleküls an und kombinieren Sie die Massen der einzelnen Atome, um die gesamt. Versuchen Sie beispielsweise, die Masse von Benzol zu berechnen, die die chemische Formel hat: C₆H₆, wobei sie darauf hinweisen, dass es sich um Kohlenstoff-12-Atome handelt und es sich eher um das gewöhnliche Isotop von Wasserstoff als um Deuterium oder Tritium handelt.

Der Schlüssel ist zu beachten, dass Sie sechs Kohlenstoff-12- und sechs Wasserstoffatome haben, also ist die Masse des Moleküls:

Die Bestimmung des Molekulargewichts kann bei größeren Molekülen etwas komplizierter werden, aber es folgt immer demselben Prozess.

Um die durchschnittliche Atommasse eines Elements zu ermitteln, müssen sowohl die Atommasse berücksichtigt werdenunddie relative Häufigkeit des spezifischen Isotops auf der Erde. Kohlenstoff ist dafür ein gutes Beispiel, denn 98,9 Prozent des gesamten Kohlenstoffs auf der Erde sind Kohlenstoff-12, 1,1 Prozent Kohlenstoff-13 und asehrkleiner Prozentsatz ist Kohlenstoff-14, der sicher vernachlässigt werden kann.

Der Prozess, dies zu berechnen, ist eigentlich ziemlich einfach: Multiplizieren Sie den Anteil des Isotops mit der Masse des Isotops in amu und addieren Sie die beiden dann zusammen. Kohlenstoff-12 ist das häufigste Kohlenstoffisotop, daher würde man erwarten, dass das Ergebnis sehr nahe bei 12 amu liegt. Denken Sie daran, die Prozentsätze vor der Berechnung in Dezimalzahlen umzuwandeln (durch 100 zu dividieren), und Sie erhalten die richtige Antwort:

Dieses Ergebnis ist genau das, was Sie in einem Periodensystem finden, das die durchschnittliche Atommasse und nicht die Masse des gängigsten Isotops auflistet.