Atomimassa: Määritelmä, yksiköt ja kuinka laskea

Kaikki, jonka kanssa olet vuorovaikutuksessa päivittäin, koostuu viime kädessä atomista. Esimerkiksi 200 ml: n lasillinen vettä sisältää noin 6,7 × 10²⁴ molekyylejä, ja koska atomien lukumäärä kussakin molekyylissä on kolme, niitä on yhteensä noin 2 × 10²⁵ atomeja vain siinä yhdessä lasissa. Se on 20 miljoonaa miljardia miljardia - niin suuri määrä, ettet edes voi kuvitella sitä - ja se on vain melko pienessä vesilasissa. Näiden pienien aineosien ymmärtäminen on tärkeä askel tuntemaan päivittäin tuntemamme makroskooppiset ominaisuudet.

Mutta kuinka voit edes laskea jotain atomien lukumäärästä lasillisessa vettä? Temppu tässä erityistapauksessa olimoolimassavettä ja tunnettu atomien määrä minkä tahansa aineen moolissa. Mutta moolimassa puolestaan ​​riippuuatomimassayksikkö, mikä on ehdottoman tärkeää ymmärtää kaikille fysiikan tai kemian opiskelijoille. Onneksi tämä on todella yksinkertaistaminen minkä tahansa aineen atomin todellisesta massasta, joka olennaisesti kertoo sinulle suhteellisen massan verrattuna yksittäiseen neutroniin tai protoniin.

Atomeilla on kolme pääkomponenttia: protonit, neutronit ja elektronit. Protonit ja neutronit ovat ytimen sisällä, joka on kompakti ainejärjestely, joka istuu atomin keskellä, ja elektronit ovat olemassa "sumeana pilvenä" sen ulkopuolella. Ytimen ja jopa lähimmän elektronin välillä on valtava määrä tilaa. Ytimellä on positiivinen varaus, koska protonit ovat positiivisesti varautuneita ja neutronit ovat neutraaleja, kun taas elektronipilvessä on negatiivinen varaus, joka tasapainottaa sen neutronista.

Ydin sisältää suurimman osan atomin massasta, koska neutronit ja protonit ovat paljon, paljon raskaampia kuin elektronit. Itse asiassa joko protonit tai neutronit ovat noin 1800 kertaa isompia kuin elektronit, niin paljon suuremmat kuin sisään monissa tapauksissa voit turvallisesti unohtaa elektronin massan, kun ajattelet atomimassaa enemmän yleisesti.

Jaksollisessa taulukossa luetellaan kaikki luonnossa esiintyvät elementit (ts. Atomityypit) alkaen yksinkertaisimmasta, joka on vetyatomi.atomilukuatomin (annettu symboliZ) kertoo kuinka monta protonia atomin atomilla on ytimessään, ja se on jaksollisen taulukon vastaavan lohkon ylin luku. Koska tämä sisältää positiivisen varauksen ja elektronien määrän (mikä on olennainen osa tietoa, kun olet ajatellen atomisidoksesta) on oltava yhtä suuri kuin pääsähköinen neutraali, tämä luku todella kuvaa elementti.

Niitä voi olla erilaisiaisotoopitsaman alkuaineen, joilla on sama määrä protoneja (ja voidaan siten kohtuudella ajatella samaksi elementiksi), mutta eri määrä neutroneja. Nämä voivat olla tai olla epävakaita, mikä on itsessään mielenkiintoinen aihe, mutta tärkeä asia on huomata toistaiseksi on, että eri isotoopeilla on eri massa, mutta samat yleiset ominaisuudet useimmissa muissa tavoilla.

Vaikka atomit tavallisessa muodossaan ovat sähköisesti neutraaleja, jotkut atomit ovat alttiita saamaan tai menettämään elektroneja, mikä voi antaa heille nettosähkövarauksen. Atomeja, joille on tehty jokin näistä prosesseista, kutsutaan ioneiksi.

Atomimassa määritellään yleensä atomimassayksikköinä (amu). Virallinen määritelmä on, että 1 amu on 1/12 hiili-12-atomin massasta. Tässä hiili-12 on tavanomainen tapa sanoa "hiilen isotooppi, jossa on kuusi protonia ja kuusi neutronit ", joten voit viime kädessä ajatella atomimassayksikköä olevan joko protonin tai neutroni. Joten atomimassaluku on tavallaan protonien ja neutronien lukumäärä ytimessä, mikä tarkoittaa, että se ei ole sama kuin atomiluku,Z​.

On tärkeää huomata, että viimeisessä osassa selitetyistä syistä atomien elektronien massa jätetään huomiotta, kun puhutaan atomimassasta useimmissa tilanteissa. Toinen mielenkiintoinen huomautus on, että atomin massa on itse asiassa hieman pienempi kuin kaikkien komponenttien massa yhdessä, johtuen "sitovasta energiasta", joka tarvitaan ytimen pitämiseen yhdessä. Tämä on kuitenkin toinen komplikaatio, jota sinun ei tarvitse ottaa huomioon useimmissa tilanteissa.

Jaksollisen elementin lohkon alin luku on keskimääräinen atomimassa, joka eroaa myös atomimassayksikköinä ilmaistusta massasta. Tämä on lähinnä painotettu keskiarvo elementin erilaisten isotooppien massoista, mikä vastaa niiden suhteellista runsautta maapallolla. Joten tämä on tietyssä mielessä tarkin elementin massan "kokonaismitta", mutta käytännössä minkä tahansa tietyn isotoopin atomimassa on kokonaisluku atomimassayksikköinä. Yksinkertaisemmissa jaksollisissa taulukoissa tämä “atomimassa- numero” (A) käytetään keskimääräisen atomimassan sijasta.

molekyylimassa(tai vähemmän tarkkaa mutta myös yleistä termiä käytettäessä "molekyylipaino") on aineen molekyylin massa atomimassayksikköinä. Tämän tekeminen on todella yksinkertaista: Löydät kyseisen aineen kemiallisen kaavan ja lisäät sitten yhteen muodostavien atomien atomimassat. Esimerkiksi metaani koostuu yhdestä hiiliatomista ja neljästä vetyatomista, joten näiden komponenttien massa on yhdistetty. Yhden hiili-12-atomin atomimassa on 12 ja jokaisen vetyatomin atomimassa on 1, joten metaanimolekyylin kokonaismolekyylipaino on 16 amu.

Aineen moolimassa on aineen yhden moolin massa. Tämä perustuu Avogadron lukuun, joka kertoo atomien tai molekyylien määrän yhdessä aineen moolissa ja moolin määritelmän. Mooli on aineen määrä, jonka massan grammoina on sama kuin sen atomimassa. Joten esimerkiksi hiili-12: n osalta yhden moolin massa on 12 g.

Avogadron numero on 6.022 × 10²³, ja niin 12 g hiili-12 sisältää niin monta atomia, ja samoin 4 g heliumia sisältää niin monta atomia. On tärkeää muistaa, että jos kyseinen aine on molekyyli (eli jotain, joka koostuu useammasta kuin yhdestä atomista), Avogadron numero kertoo sinullemolekyylejäpikemminkin kuin atomien lukumäärä.

Tämä antaa sinulle kaiken, mitä sinun on tiedettävä, jotta voit käydä läpi esimerkin vesilasin johdannossa. Lasi sisälsi 200 ml, mikä vastaa 200 g massaltaan, ja yhtä vesimolekyyliä (kemiallinen kaava H₂O): lla on kaksi vetyatomia ja yksi happiatomi molekyylimassaan 18 amu ja moolimassaan 18 g. Joten atomien lukumäärän löytämiseksi sinun on yksinkertaisesti jaettava mooli moolin moolilla moolien määrän löytämiseksi ja kerrottamalla sitten Avogadron lukumäärällä molekyylien lukumäärä. Lopuksi huomaten, että jokaisella molekyylillä on kolme atomia, kerrot kolmella löytääksesi yksittäisten atomien lukumäärän.

Muiden esimerkkien tutkiminen voi auttaa sinua ymmärtämään atomimassan keskeisiä käsitteitä. Yksinkertaisin esimerkki on yksinkertaisen alkuaineen, kuten hiili-12, massan määrittäminen. Prosessi on todella suoraviivainen, jos ajattelet pelkästään amu, mutta voit myös muuntaa amun kilogrammoiksi melko helposti saadaksesi standardisemman hiilimassan mittauksen.

Sinun pitäisi pystyä laskemaan hiiliatomin massa amuissa sen perusteella, mitä olet jo oppinut artikkelista, ja huomioiden, että kummassakin atomissa on kuusi protonia ja kuusi neutronia. Joten mikä on hiiliatomin massa amuissa? Tietenkin se on 12 amu. Lisät kuusi protonia kuuteen neutroniin ja löydät vastauksen, koska molempien hiukkastyyppien massa on 1 amu.

Amun muuntaminen kg: ksi on melko yksinkertaista myös tästä kohdasta: 1 amu = 1,66 × 10⁻²⁷ kg, niin

Tämä onTodellapieni massa (ja siksi atomimassa mitataan yleensä amuina), mutta on syytä huomata, että elektronin massa on noin 9 × 10⁻³¹, joten on selvää, että edes lisäämällä kaikki 12 elektronia hiiliatomiin ei olisi ollut merkittävää eroa.

Molekyylipaino on hieman monimutkaisempi kuin vain atomin massan selvittäminen, mutta kaikki mitä sinun tarvitsee do on tarkastella molekyylin kemiallista kaavaa ja yhdistää yksittäisten atomien massat löytääksesi kaikki yhteensä. Yritä esimerkiksi laskea bentseenin massa, jolla on kemiallinen kaava: C₆H₆, huomaten, että ne ovat hiili-12-atomia ja se on tavallinen vedyn isotooppi pikemminkin kuin deuterium tai tritium.

Tärkeintä on huomata, että sinulla on kuusi hiili-12-atomia ja kuusi vetyä, joten molekyylin massa on:

Molekyylipainon löytäminen voi muuttua hieman monimutkaisemmaksi suuremmille molekyyleille, mutta se seuraa aina samaa prosessia.

Elementin keskimääräisen atomimassan löytäminen edellyttää sekä atomimassan huomioon ottamistajaspesifisen isotoopin suhteellinen runsaus maapallolla. Hiili on hyvä esimerkki tästä, koska 98,9 prosenttia kaikesta maapallon hiilestä on hiili-12, 1,1 prosenttia on hiili-13 jaerittäinpieni prosenttiosuus on hiili-14, joka voidaan turvallisesti unohtaa.

Prosessi tämän selvittämiseksi on oikeastaan ​​aika suoraviivaista: Kerro isotoopin osuus amyylin isotoopin massalla ja lisää sitten nämä kaksi yhteen. Hiili-12 on yleisin hiilen isotooppi, joten voit odottaa tuloksen olevan hyvin lähellä 12 amu. Muista muuntaa prosentit desimaaleiksi (jaa ne 100: lla) ennen laskemista ja saat oikean vastauksen:

Tämä tulos on täsmälleen sama kuin jaksollisessa taulukossa, jossa luetellaan keskimääräinen atomimassa eikä yleisimmän isotoopin massa.