Atomtömeg: meghatározás, mértékegységek és kiszámítás módja

Mindaz, amivel napi szinten kölcsönhatásba lép, végül atomokból áll. Például egy 200 ml-es pohár víz körülbelül 6,7 × 10-et tartalmaz²⁴ molekulák, és mivel az egyes molekulákban az atomok száma három, összesen körülbelül 2 × 10 van²⁵ atomok csak abban az egy pohárban. Ez 20 millió milliárd milliárd - olyan nagy szám, hogy nem is tudja elképzelni -, és ez csak egy meglehetősen kis pohár vízben van. Az anyag ezen apró alkotóelemeinek megértése döntő lépés a mindennapokban ismert makroszkopikus tulajdonságok megértésében.

De hogyan lehet még kiszámolni olyat, mint egy pohár vízben lévő atomok száma? A trükk ebben a konkrét esetben amoláris tömegvíz, és az ismert számú atom egy anyag móljában. De a moláris tömeg viszont aatomtömeg-egység, amelyet meg kell érteni minden fizika vagy kémia hallgató számára. Szerencsére ez valóban leegyszerűsíti bármely anyag atomjának tényleges tömegét, amely lényegében megmondja a relatív tömeget egyetlen neutronhoz vagy protonhoz képest.

Az atomoknak három fő alkotóeleme van: protonok, neutronok és elektronok. A protonok és a neutronok a mag belsejében léteznek, amely egy tömör anyagelrendezés, amely az atom közepén helyezkedik el, és az elektronok „homályos felhőként” léteznek a külső része körül. A mag és a legközelebbi elektron között hatalmas mennyiségű tér van. A magnak pozitív töltése van, mivel a protonok pozitív töltésűek és a neutronok semlegesek, míg az elektronfelhő negatív töltést hordoz, amely kiegyensúlyozza a neutronból.

A mag tartalmazza az atom tömegének nagy részét, mert a neutronok és protonok sokkal, de sokkal nehezebbek, mint az elektronok. Valójában akár a protonok, akár a neutronok körülbelül 1800-szor nagyobbak, mint az elektronok, annyival nagyobbak, mint a sok esetben nyugodtan elhanyagolhatja az elektron tömegét, ha jobban gondolkodik az atomi tömegen általában.

A periódusos rendszer felsorolja a természetben található összes elemet (azaz atomtípusokat), kezdve a legegyszerűbbel, amely a hidrogénatom. Aatomszámegy atom (megadva a szimbólumotZ) megmondja, hogy az elem atomjának hány protonja van a magjában, és ez a periódusos rendszer megfelelő blokkjának felső száma. Mert ez magában hordozza a pozitív töltést és az elektronok számát (ami elengedhetetlen információ, amikor te vagy atomkötésre gondolva) egyenlőnek kell lennie ezzel a fő elektromos semlegességgel, ez a szám valóban jellemzi a elem.

Különböző lehetizotópokugyanannak az elemnek, amelyek ugyanannyi protonnal rendelkeznek (és ezért ésszerűen felfoghatók ugyanannak az elemnek), de eltérő számú neutron van. Ezek lehetnek vagy nem stabilak, ami önmagában is érdekes téma, de a fontos dolog, amit meg kell jegyezni egyelőre az, hogy a különböző izotópok különböző tömegűek, de az összes többi tulajdonsággal azonosak módokon.

Bár a szokásos formájú atomok elektromosan semlegesek, egyes atomok hajlamosak elektronokat nyerni vagy veszteni, ami nettó elektromos töltést adhat nekik. Azokat a atomokat, amelyek ezen folyamatok egyikén estek keresztül, ionoknak nevezzük.

Az atomi tömeget általában atomi tömegegységekben (amu) határozzák meg. A hivatalos meghatározás szerint 1 amu a 12-es szénatom tömegének 1/12 része. Itt a szén-12 a szokásos módon azt mondani, hogy „a szén izotópja hat protonnal és hatmal rendelkezik neutronok ”, így végső soron egy atomtömeg-egységre gondolhat, amely akár egy proton, akár egy egy neutron. Tehát bizonyos értelemben az atomtömeg száma a protonok és a neutronok száma a magban, és ez azt jelenti, hogy nem azonos az atomszámmal,Z​.

Fontos megjegyezni, hogy az utolsó szakaszban kifejtett okok miatt az atomokban lévő elektronok tömegét elhanyagoljuk, amikor a legtöbb helyzetben atomtömegről beszélünk. Egy másik érdekes megjegyzés, hogy az atom tömege valójában valamivel kisebb, mint az összes összetevő együttes tömege, a mag összekapcsolásához szükséges „kötési energia” miatt. Ez azonban egy másik komplikáció, amelyet a legtöbb helyzetben nem igazán kell figyelembe vennie.

A periódusos rendszer egy blokkjának alsó száma az átlagos atomtömeg, amely szintén különbözik az atomtömeg-egységekben kifejezett tömegtől. Ez lényegében egy elem különböző izotópjainak tömegének súlyozott átlaga, figyelembe véve a relatív bőségüket a Földön. Tehát bizonyos értelemben ez az elem tömegének legpontosabb „átfogó” mértéke, de a gyakorlatban az adott izotóp atomtömege egész szám lesz atomtömeg-egységekben. Az egyszerűbb periódusos táblázatokon ez az „atomtömeg-szám” (A) az átlagos atomi tömeg helyett használjuk.

Amolekulatömeg(vagy kevésbé pontos, de szintén elterjedt kifejezés alkalmazásával a „molekulatömeg”) az anyag molekulájának tömege atomi tömegegységekben. Ennek kidolgozása nagyon egyszerű: Megtalálja a szóban forgó anyag kémiai képletét, majd összeadja az alkotó atomok atomtömegét. Például a metán egy szénatomból és négy hidrogénatomból áll, így ezeknek az összetevőknek a tömege együtt van. Egy szén-12 atom atomtömege 12, és minden hidrogénatomé 1, így a metánmolekula teljes molekulatömege 16 amu.

Az anyag moláris tömege az anyag egy móljának tömege. Ez az Avogadro számán alapul, amely megmondja az atomok vagy molekulák számát az anyag egy moljában, és a mol definícióját. A mól az az anyagmennyiség, amelynek tömege grammban megegyezik az atomtömegével. Tehát például a szén-12 esetében egy mól tömege 12 g.

Avogadro száma 6.022 × 10²³és így 12 g szén-12 tartalmaz ennyi atomot, és hasonlóképpen 4 g hélium is ennyi atomot tartalmaz. Fontos megjegyezni, hogy ha a szóban forgó anyag egy molekula (vagyis valami, amely több mint egy atomból áll), akkor Avogadro száma megmondja azmolekuláknem pedig az atomok száma.

Ez mindent megad neked, amit tudnod kell ahhoz, hogy átélj egy példát, mint például a bevezetőben szereplő pohár víz. Az üveg 200 ml-t tartalmazott, ami tömegében 200 g-nak felel meg, és egy vízmolekulát (H kémiai képlet)₂Az O) két hidrogénatomot és egy oxigénatomot tartalmaz, aminek a molekulatömege 18 amu és a móltömege 18 g. Tehát az atomok számának meghatározásához egyszerűen el kell osztani a tömeget egy mol tömegével, hogy megtalálja az anyajegyek számát, majd megszorozva Avogadro számával, hogy megtalálja a molekulák számát. Végül, megjegyezve, hogy minden molekulának három atomja van, hárommal szorozva megtalálja az egyes atomok számát.

További példák feldolgozása segíthet megérteni az atomtömeggel kapcsolatos kulcsfogalmakat. A legegyszerűbb példa egy olyan egyszerű elem tömegének kidolgozása, mint a szén-12. A folyamat valóban egyszerű, ha kizárólag az amu-ban gondolkodik, de az amu-t kg-ra is konvertálhatja, hogy a szén tömegének szabványosabban mérhető legyen.

Képesnek kell lennie arra, hogy kiszámolja a szénatom atomjait amu-ban annak alapján, amit már megtanult a cikkből, és megjegyezte, hogy mindegyik atomban hat proton és hat neutron található. Tehát mekkora a szénatom tömege amu-ban? Természetesen 12 amu van. Hozzáadod a hat protont a hat neutronhoz, és megtalálod a választ, mivel mindkét részecsketípus tömege 1 amu.

Az amu kg-ba konvertálása ettől a ponttól is nagyon egyszerű: 1 amu = 1,66 × 10⁻²⁷ kg, tehát

Ez egyigazánapró tömeg (és ezért az atomtömeget általában amu-ban mérik), de érdemes megjegyezni, hogy az elektron tömege körülbelül 9 × 10⁻³¹, tehát egyértelmű, hogy még mind a 12 elektron hozzáadása a szénatom tömegéhez sem eredményezett volna jelentős különbséget.

A molekulatömeg egy kicsit bonyolultabb, mint az atom tömegének kidolgozása, de csak annyit kell tennie meg kell nézni a molekula kémiai képletét, és az egyes atomok tömegét egyesítve megtalálni a teljes. Például próbálja kiszámolni a benzol tömegét, amelynek kémiai képlete: C₆H₆, megjegyezve, hogy szén-12 atomok, és ez inkább a hidrogén, mint a deutérium vagy a trícium izotópja.

A legfontosabb az, hogy észrevesszük, hogy hat szénatom-12 és hat hidrogénatom van, tehát a molekula tömege:

A molekulatömeg megállapításának folyamata kissé bonyolultabbá válhat nagyobb molekulák esetében, de mindig ugyanazt a folyamatot követi.

Az elem átlagos atomtömegének megállapítása magában foglalja mind az atomtömeg figyelembevételétésa specifikus izotóp relatív bősége a Földön. A szén erre jó példa, mert a Föld összes szénének 98,9 százaléka szén-12, 1,1 százaléka szén-13 ésnagyonkis százalékban szén-14, ami biztonságosan elhanyagolható.

Ennek kidolgozásának folyamata valójában meglehetősen egyszerű: Szorozza meg az izotóp arányát az izotóp amu tömegével, majd adja hozzá a kettőt. A szén-12 a szén legelterjedtebb izotópja, ezért azt várhatnánk, hogy az eredmény nagyon közel lesz a 12 amu-hoz. A számítás előtt ne feledje a százalékokat tizedessé konvertálni (ossza el 100-zal), és a helyes választ adja meg:

Ezt az eredményt pontosan meg fogja találni egy periódusos rendszer, amely az átlagos atomi tömeg helyett a leggyakoribb izotóp tömegét sorolja fel.