Segala sesuatu yang berinteraksi dengan Anda setiap hari pada akhirnya terdiri dari atom. Segelas air 200 mL, misalnya, mengandung sekitar 6,7 × 1024 molekul, dan karena jumlah atom dalam setiap molekul adalah tiga, total ada sekitar 2 × 1025 atom hanya dalam satu gelas itu. Itu 20 juta miliar miliar – angka yang sangat besar sehingga Anda bahkan tidak dapat membayangkannya – dan itu hanya dalam segelas air yang cukup kecil. Memahami konstituen materi yang sangat kecil ini adalah langkah penting untuk memahami sifat makroskopik yang kita kenal sehari-hari.
Tapi bagaimana Anda bisa menghitung sesuatu seperti jumlah atom dalam segelas air? Trik dalam kasus khusus ini adalah menggunakanmasa molarair, dan jumlah atom yang diketahui dalam satu mol zat apa pun. Tetapi massa molar, pada gilirannya, bergantung padasatuan massa atom, yang sangat penting untuk dipahami oleh setiap siswa fisika atau kimia. Untungnya, ini benar-benar penyederhanaan massa sebenarnya dari atom zat apa pun, yang pada dasarnya memberi tahu Anda massa relatif dibandingkan dengan satu neutron atau proton.
Struktur atom
Atom memiliki tiga komponen utama: proton, neutron, dan elektron. Proton dan neutron ada di dalam nukleus, yang merupakan susunan padat materi yang berada di pusat atom, dan elektron ada sebagai "awan kabur" di sekitar bagian luarnya. Ada sejumlah besar ruang antara nukleus dan bahkan elektron terdekat. Nukleus memiliki muatan positif, karena proton bermuatan positif dan neutron bersifat netral, sedangkan awan elektron membawa muatan negatif yang menyeimbangkan muatan tersebut dari neutron.
Nukleus mengandung sebagian besar massa atom, karena neutron dan proton jauh lebih berat daripada elektron. Faktanya, baik proton atau neutron sekitar 1.800 kali lebih besar dari elektron, jauh lebih besar daripada di banyak kasus Anda dapat dengan aman mengabaikan massa elektron ketika Anda lebih memikirkan massa atom umumnya.
Nomor atom
Tabel periodik mencantumkan semua unsur (yaitu, jenis atom) yang ditemukan di alam, dimulai dengan yang paling sederhana, yaitu atom hidrogen. Itunomor atomatom (diberi simbolZ) memberi tahu Anda berapa banyak proton yang dimiliki atom untuk unsur tersebut dalam intinya, dan itu adalah nomor atas pada blok yang relevan dalam tabel periodik. Karena ini membawa muatan positif, dan jumlah elektron (yang merupakan informasi penting saat Anda berpikir tentang ikatan atom) harus sama dengan ini untuk netralitas listrik utama secara keseluruhan, angka ini benar-benar mencirikan elemen.
Bisa berbedaisotopdari unsur yang sama, bagaimanapun, yang memiliki jumlah proton yang sama (dan dengan demikian dapat dianggap sebagai unsur yang sama), tetapi jumlah neutron yang berbeda. Ini mungkin atau mungkin tidak stabil, yang merupakan topik yang menarik, tetapi hal yang penting untuk diperhatikan untuk saat ini adalah bahwa isotop yang berbeda memiliki massa yang berbeda tetapi sifat keseluruhan yang sama di sebagian besar lainnya cara.
Meskipun atom dalam bentuk biasa bersifat netral secara listrik, beberapa atom cenderung mendapatkan atau kehilangan elektron, yang dapat memberi mereka muatan listrik bersih. Atom yang telah mengalami salah satu proses ini disebut ion.
Massa atom
Massa atom umumnya didefinisikan dalam satuan massa atom (sma). Definisi resminya adalah bahwa 1 sma adalah 1/12 massa atom karbon-12. Di sini, karbon-12 adalah cara standar untuk mengatakan "isotop karbon dengan enam proton dan enam" neutron,” sehingga Anda akhirnya dapat menganggap satuan massa atom sebagai massa proton atau sebuah neutron. Jadi, di satu sisi, nomor massa atom adalah jumlah proton dan neutron dalam inti, dan ini berarti tidak sama dengan nomor atom,Z.
Penting untuk dicatat bahwa, untuk alasan yang dijelaskan di bagian terakhir, massa elektron dalam atom diabaikan ketika Anda berbicara tentang massa atom dalam kebanyakan situasi. Catatan menarik lainnya adalah bahwa massa atom sebenarnya sedikit lebih kecil daripada massa semua komponen yang digabungkan, karena "energi ikat" yang diperlukan untuk menyatukan inti. Namun, ini adalah komplikasi lain yang sebenarnya tidak perlu Anda pertimbangkan dalam kebanyakan situasi.
Angka yang lebih rendah pada blok unsur pada tabel periodik adalah massa atom rata-rata, yang juga berbeda dari massa yang dinyatakan dalam satuan massa atom. Ini pada dasarnya adalah rata-rata tertimbang dari massa isotop yang berbeda dari suatu unsur, menghitung kelimpahan relatif mereka di Bumi. Jadi dalam arti tertentu ini adalah ukuran "keseluruhan" paling akurat dari massa suatu unsur, tetapi dalam praktiknya massa atom dari setiap isotop tertentu akan menjadi bilangan bulat dalam satuan massa atom. Pada tabel periodik yang lebih sederhana, “nomor massa atom” ini (SEBUAH) digunakan sebagai pengganti massa atom rata-rata.
Massa molekul
Itumassa molekul(atau, untuk menggunakan istilah yang kurang akurat tetapi juga umum, "berat molekul") adalah massa molekul suatu zat dalam satuan massa atom. Menyelesaikan hal ini sangat sederhana: Anda menemukan rumus kimia untuk zat yang dimaksud, dan kemudian menjumlahkan massa atom dari atom penyusunnya. Misalnya, metana terdiri dari satu atom karbon dan empat atom hidrogen, sehingga memiliki massa gabungan dari komponen-komponen ini. Satu atom karbon-12 memiliki massa atom 12, dan setiap atom hidrogen memiliki massa atom 1, sehingga massa molekul total molekul metana adalah 16 sma.
Masa molar
Massa molar suatu zat adalah massa satu mol zat. Ini didasarkan pada bilangan Avogadro, yang memberi tahu Anda jumlah atom atau molekul dalam satu mol zat, dan definisi mol. Satu mol adalah jumlah suatu zat yang membuat massanya dalam gram sama dengan nomor massa atomnya. Jadi untuk karbon-12, misalnya, satu mol memiliki massa 12 g.
Bilangan Avogadro adalah 6,022 × 1023, dan 12 g karbon-12 mengandung atom sebanyak ini, dan juga, 4 g helium juga mengandung atom sebanyak ini. Penting untuk diingat bahwa jika zat yang dimaksud adalah molekul (yaitu, sesuatu yang terdiri dari lebih dari satu atom) maka bilangan Avogadro memberi tahu Anda jumlahmolekuldaripada jumlah atom.
Ini memberi Anda semua yang perlu Anda ketahui untuk membaca contoh seperti segelas air di pendahuluan. Gelas berisi 200 mL, yang sesuai dengan 200 g dalam hal massa, dan satu molekul air (rumus kimia H2O) memiliki dua atom hidrogen dan satu atom oksigen, untuk massa molekul 18 sma dan massa molar 18 g. Jadi untuk menemukan jumlah atom, Anda cukup membagi massa dengan massa mol untuk menemukan jumlah mol, dan kemudian dikalikan dengan bilangan Avogadro untuk menemukan jumlah molekul. Akhirnya, perhatikan bahwa setiap molekul memiliki tiga atom, Anda mengalikan dengan tiga untuk menemukan jumlah atom individu.
\begin{selaras} \text{Jumlah mol} &= \frac{200 \text{ g}}{18 \text{ g/mol}} \\ &= 11.111 \text{ mol} \\ \text{Jumlah molekul} &= 11,111 \teks{ mol} × 6,022 × 10^{23} \teks{ molekul/mol} \\ &= 6,7 × 10^{24} \teks{ molekul} \\ \text{Jumlah atom} &= 6,7 × 10^{24} \teks{ molekul} × 3 \teks{ atom/ molekul} \\ &= 2 × 10^{25} \teks{ atom} \end{selaras}
Contoh – Massa Karbon
Bekerja melalui lebih banyak contoh dapat membantu Anda memahami konsep-konsep kunci tentang massa atom. Contoh paling sederhana adalah menghitung massa elemen sederhana seperti karbon-12. Prosesnya sangat mudah jika Anda hanya memikirkan amu, tetapi Anda juga dapat mengonversi amu ke kg dengan cukup mudah untuk mendapatkan pengukuran massa karbon yang lebih standar.
Anda harus dapat menghitung massa atom karbon dalam amu berdasarkan apa yang telah Anda pelajari dari artikel, dan mencatat bahwa ada enam proton dan enam neutron di setiap atom. Jadi berapa massa atom karbon dalam amu? Tentu saja, ini jam 12 pagi. Anda menambahkan enam proton ke enam neutron dan menemukan jawabannya, karena kedua jenis partikel memiliki massa 1 sma.
Mengubah amu ke kg juga cukup sederhana dari titik ini: 1 amu = 1,66 × 10−27 kg, jadi
12\text{ amu} = 12\text{ amu}\times 1,66 \times 10^{−27}\text{ kg/amu} = 1,99 \times 10^{−26}\text{ kg}
Ini adalah sebuahBetulkahmassa kecil (dan itulah sebabnya massa atom biasanya diukur dalam sma), tetapi perlu dicatat bahwa massa elektron adalah sekitar 9 × 10−31, jadi jelas bahwa menambahkan 12 elektron ke massa atom karbon tidak akan membuat perbedaan yang mencolok.
Contoh – Berat Molekul
Berat molekul sedikit lebih rumit daripada hanya menghitung massa atom, tetapi yang harus Anda lakukan lakukan adalah melihat rumus kimia molekul dan menggabungkan massa atom individu untuk menemukan total. Misalnya, coba hitung massa benzena, yang memiliki rumus kimia: C6H6, mencatat bahwa mereka adalah atom karbon-12 dan itu adalah isotop hidrogen biasa daripada deuterium atau tritium.
Kuncinya adalah memperhatikan bahwa Anda memiliki enam atom karbon-12 dan enam hidrogen, sehingga massa molekulnya adalah:
\begin{aligned} \text{Masa molekul} &= (6 × 12 \text{ amu}) + (6 × 1 \text{ amu}) \\ &= 72 \text{ amu} + 6 \text{ amu } \\ &= 78 \text{ sama} \end{selaras}
Proses menemukan berat molekul bisa menjadi sedikit lebih rumit untuk molekul yang lebih besar, tetapi selalu mengikuti proses yang sama.
Contoh – Menghitung Massa Atom Rata-Rata
Menemukan massa atom rata-rata suatu unsur melibatkan mempertimbangkan baik massa atomdankelimpahan relatif dari isotop tertentu di Bumi. Karbon adalah contoh yang baik untuk ini karena 98,9 persen dari semua karbon di Bumi adalah karbon-12, dengan 1,1 persen adalah karbon-13 dansangatpersentase kecil menjadi karbon-14, yang dapat diabaikan dengan aman.
Proses untuk menyelesaikannya sebenarnya cukup mudah: Kalikan proporsi isotop dengan massa isotop dalam amu, lalu tambahkan keduanya. Karbon-12 adalah isotop karbon yang paling umum, jadi Anda akan mengharapkan hasilnya sangat dekat dengan 12 amu. Ingatlah untuk mengubah persentase menjadi desimal (bagi dengan 100) sebelum menghitung dan Anda akan mendapatkan jawaban yang benar:
(12 \text{ amu} × 0,989) + (13 \text{ amu}× 0,011) = 12,011 \text{ amu}
Hasil ini persis seperti yang akan Anda temukan pada tabel periodik yang mencantumkan massa atom rata-rata daripada massa isotop yang paling umum.
