Massa atomica: definizione, unità e come calcolarla

Tutto ciò con cui interagisci quotidianamente è costituito in definitiva da atomi. Un bicchiere d'acqua da 200 ml, ad esempio, contiene circa 6,7 ​​× 10²⁴ molecole, e poiché il numero di atomi in ogni molecola è tre, in totale ci sono circa 2 × 10²⁵ atomi solo in quel bicchiere. Sono 20 milioni di miliardi di miliardi - un numero così grande che non puoi nemmeno immaginarlo davvero - e sono solo in un bicchiere d'acqua abbastanza piccolo. Comprendere questi minuscoli costituenti della materia è un passaggio cruciale per comprendere le proprietà macroscopiche con cui abbiamo familiarità giorno per giorno.

Ma come puoi calcolare qualcosa come il numero di atomi in un bicchiere d'acqua? Il trucco in questo caso specifico è stato usare ilmassa molaredi acqua e il numero noto di atomi in una mole di qualsiasi sostanza. Ma la massa molare, a sua volta, dipende dalunità di massa atomica, che è assolutamente fondamentale da capire per qualsiasi studente di fisica o chimica. Per fortuna, questa è davvero una semplificazione della massa effettiva di un atomo di qualsiasi sostanza, che essenzialmente ti dice la massa relativa rispetto a un singolo neutrone o protone.

Gli atomi hanno tre componenti principali: protoni, neutroni ed elettroni. I protoni e i neutroni esistono all'interno del nucleo, che è una disposizione compatta di materia che si trova al centro dell'atomo, e gli elettroni esistono come una "nube sfocata" attorno ad esso. C'è un'enorme quantità di spazio tra il nucleo e anche l'elettrone più vicino. Il nucleo ha una carica positiva, perché i protoni sono caricati positivamente ei neutroni sono neutri, mentre la nuvola di elettroni porta una carica negativa che bilancia quella del neutrone.

Il nucleo contiene la maggior parte della massa dell'atomo, perché i neutroni ei protoni sono molto, molto più pesanti degli elettroni. Infatti, sia i protoni che i neutroni sono circa 1.800 volte più grandi degli elettroni, tanto più grandi che in molti casi puoi tranquillamente trascurare la massa di un elettrone quando pensi di più alla massa atomica in genere.

La tavola periodica elenca tutti gli elementi (cioè i tipi di atomo) presenti in natura, a partire dal più semplice, che è l'atomo di idrogeno. Ilnumero atomicodi un atomo (dato il simboloZ) ti dice quanti protoni ha l'atomo per l'elemento nel suo nucleo, ed è il numero superiore sul relativo blocco nella tavola periodica. Perché questo porta la carica positiva e il numero di elettroni (che è un'informazione essenziale quando sei pensando al legame atomico) deve essere uguale a questo alla neutralità elettrica generale principale, questo numero caratterizza davvero il elemento.

Ci possono essere diversiisotopidello stesso elemento, tuttavia, che hanno lo stesso numero di protoni (e quindi possono essere ragionevolmente pensati come lo stesso elemento), ma un diverso numero di neutroni. Questi possono o non possono essere stabili, il che è un argomento interessante di per sé, ma la cosa importante da notare per ora è che isotopi diversi hanno masse diverse ma le stesse proprietà complessive nella maggior parte degli altri modi.

Sebbene gli atomi nella loro forma ordinaria siano elettricamente neutri, alcuni atomi sono inclini a guadagnare o perdere elettroni, il che può dare loro una carica elettrica netta. Gli atomi che hanno subito uno di questi processi sono chiamati ioni.

La massa atomica è generalmente definita in termini di unità di massa atomica (amu). La definizione ufficiale è che 1 amu è 1/12 della massa di un atomo di carbonio-12. Qui, il carbonio-12 è il modo standard per dire "l'isotopo del carbonio con sei protoni e sei neutroni", quindi puoi in definitiva pensare a un'unità di massa atomica come alla massa di un protone o un neutrone. Quindi, in un certo senso, il numero di massa atomica è il numero di protoni e neutroni nel nucleo, e questo significa che non è lo stesso del numero atomico,Z​.

È importante notare che, per i motivi spiegati nell'ultima sezione, la massa degli elettroni nell'atomo viene trascurata quando si parla di massa atomica nella maggior parte delle situazioni. Un'altra nota interessante è che la massa di un atomo è in realtà leggermente inferiore alla massa di tutti i componenti combinati, a causa dell'"energia di legame" necessaria per tenere insieme il nucleo. Tuttavia, questa è un'altra complicazione che non è necessario considerare nella maggior parte delle situazioni.

Il numero più basso sul blocco di un elemento sulla tavola periodica è la massa atomica media, che è anche diversa dalla massa espressa in unità di massa atomica. Questa è essenzialmente una media ponderata delle masse dei diversi isotopi di un elemento, che tiene conto della loro abbondanza relativa sulla Terra. Quindi in un certo senso questa è la misura "totale" più accurata della massa di un elemento, ma in pratica la massa atomica di un particolare isotopo sarà un numero intero in unità di massa atomica. Nelle tavole periodiche più semplici, questo "numero di massa atomica" (UN) viene utilizzato al posto della massa atomica media.

Ilmassa molecolare(o, per usare un termine meno accurato ma anche comune, “peso molecolare”) è la massa di una molecola di una sostanza in unità di massa atomica. Risolverlo è davvero semplice: trovi la formula chimica per la sostanza in questione e poi aggiungi le masse atomiche degli atomi costituenti. Ad esempio, il metano è composto da un atomo di carbonio e quattro atomi di idrogeno, quindi ha la massa di questi componenti combinati. Un atomo di carbonio-12 ha una massa atomica di 12 e ogni atomo di idrogeno ha una massa atomica di 1, quindi la massa molecolare totale di una molecola di metano è 16 amu.

La massa molare di una sostanza è la massa di una mole della sostanza. Questo si basa sul numero di Avogadro, che ti dice il numero di atomi o molecole in una mole di una sostanza, e la definizione di mole. Una mole è la quantità di una sostanza che rende la sua massa in grammi uguale al suo numero di massa atomica. Quindi per il carbonio-12, ad esempio, una mole ha una massa di 12 g.

Il numero di Avogadro è 6.022 × 10²³, e quindi 12 g di carbonio-12 contengono così tanti atomi, e allo stesso modo 4 g di elio contengono così tanti atomi. È importante ricordare che se la sostanza in questione è una molecola (cioè qualcosa composto da più di un atomo) allora il numero di Avogadro ti dice il numero dimolecolepiuttosto che il numero di atomi.

Questo ti dà tutto ciò che devi sapere per passare attraverso un esempio come quello del bicchiere d'acqua nell'introduzione. Il bicchiere conteneva 200 ml, che corrispondono a 200 g in termini di massa, e una molecola d'acqua (formula chimica H₂O) ha due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno, per una massa molecolare di 18 amu e una massa molare di 18 g. Quindi per trovare il numero di atomi, devi semplicemente dividere la massa per la massa di una mole per trovare il numero di moli, e poi moltiplicare per il numero di Avogadro per trovare il numero di molecole. Infine, notando che ogni molecola ha tre atomi, si moltiplica per tre per trovare il numero dei singoli atomi.

Lavorare su più esempi può aiutarti a comprendere i concetti chiave sulla massa atomica. L'esempio più semplice è calcolare la massa di un elemento semplice come il carbonio-12. Il processo è davvero semplice se stai pensando esclusivamente in termini di amu, ma puoi anche convertire amu in kg abbastanza facilmente per ottenere una misurazione più standardizzata della massa di carbonio.

Dovresti essere in grado di calcolare la massa di un atomo di carbonio in amu in base a ciò che hai già appreso dall'articolo e notando che ci sono sei protoni e sei neutroni in ciascun atomo. Quindi qual è la massa di un atomo di carbonio in amu? Certo, sono 12 amu. Aggiungi i sei protoni ai sei neutroni e trovi la risposta, poiché entrambi i tipi di particelle hanno una massa di 1 amu.

Convertire amu in kg è abbastanza semplice anche da questo punto: 1 amu = 1,66 × 10⁻²⁷ kg, quindi

Questo è unveramentemassa minuscola (ed è per questo che la massa atomica viene solitamente misurata in amu), ma vale la pena notare che la massa di un elettrone è di circa 9 × 10⁻³¹, quindi è chiaro che anche l'aggiunta di tutti e 12 gli elettroni alla massa dell'atomo di carbonio non avrebbe fatto una differenza notevole.

Il peso molecolare è un po' più complicato del semplice calcolo della massa di un atomo, ma tutto quello che devi fare fare è guardare la formula chimica della molecola e combinare le masse dei singoli atomi per trovare il totale. Ad esempio, prova a calcolare la massa del benzene, che ha la formula chimica: C₆H₆, notando che sono atomi di carbonio-12 ed è l'isotopo ordinario dell'idrogeno piuttosto che il deuterio o il trizio.

La chiave è notare che hai sei atomi di carbonio-12 e sei di idrogeno, quindi la massa della molecola è:

Il processo per trovare il peso molecolare può diventare un po' più complicato per molecole più grandi, ma segue sempre lo stesso processo.

Trovare la massa atomica media di un elemento implica considerare sia la massa atomicael'abbondanza relativa dell'isotopo specifico sulla Terra. Il carbonio è un buon esempio perché il 98,9 percento di tutto il carbonio sulla Terra è carbonio-12, con l'1,1 percento che è carbonio-13 e unmoltopiccola percentuale essendo il carbonio-14, che può essere tranquillamente trascurato.

Il processo per risolverlo è in realtà piuttosto semplice: moltiplicare la proporzione dell'isotopo per la massa dell'isotopo in amu e quindi sommare i due. Il carbonio-12 è l'isotopo più comune del carbonio, quindi ti aspetteresti che il risultato sia molto vicino a 12 amu. Ricorda di convertire le percentuali in decimali (dividile per 100) prima di calcolare e otterrai la risposta corretta:

Questo risultato è esattamente quello che troverai su una tavola periodica che elenca la massa atomica media piuttosto che la massa dell'isotopo più comune.