מסה אטומית: הגדרה, יחידות וכיצד לחשב

כל מה שאתה מתקשר איתו על בסיס יומי מורכב בסופו של דבר מאטומים. כוס מים של 200 מ"ל, למשל, מכילה כ -6.7 × 10²⁴ מולקולות, ומכיוון שמספר האטומים בכל מולקולה הוא שלושה, בסך הכל ישנם כ -2 × 10²⁵ אטומים בכוס אחת בלבד. זה 20 מיליון מיליארד מיליארד - מספר כל כך גדול שאתה אפילו לא יכול לדמיין את זה באמת - וזה רק בכוס מים קטנה למדי. הבנת המרכיבים הזעירים הללו של החומר היא צעד מכריע להבנת התכונות המקרוסקופיות המוכרות לנו ביום יום.

אבל איך אפשר בכלל לחשב משהו כמו מספר האטומים בכוס מים? הטריק במקרה הספציפי הזה היה שימוש ב-מסה מולאריתשל מים, ומספר האטומים הידוע בשומה של כל חומר שהוא. אבל המסה הטוחנת, בתורם, תלויה ביחידת מסה אטומית, שהוא חיוני ביותר להבין עבור כל סטודנט לפיזיקה או כימיה. למרבה המזל, זהו באמת פשט של המסה האמיתית של אטום מכל חומר, אשר למעשה אומר לך את המסה היחסית בהשוואה לנויטרון או פרוטון יחיד.

לאטומים שלושה מרכיבים עיקריים: פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים. הפרוטונים והנייטרונים קיימים בתוך הגרעין, המהווה סידור קומפקטי של חומר היושב במרכז האטום, והאלקטרונים קיימים כ"ענן מטושטש "סביב החלק החיצוני שלו. יש כמות עצומה של מרווח בין הגרעין ואפילו לאלקטרון הקרוב ביותר. לגרעין יש מטען חיובי מכיוון שהפרוטונים טעונים באופן חיובי והנייטרונים ניטרליים, בעוד ענן האלקטרונים נושא מטען שלילי המאזן את זה מהנויטרון.

הגרעין מכיל את עיקר המסה של האטום, מכיוון שהנייטרונים והפרוטונים הם הרבה יותר כבדים מאלקטרונים. למעשה, פרוטונים או נויטרונים גדולים פי 1,800 מאלקטרונים, כל כך הרבה יותר גדול מזה במקרים רבים אתה יכול להזניח את מסת האלקטרון בבטחה כשאתה חושב על מסת אטומית יותר בדרך כלל.

הטבלה המחזורית מפרטת את כל היסודות (כלומר, סוגי אטומים) הנמצאים בטבע, החל מהפשוט ביותר, שהוא אטום המימן. המספר אטומישל אטום (נתון לסמלז) אומר לך כמה פרוטונים יש לאטום עבור היסוד בגרעין שלו, וזה המספר העליון בבלוק הרלוונטי בטבלה המחזורית. מכיוון שזה נושא את המטען החיובי ואת מספר האלקטרונים (שהוא פיסת מידע חיונית כשאתה נמצא חשיבה על קשירה אטומית) צריכה להיות שווה לזה לניטראליות החשמלית הכוללת העיקרית, מספר זה באמת מאפיין את אֵלֵמֶנט.

יכול להיות שונהאיזוטופיםשל אותו יסוד, לעומת זאת, שיש להם מספר זהה של פרוטונים (וכך ניתן לחשוב באופן סביר כאותו יסוד), אך מספר שונה של נויטרונים. אלה עשויים להיות יציבים או לא, וזה נושא מעניין בפני עצמו, אך הדבר החשוב לציין לעת עתה היא שלאיזוטופים שונים יש מסות שונות אך אותם מאפיינים כוללים ברוב האחרים דרכים.

למרות שהאטומים בצורתם הרגילה הם ניטרלים מבחינה חשמלית, ישנם אטומים המועדים לצבור או לאבד אלקטרונים, מה שיכול לתת להם מטען חשמלי נטו. אטומים שעברו אחד התהליכים הללו נקראים יונים.

המסה האטומית מוגדרת בדרך כלל במונחים של יחידות מסה אטומית (אמו). ההגדרה הרשמית היא ש 1 אמו הוא 1/12 ממסתו של אטום פחמן -12. כאן, פחמן 12 הוא הדרך הסטנדרטית לומר "האיזוטופ של פחמן עם שישה פרוטונים ושישה נויטרונים, "כך שבסופו של דבר תוכלו לחשוב על יחידת מסה אטומית כמסה של פרוטון או נויטרון. אם כך, באופן מספרי, מספר המסה האטומי הוא מספר הפרוטונים והנויטרונים בגרעין, וזה אומר שהוא אינו זהה למספר האטומי,ז​.

חשוב לציין כי מהסיבות שהוסברו בפרק האחרון, מסת האלקטרונים באטום מוזנחת כשמדברים על מסת אטומית ברוב המצבים. הערה מעניינת נוספת היא שמסתו של אטום היא למעשה מעט פחות ממסתם של כל הרכיבים יחד, בגלל "האנרגיה המחייבת" שנדרשת בכדי להחזיק את הגרעין. עם זאת, זהו סיבוך נוסף שאתה לא באמת צריך לקחת בחשבון ברוב המצבים.

המספר התחתון בבלוק של אלמנט בטבלה המחזורית הוא המסה האטומית הממוצעת, אשר שונה גם מהמסה המתבטאת ביחידות המסה האטומית. זהו למעשה ממוצע משוקלל של המוני איזוטופים שונים של אלמנט, המספק את השפע היחסי שלהם על פני כדור הארץ. כך שבמובן מסוים זהו המדד ה"כולל "המדויק ביותר של מסת היסוד, אך בפועל המסה האטומית של איזוטופ מסוים תהיה מספר שלם ביחידות המסה האטומית. בטבלאות מחזוריות פשוטות יותר, "מספר המסה האטומי" הזה (א) משמש במקום המסה האטומית הממוצעת.

המסה מולקולרית(או, אם להשתמש במונח פחות מדויק אך גם נפוץ, "משקל מולקולרי") הוא המסה של מולקולה של חומר ביחידות מסה אטומיות. לעבד את זה פשוט באמת: אתה מוצא את הנוסחה הכימית של החומר המדובר, ואז מוסיף יחד את המסה האטומית של האטומים המרכיבים. לדוגמא, מתאן מורכב מאטום פחמן אחד וארבעה אטומי מימן, ולכן יש לו את המסה של רכיבים אלה יחד. לאטום פחמן 12 אחד יש מסה אטומית של 12, ולכל אטום מימן מסה אטומית של 1, כך שהמסה המולקולרית הכוללת של מולקולת מתאן היא 16 אמו.

המסה הטוחנת של חומר היא מסת השומה אחת של החומר. זה מבוסס על המספר של אבוגדרו, המספר לך את מספר האטומים או המולקולות בשומה אחת של חומר, וההגדרה של שומה. שומה היא כמות החומר שהופכת את המסה שלו בגרמים זהה למספר המסה האטומי שלו. כך שלפחמן 12, למשל, לשומה אחת יש מסה של 12 גרם.

המספר של אבוגדרו הוא 6.022 × 10²³ולכן 12 גרם פחמן 12 מכיל אטומים רבים כל כך, וכמו כן, 4 גרם הליום מכילים אטומים רבים כל כך. חשוב לזכור שאם החומר המדובר הוא מולקולה (כלומר, משהו המורכב ביותר מאטום אחד) אז המספר של אבוגדרו אומר לך את מספרמולקולותולא מספר האטומים.

זה נותן לך את כל מה שאתה צריך לדעת כדי לעבור דוגמה כמו זו של כוס המים בהקדמה. הזכוכית הכילה 200 מ"ל, התואמת ל 200 גרם מבחינת מסה, ומולקולת מים אחת (נוסחה כימית H₂O) יש שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד, למסה מולקולרית של 18 אמו ומסה טוחנת של 18 גרם. אז כדי למצוא את מספר האטומים, פשוט מחלקים את המסה במסה של שומה כדי למצוא את מספר השומות, ואז מכפילים במספר של אבוגדרו כדי למצוא את מספר המולקולות. לבסוף, כשאתה מציין שלכל מולקולה יש שלושה אטומים, אתה מכפיל בשלושה כדי למצוא את מספר האטומים הבודדים.

עבודה באמצעות דוגמאות נוספות יכולה לעזור לך להבין את מושגי המפתח לגבי מסת אטום. הדוגמה הפשוטה ביותר היא עיבוד המסה של אלמנט פשוט כמו פחמן 12. התהליך ממש פשוט אם אתה חושב רק במונחים של אמו, אבל אתה יכול גם להמיר אמו לק"ג די בקלות כדי לקבל מדידה סטנדרטית יותר של מסת הפחמן.

אתה אמור להיות מסוגל לחשב את המסה של אטום פחמן באמו על סמך מה שכבר למדת מהמאמר, ולשים לב שיש שישה פרוטונים ושישה נויטרונים בכל אטום. אז מה המסה של אטום פחמן באמו? כמובן, זה 12 אמות. אתה מוסיף את ששת הפרוטונים לששת הנויטרונים ומוצא את התשובה, שכן לשני סוגי החלקיקים יש מסה של 1 אמו.

המרת אמו לק"ג היא די פשוטה גם מנקודה זו: 1 אמו = 1.66 × 10⁻²⁷ ק"ג, כך

זהבֶּאֱמֶתמסה זעירה (ובגלל זה נמדדת מסת אטומית בדרך כלל באמו), אך ראוי לציין שמסת האלקטרון היא בערך 9 × 10⁻³¹, כך שברור שאפילו הוספת כל 12 האלקטרונים למסה של אטום הפחמן לא הייתה עושה הבדל בולט.

משקל מולקולרי הוא קצת יותר מסובך מסתם אימון המסה של אטום, אבל כל מה שאתה צריך לעשות הוא להסתכל על הנוסחה הכימית של המולקולה ולשלב את מסות האטומים הבודדים כדי למצוא את סך הכל. לדוגמא, נסה לחשב את מסת הבנזין, בעלת הנוסחה הכימית: C₆ה₆, וציין שהם אטומי פחמן 12 וזה האיזוטופ הרגיל של מימן ולא דאוטריום או טריטיום.

המפתח הוא לשים לב שיש לך שישה אטומים של פחמן 12 ושישה של מימן, כך שהמסה של המולקולה היא:

תהליך מציאת המשקל המולקולרי יכול להסתבך מעט יותר עבור מולקולות גדולות יותר, אך הוא תמיד עוקב אחר אותו תהליך.

מציאת המסה האטומית הממוצעת של יסוד כוללת התחשבות הן במסה האטומיתוהשפע היחסי של האיזוטופ הספציפי על פני כדור הארץ. פחמן הוא דוגמה טובה לכך מכיוון ש 98.9 אחוז מכלל הפחמן על פני כדור הארץ הוא פחמן 12, כאשר 1.1 אחוז הוא פחמן 13 ומאודאחוז קטן הוא פחמן 14, שניתן להזניח אותו בבטחה.

תהליך העבודה הזה הוא די פשוט: הכפל את חלק האיזוטופ במסת האיזוטופ באמו, ואז הוסף את השניים יחד. פחמן 12 הוא האיזוטופ הנפוץ ביותר של פחמן, ולכן היית מצפה שהתוצאה תהיה קרובה מאוד ל 12 אמות. זכור להמיר את האחוזים לעשרונים (חלק אותם ב 100) לפני החישוב ותצא עם התשובה הנכונה:

תוצאה זו היא בדיוק מה שתמצא בטבלה מחזורית המפרטת את המסה האטומית הממוצעת ולא את המסה של האיזוטופ הנפוץ ביותר.