原子量：定義、単位、計算方法

日常的にやり取りするものはすべて、最終的には原子で構成されています。 たとえば、200mLのコップ1杯の水には約6.7×10が含まれています²⁴ 分子であり、各分子の原子数が3であるため、合計で約2×10になります。²⁵ その一杯の原子。 これは2,000億億ドルであり、実際には想像もできないほどの大きさです。これは、かなり小さなコップ一杯の水の中だけです。 物質のこれらの小さな構成要素を理解することは、私たちが日常的によく知っている巨視的な特性を理解するための重要なステップです。

しかし、コップ一杯の水の原子数のようなものをどのように計算することができますか？ この特定の場合のトリックは、モル質量水のモル、および任意の物質のモルの既知の原子数。 しかし、モル質量は、順番に、原子質量単位、これは物理学や化学の学生にとって理解することが絶対に重要です。 ありがたいことに、これは実際には任意の物質の原子の実際の質量を単純化したものであり、基本的に単一の中性子または陽子と比較した相対質量を示しています。

原子には、陽子、中性子、電子の3つの主要な要素があります。 陽子と中性子は原子核の中心にある物質のコンパクトな配置である原子核の内部に存在し、電子は原子核の外側の周りに「ファジークラウド」として存在します。 原子核と最も近い電子の間にも巨大な空間があります。 陽子は正に帯電し、中性子は中性であるため、原子核は正の電荷を持っていますが、電子の雲は負の電荷を運び、中性子からの電荷と釣り合います。

中性子と陽子は電子よりもはるかに重いため、原子核には原子の質量の大部分が含まれています。 実際、陽子か中性子のどちらかは電子の約1,800倍の大きさであり、 多くの場合、原子量についてもっと考えているときは、電子の質量を安全に無視できます。 一般的に。

周期表には、水素原子である最も単純なものから始めて、自然界に見られるすべての元素（つまり、原子の種類）がリストされています。 ザ・原子番号原子の（記号が与えられたZ）は、元素の原子がその原子核に持っている陽子の数を示します。これは、周期表の関連するブロックの上限です。 これは正電荷と電子の数を運ぶためです（これはあなたがいるときに不可欠な情報です 原子結合について考える）は、全体的な電気的中性を維持するためにこれと等しくなければなりません、この数は実際に 素子。

異なる可能性があります同位体ただし、同じ元素の陽子の数は同じですが（したがって、同じ元素と合理的に考えることができます）、中性子の数は異なります。 これらは安定している場合とそうでない場合があります。これはそれ自体が興味深いトピックですが、注意すべき重要な点です。 今のところ、異なる同位体は異なる質量を持っていますが、他のほとんどの場合は同じ全体的な特性を持っています 方法。

通常の形の原子は電気的に中性ですが、一部の原子は電子を獲得または喪失する傾向があり、正味の電荷を与える可能性があります。 これらのプロセスのいずれかを経た原子は、イオンと呼​​ばれます。

原子質量は、一般に原子質量単位（amu）で定義されます。 公式の定義では、1amuは炭素12原子の質量の1/12です。 ここで、炭素12は、「6つの陽子と6つの炭素を持つ炭素の同位体」という標準的な言い方です。 中性子」なので、最終的には原子質量単位を陽子または 中性子。 つまり、ある意味で、原子質量数は原子核内の陽子と中性子の数であり、これは原子番号と同じではないことを意味します。Z​.

前のセクションで説明した理由により、ほとんどの状況で原子量について話しているときは、原子内の電子の質量が無視されていることに注意することが重要です。 もう1つの興味深い注意点は、原子の質量は、原子核をまとめるのに必要な「結合エネルギー」のために、実際には結合されたすべてのコンポーネントの質量よりもわずかに小さいことです。 ただし、これは、ほとんどの状況で実際に考慮する必要のないもう1つの問題です。

周期表の元素のブロックの小さい方の数値は平均原子質量であり、これも原子質量単位で表された質量とは異なります。 これは本質的に、元素のさまざまな同位体の質量の加重平均であり、地球上のそれらの相対的な存在量を説明しています。 したがって、ある意味では、これは要素の質量の最も正確な「全体的な」測定値ですが、実際には、特定の同位体の原子質量は、原子質量単位の整数になります。 より単純な周期表では、この「原子質量数」（A）は、平均原子量の代わりに使用されます。

ザ・分子量（または、精度は低くなりますが、一般的な用語である「分子量」を使用する場合）は、原子質量単位で表した物質の分子の質量です。 これを解決するのは本当に簡単です。問題の物質の化学式を見つけて、構成原子の原子量を合計します。 たとえば、メタンは1つの炭素原子と4つの水素原子で構成されているため、これらの成分の質量が組み合わされています。 1つの炭素12原子の原子量は12で、各水素原子の原子量は1であるため、メタン分子の総分子量は16amuです。

物質のモル質量は、物質1モルの質量です。 これは、物質の1モルに含まれる原子または分子の数とモルの定義を示すアボガドロ数に基づいています。 モルは、グラム単位の質量を原子質量数と同じにする物質の量です。 したがって、たとえば炭素12の場合、1モルの質量は12gです。

アボガドロの数は6.022×10です²³、したがって、12 gの炭素12にはこれだけの数の原子が含まれ、同様に4gのヘリウムにもこれだけの数の原子が含まれます。 問題の物質が分子（つまり、複数の原子で構成されるもの）である場合、アボガドロの数は次の数を示していることを覚えておくことが重要です。分子原子の数ではなく。

これにより、冒頭のコップ一杯の水のような例を実行するために知っておく必要のあるすべてがわかります。 ガラスには、質量で200gに相当する200mLと1つの水分子が含まれていました（化学式H₂O）分子量18amuおよびモル質量18gの場合、2つの水素原子と1つの酸素原子があります。 したがって、原子の数を見つけるには、単に質量をモルの質量で割ってモルの数を見つけ、次にアボガドロの数を掛けて分子の数を見つけます。 最後に、各分子には3つの原子があることに注意して、3を掛けて、個々の原子の数を求めます。

より多くの例を検討することで、原子量に関する重要な概念を理解するのに役立ちます。 最も単純な例は、炭素12のような単純な元素の質量を計算することです。 amuだけを考えている場合、プロセスは非常に簡単ですが、amuをkgに変換して、炭素の質量のより標準化された測定値を取得することもできます。

記事からすでに学んだことに基づいて、amuの炭素原子の質量を計算できるはずです。また、各原子には6つの陽子と6つの中性子があることに注意してください。 では、amuの炭素原子の質量はどれくらいですか？ もちろん、12amuです。 どちらのタイプの粒子も質量が1amuであるため、6つの陽子を6つの中性子に追加して、答えを見つけます。

amuをkgに変換することも、この時点から非常に簡単です。1amu= 1.66×10⁻²⁷ kg、そう

これは本当に小さな質量（そのため、原子質量は通常amuで測定されます）が、電子の質量は約9×10であることに注意してください。⁻³¹したがって、12個すべての電子を炭素原子の質量に追加しても、目立った違いはないことは明らかです。

分子量は、原子の質量を計算するよりも少し複雑ですが、必要なのは 分子の化学式を見て、個々の原子の質量を組み合わせて、 合計。 たとえば、化学式が次のベンゼンの質量を計算してみてください。C₆H₆、それらは炭素12原子であり、重水素やトリチウムではなく水素の通常の同位体であることに注意してください。

重要なのは、炭素12の原子が6つ、水素の原子が6つあることに気付くことです。したがって、分子の質量は次のようになります。

分子量を見つけるプロセスは、分子が大きいほど少し複雑になる可能性がありますが、常に同じプロセスに従います。

元素の平均原子量を見つけるには、両方の原子量を考慮する必要がありますそして地球上の特定の同位体の相対的な存在量。 地球上のすべての炭素の98.9パーセントが炭素12であり、1.1パーセントが炭素13であり、非常にわずかな割合が炭素14であり、これは安全に無視できます。

これを解決するプロセスは、実際には非常に簡単です。同位体の比率にamuの同位体の質量を掛けてから、2つを足し合わせます。 炭素12は炭素の最も一般的な同位体であるため、結果は12amuに非常に近いと予想されます。 計算する前に、パーセンテージを小数に変換する（100で割る）ことを忘れないでください。正しい答えが得られます。

この結果は、最も一般的な同位体の質量ではなく、平均原子量をリストした周期表に表示されるものとまったく同じです。