매일 상호 작용하는 모든 것은 궁극적으로 원자로 구성됩니다. 예를 들어, 200mL 물 한 잔에는 약 6.7 × 10이 들어 있습니다.24 각 분자의 원자 수가 3 개이므로 총 2 × 10 개25 하나의 유리에 원자가 들어 있습니다. 2 천억 억입니다. 너무 커서 상상조차 할 수없는 엄청난 숫자입니다. 아주 작은 물 한 컵에 담겨 있습니다. 물질의 이러한 작은 구성 요소를 이해하는 것은 우리가 일상적으로 알고있는 거시적 속성을 이해하는 데 중요한 단계입니다.
하지만 물 한 잔에 들어있는 원자의 수와 같은 것을 어떻게 계산할 수 있습니까? 이 특정한 경우의 트릭은몰 질량물, 그리고 물질의 몰에 알려진 원자 수. 그러나 몰 질량은 차례로원자 질량 단위, 이것은 물리학이나 화학의 모든 학생이 이해하는 데 절대적으로 중요합니다. 고맙게도 이것은 실제로 어떤 물질의 원자의 실제 질량을 단순화 한 것입니다. 이것은 본질적으로 단일 중성자 또는 양성자와 비교하여 상대 질량을 알려줍니다.
원자 구조
원자에는 양성자, 중성자 및 전자의 세 가지 주요 구성 요소가 있습니다. 양성자와 중성자는 원자의 중심에있는 물질의 조밀 한 배열 인 핵 내부에 존재하며 전자는 그 외부 주변에 "모호한 구름"으로 존재합니다. 핵과 가장 가까운 전자 사이에는 엄청난 양의 공간이 있습니다. 양성자는 양전하를 띠고 중성자는 중성이고 전자 구름은 중성자와 균형을 이루는 음전하를 전달하기 때문에 핵은 양전하를 띠고 있습니다.
중성자와 양성자는 전자보다 훨씬 무겁기 때문에 핵은 원자 질량의 대부분을 포함합니다. 사실 양성 자나 중성자는 전자보다 약 1800 배 더 큽니다. 많은 경우에 원자 질량에 대해 생각할 때 전자의 질량을 무시할 수 있습니다. 일반적으로.
원자 번호
주기율표는 자연에서 발견되는 모든 원소 (즉, 원자 유형)를 나열하며 가장 단순한 수소 원자부터 시작합니다. 그만큼원자 번호원자의 (기호가 주어지면지)는 원소의 원자가 핵에 얼마나 많은 양성자를 가지고 있는지 알려주며, 주기율표에서 관련 블록의 상위 숫자입니다. 이것은 양전하와 전자의 수를 전달하기 때문입니다. 원자 결합에 대해 생각하면)이 값과 전체적인 전기적 중립성이 같아야합니다. 요소.
다를 수 있습니다동위 원소그러나 동일한 수의 양성자를 가지지 만 (따라서 동일한 요소로 합리적으로 생각할 수 있음) 중성자의 수는 다릅니다. 이것들은 안정적 일 수도 있고 아닐 수도 있습니다. 이는 그 자체로 흥미로운 주제이지만 주목해야 할 중요한 사항은 지금은 동위 원소마다 질량이 다르지만 대부분의 다른 방법.
일반적인 형태의 원자는 전기적으로 중성이지만 일부 원자는 전자를 얻거나 잃는 경향이있어 순 전하를 줄 수 있습니다. 이러한 과정 중 하나를 거친 원자를 이온이라고합니다.
원자 질량
원자 질량은 일반적으로 원자 질량 단위 (amu)로 정의됩니다. 공식적인 정의는 1amu가 탄소 -12 원자 질량의 1/12라는 것입니다. 여기서 탄소 -12는“6 개의 양성자와 6 개의 양성자를 가진 탄소의 동위 원소 원자 질량 단위를 양성자 또는 양성자의 질량으로 생각할 수 있습니다. 중성자. 그래서 어떤 의미에서 원자 질량 번호는 핵에있는 양성자와 중성자의 수입니다. 이것은 원자 번호와 같지 않다는 것을 의미합니다.지.
마지막 섹션에서 설명한 이유 때문에 대부분의 상황에서 원자 질량에 대해 이야기 할 때 원자의 전자 질량은 무시된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 또 다른 흥미로운 점은 원자의 질량이 실제로 결합 된 모든 구성 요소의 질량보다 약간 적다는 것입니다. 이는 핵을 함께 유지하는 데 필요한 "결합 에너지"때문입니다. 그러나 이것은 대부분의 상황에서 실제로 고려할 필요가없는 또 다른 문제입니다.
주기율표에서 원소 블록의 낮은 숫자는 평균 원자 질량이며, 이는 원자 질량 단위로 표시되는 질량과도 다릅니다. 이것은 본질적으로 한 원소의 다른 동위 원소 질량에 대한 가중 평균이며, 지구상에서 상대적으로 풍부합니다. 따라서 어떤 의미에서 이것은 원소의 질량에 대한 가장 정확한 "전체"측정 값이지만 실제로 특정 동위 원소의 원자 질량은 원자 질량 단위의 정수입니다. 더 간단한 주기율표에서이 "원자 질량 번호"(ㅏ)는 평균 원자 질량 대신 사용됩니다.
분자 질량
그만큼분자 질량(또는 덜 정확하지만 일반적으로 사용되는 용어 인 "분자량")은 원자 질량 단위로 표시된 물질 분자의 질량입니다. 이 작업은 정말 간단합니다. 문제의 물질에 대한 화학식을 찾은 다음 구성 원자의 원자 질량을 합산합니다. 예를 들어, 메탄은 하나의 탄소 원자와 네 개의 수소 원자로 구성되어 있으므로 이러한 구성 요소의 질량이 결합되어 있습니다. 하나의 탄소 -12 원자의 원자 질량은 12이고 각 수소 원자의 원자 질량은 1이므로 메탄 분자의 총 분자량은 16 amu입니다.
몰 질량
물질의 몰 질량은 물질 1 몰의 질량입니다. 이것은 Avogadro의 수를 기반으로하며 물질 1 몰에 포함 된 원자 또는 분자의 수와 몰의 정의를 나타냅니다. 몰은 그램 단위의 질량을 원자 질량 번호와 동일하게 만드는 물질의 양입니다. 예를 들어 탄소 -12의 경우 1 몰의 질량은 12g입니다.
Avogadro의 수는 6.022 × 10입니다.23, 12g의 탄소 -12에는 이처럼 많은 원자가 포함되어 있고, 마찬가지로 4g의 헬륨에도이 많은 원자가 포함되어 있습니다. 문제의 물질이 분자 (즉, 하나 이상의 원자로 구성된 것) 인 경우 Avogadro의 수는분자원자의 수보다는
이것은 소개에서 물 한잔과 같은 예를 살펴보기 위해 알아야 할 모든 것을 제공합니다. 유리에는 질량 200g에 해당하는 200mL와 물 분자 1 개 (화학식 H2O)는 분자 질량이 18amu이고 몰 질량이 18g 인 경우 2 개의 수소 원자와 1 개의 산소 원자를가집니다. 따라서 원자의 수를 찾으려면 질량을 몰의 질량으로 나누고 몰의 수를 찾은 다음 Avogadro의 수를 곱하여 분자의 수를 찾습니다. 마지막으로, 각 분자에 3 개의 원자가 있다는 점에 유의하고 3을 곱하여 개별 원자의 수를 찾습니다.
\ begin {aligned} \ text {Number of moles} & = \ frac {200 \ text {g}} {18 \ text {g / mol}} \\ & = 11.111 \ text {mol} \\ \ text {Number 분자 수} & = 11.111 \ text {mol} × 6.022 × 10 ^ {23} \ text { 분자 / 몰} \\ & = 6.7 × 10 ^ {24} \ text {분자} \\ \ text {원자 수} & = 6.7 × 10 ^ {24} \ text {분자} × 3 \ text {원자 / 분자} \\ & = 2 × 10 ^ {25} \ text {원자} \ end {정렬}
예 – 탄소의 질량
더 많은 예제를 통해 원자 질량에 대한 주요 개념을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 가장 간단한 예는 탄소 -12와 같은 단순한 원소의 질량을 계산하는 것입니다. amu로만 생각하는 경우 프로세스는 매우 간단하지만 amu를 kg으로 쉽게 변환하여보다 표준화 된 탄소 질량 측정 값을 얻을 수도 있습니다.
기사에서 이미 배운 내용을 기반으로 amu 단위의 탄소 원자 질량을 계산할 수 있어야하며 각 원자에는 6 개의 양성자와 6 개의 중성자가 있습니다. 그렇다면 amu에서 탄소 원자의 질량은 얼마입니까? 물론 12amu입니다. 두 유형의 입자가 모두 1amu의 질량을 갖기 때문에 6 개의 양성자를 6 개의 중성자에 더하고 답을 찾습니다.
amu를 kg으로 변환하는 것도이 시점에서 매우 간단합니다. 1 amu = 1.66 × 10−27 kg, 그래서
12 \ text {amu} = 12 \ text {amu} \ times 1.66 \ times 10 ^ {− 27} \ text {kg / amu} = 1.99 \ times 10 ^ {− 26} \ text {kg}
이것은정말작은 질량 (그래서 원자 질량은 보통 amu로 측정됩니다),하지만 전자의 질량은 약 9 × 10입니다.−31, 그래서 12 개의 전자를 모두 탄소 원자의 질량에 더한다고해도 눈에 띄는 차이를 만들지 않았을 것입니다.
예 – 분자량
분자량은 원자의 질량을 계산하는 것보다 약간 더 복잡합니다. 분자의 화학식을보고 개별 원자의 질량을 결합하여 합계. 예를 들어, 화학 공식이 C 인 벤젠의 질량을 계산해보십시오.6H6, 그것들은 탄소 -12 원자이며 중수소 나 삼중 수소가 아닌 수소의 일반적인 동위 원소라는 점에 주목합니다.
핵심은 6 개의 탄소 -12 원자와 6 개의 수소 원자가 있다는 것입니다. 따라서 분자의 질량은 다음과 같습니다.
\ begin {aligned} \ text {분자량} & = (6 × 12 \ text {amu}) + (6 × 1 \ text {amu}) \\ & = 72 \ text {amu} + 6 \ text {amu } \\ & = 78 \ text {amu} \ end {aligned}
분자량을 찾는 과정은 더 큰 분자의 경우 조금 더 복잡해질 수 있지만 항상 동일한 과정을 따릅니다.
예 – 평균 원자 질량 계산
원소의 평균 원자 질량을 찾는 것은 원자 질량을 모두 고려하는 것을 포함합니다과지구상의 특정 동위 원소의 상대적인 풍부함. 탄소는 이에 대한 좋은 예입니다. 지구상 모든 탄소의 98.9 %가 탄소 -12이고 1.1 %는 탄소 -13이고대단히작은 비율은 탄소 -14로 안전하게 무시할 수 있습니다.
이를 해결하는 과정은 실제로 매우 간단합니다. 동위 원소의 비율에 amu의 동위 원소 질량을 곱한 다음 두 개를 더합니다. 탄소 -12는 탄소의 가장 일반적인 동위 원소이므로 결과가 12amu에 매우 근접 할 것으로 예상 할 수 있습니다. 계산하기 전에 백분율을 소수로 변환 (100으로 나눔)하면 정답이 나옵니다.
(12 \ text {amu} × 0.989) + (13 \ text {amu} × 0.011) = 12.011 \ text {amu}
이 결과는 가장 일반적인 동위 원소의 질량이 아닌 평균 원자 질량을 나열하는 주기율표에서 찾을 수있는 것과 정확히 일치합니다.