Atominė masė: apibrėžimas, vienetai ir kaip apskaičiuoti

Viskas, su kuo bendraujate kasdien, galiausiai susideda iš atomų. Pavyzdžiui, 200 ml stiklinėje vandens yra apie 6,7 × 10²⁴ molekulių, o kadangi kiekvienoje molekulėje yra trys atomai, jų iš viso yra apie 2 × 10²⁵ atomų tik vienoje taurėje. Tai yra 20 milijonų milijardų milijardų milijardų - tiek daug, kad net neįsivaizduoji - ir tai tik gana mažoje stiklinėje vandens. Suprasti šias mažas materijos sudedamąsias dalis yra esminis žingsnis norint suprasti kasdien mums pažįstamas makroskopines savybes.

Bet kaip jūs netgi galite apskaičiuoti kažką panašaus į atomų skaičių stiklinėje vandens? Apgaulė šiuo konkrečiu atveju buvomolinė masėvandens ir žinomas atomų skaičius bet kurios medžiagos molyje. Tačiau molinė masė savo ruožtu priklauso nuoatominės masės vienetas, kurį yra labai svarbu suprasti bet kuriam fizikos ar chemijos studentui. Laimei, tai yra tikrosios bet kurios medžiagos atomo masės supaprastinimas, kuris iš esmės nurodo santykinę masę, palyginti su vienu neutronu ar protonu.

Atomai turi tris pagrindinius komponentus: protonus, neutronus ir elektronus. Protonai ir neutronai egzistuoja branduolio viduje, tai yra kompaktiškas materijos išdėstymas, esantis atomo centre, o elektronai egzistuoja kaip „neryškus debesis“ aplink jo išorę. Tarp branduolio ir net artimiausio elektrono yra didžiulis erdvės kiekis. Branduolys turi teigiamą krūvį, nes protonai yra teigiamai įkrauti, o neutronai yra neutralūs, tuo tarpu elektronų debesis neša neigiamą krūvį, kuris subalansuoja tą neutroną.

Branduolyje yra didžioji atomo masės dalis, nes neutronai ir protonai yra daug, daug sunkesni už elektronus. Tiesą sakant, arba protonai, arba neutronai yra maždaug 1800 kartų didesni už elektronus, tiek didesni, kad yra daugeliu atvejų galite saugiai nepaisyti elektrono masės, kai daugiau galvojate apie atominę masę apskritai.

Periodinėje lentelėje pateikiami visi gamtoje randami elementai (t. Y. Atomo tipai), pradedant paprasčiausiu, ty vandenilio atomu. Theatominis skaičiusatomo (suteiktas simbolisZ) nurodo, kiek protonų yra elemento atomo branduolyje, ir tai yra viršutinis skaičius atitinkamame periodinės lentelės bloke. Nes tai neša teigiamą krūvį ir elektronų skaičių (tai yra būtina informacija, kai esate galvojant apie atominį sujungimą) turi būti lygus šiam pagrindiniam elektriniam neutralumui, šis skaičius iš tikrųjų apibūdina elementas.

Gali būti įvairiųizotopaitačiau to paties elemento, kurie turi tą patį protonų skaičių (ir todėl galima pagrįstai manyti, kad tas pats elementas), tačiau skirtingas neutronų skaičius. Tai gali būti arba nebūti stabilūs, o tai yra įdomi tema, tačiau svarbu atkreipti dėmesį nes dabar skirtingi izotopai turi skirtingas mases, bet daugumoje kitų yra vienodos bendros savybės būdai.

Nors įprastos formos atomai yra elektrai neutralūs, kai kurie atomai linkę įgyti ar prarasti elektronus, kurie gali suteikti jiems grynąjį elektros krūvį. Atomai, kurie patyrė vieną iš šių procesų, vadinami jonais.

Atominė masė paprastai apibrėžiama pagal atominės masės vienetus (amu). Oficialus apibrėžimas yra tai, kad 1 amu yra 1/12 anglies-12 atomo masės. Čia anglis-12 yra įprastas būdas pasakyti „anglies izotopą su šešiais protonais ir šešiais neutronų “, taigi galiausiai galite galvoti apie atominės masės vienetą kaip protono arba neutronas. Taigi tam tikra prasme atominės masės skaičius yra protonų ir neutronų skaičius branduolyje, o tai reiškia, kad jis nėra tas pats, kas atominis skaičius,Z​.

Svarbu pažymėti, kad dėl priežasčių, paaiškintų paskutiniame skyriuje, elektronų masė atome nepaisoma, kai daugumoje situacijų kalbama apie atominę masę. Kita įdomi pastaba yra tai, kad atomo masė iš tikrųjų yra šiek tiek mažesnė nei visų sudedamųjų komponentų masė, nes „surišama energija“ reikalinga branduoliui išlaikyti. Tačiau tai yra dar viena komplikacija, į kurią daugumoje situacijų iš tikrųjų nereikia atsižvelgti.

Apatinis periodinės lentelės elemento bloko skaičius yra vidutinė atominė masė, kuri taip pat skiriasi nuo masės, išreikštos atominės masės vienetais. Iš esmės tai yra svertinis skirtingų elemento izotopų masių vidurkis, atsižvelgiant į jų santykinę gausą Žemėje. Taigi tam tikra prasme tai yra tiksliausias „bendras“ elemento masės matas, tačiau praktiškai bet kurio konkretaus izotopo atominė masė bus sveikas skaičius atominės masės vienetais. Paprastesnėse periodinėse lentelėse šis „atominės masės skaičius“ (A) naudojama vietoj vidutinės atominės masės.

Themolekulinė masė(arba, vartojant mažiau tikslų, bet taip pat įprastą terminą, „molekulinė masė“) yra medžiagos molekulės masė atominės masės vienetais. Išsiaiškinti tai išties paprasta: surandate nagrinėjamos medžiagos cheminę formulę ir susumuojate sudedamųjų atomų atomines mases. Pavyzdžiui, metaną sudaro vienas anglies atomas ir keturi vandenilio atomai, todėl šių komponentų masė yra sujungta. Vieno anglies-12 atomo atominė masė yra 12, o kiekvieno vandenilio atomo - 1, taigi bendra metano molekulės molekulinė masė yra 16 amų.

Molinė medžiagos masė yra vieno molio medžiagos masė. Tai pagrįsta Avogadro skaičiumi, kuris nurodo atomų ar molekulių skaičių viename molyje medžiagos ir molio apibrėžimą. Apgamas yra medžiagos kiekis, kurio masė gramais yra tokia pati kaip jos atominės masės skaičius. Taigi, pavyzdžiui, anglies-12, vieno molio masė yra 12 g.

Avogadro numeris yra 6.022 × 10²³ir todėl 12 g anglies-12 yra tiek daug atomų, taip pat ir 4 g helio yra tiek daug atomų. Svarbu atsiminti, kad jei nagrinėjama medžiaga yra molekulė (t. Y. Kažkas, susidedanti iš daugiau nei vieno atomo), tada Avogadro skaičius nurodo jumsmolekulėso ne atomų skaičius.

Tai suteikia jums viską, ką reikia žinoti, kad galėtumėte pereiti į pavyzdį, pavyzdžiui, stiklinę vandens įžangoje. Stiklinėje buvo 200 ml, o tai atitinka 200 g masės, ir viena vandens molekulė (cheminė formulė H₂O) turi du vandenilio atomus ir vieną deguonies atomą, kurių molekulinė masė yra 18 amu, o molinė masė - 18 g. Taigi, norėdami rasti atomų skaičių, paprasčiausiai padalykite masę iš apgamo masės, kad rastumėte apgamų skaičių, tada padauginkite iš Avogadro skaičiaus, kad rastumėte molekulių skaičių. Galiausiai, pastebėdami, kad kiekviena molekulė turi tris atomus, padauginkite iš trijų, kad surastumėte atskirų atomų skaičių.

Išnagrinėję daugiau pavyzdžių galite suprasti pagrindines atominės masės sąvokas. Paprasčiausias pavyzdys yra paprasto elemento, pvz., Anglies-12, masės apskaičiavimas. Procesas yra tikrai paprastas, jei galvojate tik apie amu, bet taip pat galite gana lengvai konvertuoti amu į kg, kad gautumėte standartizuotą anglies masės matavimą.

Turėtumėte mokėti apskaičiuoti anglies atomo masę amu remdamiesi tuo, ką jau išmokote iš straipsnio, ir atkreipdami dėmesį į tai, kad kiekviename atome yra šeši protonai ir šeši neutronai. Taigi kokia yra anglies atomo masė amu? Žinoma, tai 12 amu. Pridedate šešis protonus prie šešių neutronų ir rasite atsakymą, nes abiejų tipų dalelių masė yra 1 amu.

Amu konvertuoti į kg taip pat yra gana paprasta: 1 amu = 1,66 × 10⁻²⁷ kg, taigi

Tai yratikraimaža masė (ir todėl atominė masė paprastai matuojama amu), tačiau verta paminėti, kad elektrono masė yra apie 9 × 10⁻³¹, taigi akivaizdu, kad net pridedant visus 12 elektronų prie anglies atomo masės, nebūtų buvę reikšmingų pokyčių.

Molekulinė masė yra šiek tiek sudėtingesnė nei vien tik atomo masės apskaičiavimas, bet viskas, ko jums reikia tai yra pažvelgti į molekulės cheminę formulę ir sujungti atskirų atomų mases, kad surastumėte viso. Pavyzdžiui, pabandykite apskaičiuoti benzeno masę, kurios cheminė formulė: C₆H₆, pažymėdamas, kad jie yra anglies-12 atomai ir tai yra įprastas vandenilio izotopas, o ne deuterio ar tričio.

Svarbiausia pastebėti, kad turite šešis anglies-12 ir šešis vandenilio atomus, taigi molekulės masė yra:

Molekulinės masės nustatymo procesas gali šiek tiek komplikuotis didesnėms molekulėms, tačiau jis visada vyksta tuo pačiu procesu.

Rasti elemento vidutinę atominę masę reikia atsižvelgti ir į atominę masęirsantykinis konkretaus izotopo gausumas Žemėje. Anglis yra geras pavyzdys, nes 98,9 proc. Visos Žemės anglies yra anglis-12, o 1,1 proc. Yra anglis-13 irlabainedidelis procentas yra anglies-14, kurio galima saugiai nepaisyti.

Išsiaiškinimo procesas iš tikrųjų yra gana paprastas: padauginkite izotopo proporciją iš izotopo masės amu, tada sudėkite abu. Anglis-12 yra labiausiai paplitęs anglies izotopas, todėl turėtumėte tikėtis, kad rezultatas bus labai artimas 12 amu. Prieš skaičiuodami nepamirškite procentų perskaičiuoti į dešimtainius skaičius (padalykite juos iš 100) ir pateiksite teisingą atsakymą:

Šį rezultatą tiksliai rasite periodinėje lentelėje, kurioje nurodoma vidutinė atominė masė, o ne labiausiai paplitusio izotopo masė.