Atomu masa: definīcija, mērvienības un kā aprēķināt

Visu, ar ko jūs ikdienā mijiedarbojaties, galu galā veido atomi. Piemēram, 200 ml glāzes ūdens satur apmēram 6,7 × 10²⁴ molekulas, un, tā kā katras molekulas atomu skaits ir trīs, kopā ir apmēram 2 × 10²⁵ atomi tikai tajā vienā glāzē. Tas ir 20 miljoni miljardi miljardu - tik liels skaitlis, ka to pat īsti nevar iedomāties - un tas ir tikai diezgan mazā glāzē ūdens. Šo mazo matērijas sastāvdaļu izpratne ir izšķirošs solis, lai izprastu makroskopiskās īpašības, kuras mēs ikdienā pārzinām.

Bet kā jūs pat varat aprēķināt kaut ko līdzīgu atomu skaitam glāzē ūdens? Šajā konkrētajā gadījumā triks bijamolārā masaūdens un zināmo atomu skaitu jebkuras vielas molā. Savukārt molārā masa ir atkarīga noatomu masas vienība, kas ir absolūti svarīgi saprast ikvienam fizikas vai ķīmijas studentam. Par laimi, tas patiešām ir jebkuras vielas atoma faktiskās masas vienkāršojums, kas būtībā norāda relatīvo masu salīdzinājumā ar vienu neitronu vai protonu.

Atomiem ir trīs galvenie komponenti: protoni, neitroni un elektroni. Protoni un neitroni eksistē kodola iekšienē, kas ir kompakts matērijas izvietojums, kas atrodas atoma centrā, un elektroni eksistē kā “izplūdušais mākonis” ap tā ārpusi. Starp kodolu un pat tuvāko elektronu ir milzīgs daudzums vietas. Kodolam ir pozitīvs lādiņš, jo protoni ir pozitīvi uzlādēti un neitroni ir neitrāli, savukārt elektronu mākonim ir negatīvs lādiņš, kas līdzsvaro to no neitrona.

Kodols satur lielāko atoma masas daļu, jo neitroni un protoni ir daudz, daudz smagāki nekā elektroni. Faktiski vai nu protoni, vai neitroni ir aptuveni 1800 reizes lielāki nekā elektroni, tik daudz lielāki, ka iekšā daudzos gadījumos jūs varat droši atstāt novārtā elektrona masu, kad vairāk domājat par atomu masu vispārīgi.

Periodiskajā tabulā ir uzskaitīti visi dabā sastopamie elementi (t.i., atomu veidi), sākot ar vienkāršāko, kas ir ūdeņraža atoms. Theatomu skaitlisatoma (dots simbolsZ) stāsta, cik daudz protonu elementa atoms atrodas tās kodolā, un tas ir augšējais skaitlis attiecīgajā blokā periodiskajā tabulā. Jo tas nes pozitīvo lādiņu un elektronu skaitu (kas ir būtiska informācija, kad esat domājot par atomu savienojumu) jābūt vienādam ar šo galveno elektrisko neitralitāti, šis skaitlis patiešām raksturo elements.

Var būt dažādiizotopino tā paša elementa, kam ir vienāds protonu skaits (un tāpēc to var pamatoti uzskatīt par vienu un to pašu elementu), bet atšķirīgs neitronu skaits. Tās var būt vai nebūt stabilas, kas pati par sevi ir interesanta tēma, bet ir svarīgi atzīmēt Pašlaik dažādiem izotopiem ir atšķirīga masa, bet lielākajā daļā citu izotopu kopējās īpašības ir vienādas veidos.

Kaut arī atomi to parastajā formā ir elektriski neitrāli, daži atomi ir pakļauti elektronu iegūšanai vai zaudēšanai, kas viņiem var dot neto elektrisko lādiņu. Atomus, kuri ir pakļauti vienam no šiem procesiem, sauc par joniem.

Atomu masu parasti definē kā atomu masas vienības (amu). Oficiālā definīcija ir tāda, ka 1 amu ir 1/12 no oglekļa-12 atoma masas. Šeit ogleklis-12 ir standarta veids, kā pateikt “oglekļa izotopu ar sešiem protoniem un sešiem neitroni ”, lai jūs galu galā varētu domāt par atomu masas vienību kā protona vai protona masu neitronu. Tātad savā ziņā atomu masas skaitlis ir protonu un neitronu skaits kodolā, un tas nozīmē, ka tas nav tas pats, kas atoma skaitlis,Z​.

Ir svarīgi atzīmēt, ka pēdējā sadaļā izskaidroto iemeslu dēļ, runājot par atomu masu, lielākajā daļā gadījumu atomu elektronu masa netiek ņemta vērā. Vēl viena interesanta piezīme ir tāda, ka atoma masa faktiski ir nedaudz mazāka par visu kopā esošo komponentu masu, pateicoties “saistošajai enerģijai”, kas nepieciešama kodola turēšanai kopā. Tomēr šī ir vēl viena komplikācija, kas lielākajā daļā gadījumu nav īsti jāņem vērā.

Apakšējais skaitlis elementa blokā periodiskajā tabulā ir vidējā atoma masa, kas arī atšķiras no atoma masas vienībās izteiktās masas. Būtībā tas ir vidējais svērtais elementa dažādu izotopu masu skaitlis, ņemot vērā to relatīvo pārpilnību uz Zemes. Tātad savā ziņā tas ir visprecīzākais elementa masas “kopējais” mērs, taču praksē jebkura konkrētā izotopa atoma masa būs vesels skaitlis atomu masas vienībās. Vienkāršākās periodiskās tabulās šis “atomu masas numurs” (A) tiek izmantota vidējās atomu masas vietā.

Themolekulmasa(vai, lietojot mazāk precīzu, bet arī izplatītu terminu, “molekulmasa”) ir vielas molekulas masa atomu masas vienībās. Tas ir patiešām vienkāršs: jūs atradīsit attiecīgās vielas ķīmisko formulu un pēc tam saskaitīsit atomu atomu masas. Piemēram, metānu veido viens oglekļa atoms un četri ūdeņraža atomi, un tāpēc tajā ir apvienota šo komponentu masa. Viena oglekļa-12 atoma atomu masa ir 12, un katra ūdeņraža atoma atoms ir 1, tātad metāna molekulas kopējā molekulmasa ir 16 amu.

Vielas molārā masa ir vielas viena mola masa. Tas ir balstīts uz Avogadro numuru, kas norāda atomu vai molekulu skaitu vienā vielas molā un mola definīciju. Mols ir vielas daudzums, kura masa gramos ir vienāda ar tās atomu masas skaitli. Tātad, piemēram, oglekļa-12, viena mola masa ir 12 g.

Avogadro numurs ir 6,022 × 10²³, un līdz ar to 12 g oglekļa-12 satur tik daudz atomu, tāpat arī 4 g hēlija satur tik daudz atomu. Ir svarīgi atcerēties, ka, ja attiecīgā viela ir molekula (t.i., kaut kas sastāv no vairāk nekā viena atoma), tad Avogadro skaitlis norāda jumsmolekulasnevis atomu skaits.

Tas dod jums visu, kas jums jāzina, lai iepazītos ar piemēru, piemēram, glāzi ūdens ievadā. Stiklā bija 200 ml, kas pēc svara atbilst 200 g, un viena ūdens molekula (H ķīmiskā formula)₂O) ir divi ūdeņraža atomi un viens skābekļa atoms, molekulmasai 18 amu un molai 18 g. Tātad, lai atrastu atomu skaitu, jūs vienkārši dalāt masu ar mola masu, lai atrastu molu skaitu, un pēc tam reiziniet ar Avogadro numuru, lai atrastu molekulu skaitu. Visbeidzot, atzīmējot, ka katrai molekulai ir trīs atomi, jūs reiziniet ar trim, lai atrastu atsevišķu atomu skaitu.

Izstrādājot vairāk piemēru, varēsiet saprast galvenos atoma masas jēdzienus. Vienkāršākais piemērs ir vienkārša elementa, piemēram, oglekļa-12, masas noteikšana. Process ir patiešām vienkāršs, ja domājat tikai par amu, bet jūs varat arī konvertēt amu uz kg, lai iegūtu standartizētāku oglekļa masas mērījumu.

Jums vajadzētu būt iespējai aprēķināt oglekļa atoma masu amu, pamatojoties uz to, ko jau esat iemācījušies no raksta, un atzīmējot, ka katrā atomā ir seši protoni un seši neitroni. Tātad, kāda ir oglekļa atoma masa amu? Protams, tas ir 12 amu. Jūs pievienojat sešus neitronus sešiem neitroniem un atrodat atbildi, jo abu veidu daļiņu masa ir 1 amu.

Arī no šī brīža konvertēšana amu uz kg ir diezgan vienkārša: 1 amu = 1,66 × 10⁻²⁷ kg, tātad

Tas irtiešāmniecīga masa (un tāpēc atomu masu parasti mēra amu), taču ir vērts atzīmēt, ka elektrona masa ir aptuveni 9 × 10⁻³¹, tāpēc ir skaidrs, ka pat visu 12 elektronu pievienošana oglekļa atoma masai nebūtu ievērojami mainījusies.

Molekulmasa ir nedaudz sarežģītāka nekā tikai atoma masas noteikšana, bet viss, kas jums jādara do ir apskatīt molekulas ķīmisko formulu un apvienot atsevišķu atomu masas, lai atrastu Kopā. Piemēram, mēģiniet aprēķināt benzola masu, kurai ir ķīmiskā formula: C₆H₆, norādot, ka tie ir oglekļa-12 atomi un tas ir parasts ūdeņraža izotops, nevis deitērijs vai tritijs.

Galvenais ir pamanīt, ka jums ir seši oglekļa-12 un seši ūdeņraža atomi, tāpēc molekulas masa ir:

Molekulmasas noteikšanas process var būt nedaudz sarežģītāks lielākām molekulām, taču tas vienmēr notiek pēc šī paša procesa.

Elementa vidējās atomu masas noteikšana ietver abu atomu masas ņemšanu vērāunspecifiskā izotopa relatīvo pārpilnību uz Zemes. Ogleklis ir labs piemērs tam, jo ​​98,9 procenti no visa oglekļa uz Zemes ir ogleklis-12, no kuriem 1,1 procents ir ogleklis-13 unļotineliels procents ir oglekļa-14, ko var droši atstāt novārtā.

Izstrādes process patiesībā ir diezgan vienkāršs: reiziniet izotopu proporciju ar izotopu masu amu un pēc tam saskaitiet abus kopā. Ogleklis-12 ir visizplatītākais oglekļa izotops, tāpēc jūs sagaidāt, ka rezultāts būs ļoti tuvu 12 amu. Pirms aprēķināšanas neaizmirstiet pārvērst procentus decimāldaļās (dalīt tos ar 100), un jūs saņemsiet pareizo atbildi:

Šis rezultāts ir tieši tas, ko atradīsit periodiskajā tabulā, kurā ir norādīta vidējā atomu masa, nevis visizplatītākā izotopa masa.