Masa atomowa: definicja, jednostki i sposób obliczania

Wszystko, z czym na co dzień wchodzisz w interakcję, ostatecznie składa się z atomów. Na przykład szklanka wody o pojemności 200 ml zawiera około 6,7 × 10²⁴ cząsteczki, a ponieważ liczba atomów w każdej cząsteczce wynosi trzy, w sumie jest około 2 × 10²⁵ atomy w tylko tej jednej szklance. To 20 milionów miliardów miliardów – liczba tak duża, że ​​nawet nie można jej sobie wyobrazić – i to tylko w dość małej szklance wody. Zrozumienie tych maleńkich składników materii jest kluczowym krokiem do zrozumienia makroskopowych właściwości, które znamy na co dzień.

Ale jak w ogóle obliczyć liczbę atomów w szklance wody? Sztuczka w tym konkretnym przypadku polegała na użyciumasa cząsteczkowawody i znaną liczbę atomów w molu dowolnej substancji. Ale masa molowa z kolei zależy odjednostka masy atomowej, co jest absolutnie niezbędne do zrozumienia dla każdego studenta fizyki lub chemii. Na szczęście jest to uproszczenie rzeczywistej masy atomu dowolnej substancji, która zasadniczo mówi o masie względnej w porównaniu z pojedynczym neutronem lub protonem.

Atomy składają się z trzech głównych składników: protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony znajdują się wewnątrz jądra, które jest zwartym układem materii, który znajduje się w centrum atomu, a elektrony istnieją jako „rozmyty obłok” wokół niego. Między jądrem a nawet najbliższym elektronem jest ogromna przestrzeń. Jądro ma ładunek dodatni, ponieważ protony są naładowane dodatnio, a neutrony są obojętne, podczas gdy chmura elektronów niesie ładunek ujemny, który równoważy go z neutronem.

Jądro zawiera większość masy atomu, ponieważ neutrony i protony są znacznie cięższe od elektronów. W rzeczywistości zarówno protony, jak i neutrony są około 1800 razy większe niż elektrony, a więc znacznie większe niż w w wielu przypadkach można bezpiecznie pominąć masę elektronu, gdy bardziej myślisz o masie atomowej ogólnie.

Układ okresowy pierwiastków zawiera wszystkie pierwiastki (tj. rodzaje atomów) występujące w przyrodzie, zaczynając od najprostszego, którym jest atom wodoru.Liczba atomowaatomu (biorąc pod uwagę symbolZ) mówi, ile protonów ma atom pierwiastka w swoim jądrze i jest to górna liczba na odpowiednim bloku w układzie okresowym. Ponieważ niesie ze sobą ładunek dodatni i liczbę elektronów (co jest istotną informacją, gdy jesteś myślenie o wiązaniach atomowych) musi być równe głównej ogólnej neutralności elektrycznej, ta liczba naprawdę charakteryzuje element.

Może być inaczejizotopyjednak tego samego pierwiastka, które mają taką samą liczbę protonów (a więc można je racjonalnie uznać za ten sam pierwiastek), ale inną liczbę neutronów. Mogą być stabilne lub nie, co samo w sobie jest interesującym tematem, ale ważne jest, aby pamiętać na razie jest to, że różne izotopy mają różne masy, ale te same ogólne właściwości w większości innych? sposoby.

Chociaż atomy w swojej zwykłej postaci są elektrycznie obojętne, niektóre atomy mają skłonność do zdobywania lub utraty elektronów, co może dać im ładunek elektryczny netto. Atomy, które przeszły jeden z tych procesów, nazywane są jonami.

Masa atomowa jest ogólnie definiowana w jednostkach masy atomowej (amu). Oficjalna definicja mówi, że 1 amu to 1/12 masy atomu węgla-12. W tym przypadku węgiel-12 jest standardowym sposobem powiedzenia „izotop węgla z sześcioma protonami i sześcioma neutronów”, dzięki czemu można ostatecznie myśleć o jednostce masy atomowej jako o masie protonu lub neutron. W pewnym sensie liczba masowa to liczba protonów i neutronów w jądrze, a to oznacza, że ​​nie jest taka sama jak liczba atomowa,Z​.

Należy zauważyć, że z powodów wyjaśnionych w ostatniej sekcji masa elektronów w atomie jest pomijana, gdy mówimy o masie atomowej w większości sytuacji. Inną interesującą uwagą jest to, że masa atomu jest w rzeczywistości nieco mniejsza niż masa wszystkich połączonych składników, ze względu na „energię wiązania” potrzebną do utrzymania razem jądra. Jest to jednak kolejna komplikacja, której tak naprawdę nie musisz brać pod uwagę w większości sytuacji.

Niższa liczba na bloku pierwiastka w układzie okresowym pierwiastków to średnia masa atomowa, która również różni się od masy wyrażonej w jednostkach masy atomowej. Jest to zasadniczo średnia ważona mas różnych izotopów pierwiastka, odpowiadająca za ich względną obfitość na Ziemi. W pewnym sensie jest to więc najdokładniejsza „ogólna” miara masy pierwiastka, ale w praktyce masa atomowa dowolnego konkretnego izotopu będzie liczbą całkowitą w jednostkach masy atomowej. W prostszych tablicach okresowych ta „liczba masowa atomowa” (ZA) jest używany zamiast średniej masy atomowej.

masa cząsteczkowa(lub, używając mniej dokładnego, ale również popularnego terminu, „masa cząsteczkowa”) to masa cząsteczki substancji w jednostkach masy atomowej. Obliczenie tego jest naprawdę proste: znajdujesz wzór chemiczny dla danej substancji, a następnie sumujesz masy atomowe atomów składowych. Na przykład metan składa się z jednego atomu węgla i czterech atomów wodoru, a więc ma połączoną masę tych składników. Jeden atom węgla-12 ma masę atomową 12, a każdy atom wodoru ma masę atomową 1, więc całkowita masa cząsteczkowa cząsteczki metanu wynosi 16 amu.

Masa molowa substancji to masa jednego mola substancji. Jest to oparte na liczbie Avogadro, która określa liczbę atomów lub cząsteczek w jednym molu substancji oraz definicję mola. Mol to ilość substancji, która sprawia, że ​​jej masa w gramach jest taka sama jak jej liczba masowa atomowa. Na przykład dla węgla 12 jeden mol ma masę 12 g.

Numer Avogadro to 6,022 × 10²³, a więc 12 g węgla-12 zawiera tyle atomów, a 4 g helu również zawiera tyle atomów. Ważne jest, aby pamiętać, że jeśli dana substancja jest cząsteczką (tj. czymś złożonym z więcej niż jednego atomu), liczba Avogadro określa liczbęmolekułyzamiast liczby atomów.

Daje to wszystko, co musisz wiedzieć, aby przejść przez przykład taki jak szklanka wody we wstępie. Szkło zawierało 200 ml, co odpowiada 200 g pod względem masy, oraz jedną cząsteczkę wody (wzór chemiczny H₂O) ma dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu, dla masy cząsteczkowej 18 amu i masy molowej 18 g. Aby znaleźć liczbę atomów, wystarczy podzielić masę przez masę mola, aby znaleźć liczbę moli, a następnie pomnożyć przez liczbę Avogadro, aby znaleźć liczbę cząsteczek. Na koniec, zauważając, że każda cząsteczka ma trzy atomy, mnożysz przez trzy, aby znaleźć liczbę pojedynczych atomów.

Praca z większą liczbą przykładów może pomóc w zrozumieniu kluczowych pojęć dotyczących masy atomowej. Najprostszym przykładem jest obliczenie masy prostego pierwiastka, takiego jak węgiel-12. Proces jest naprawdę prosty, jeśli myślisz wyłącznie w kategoriach amu, ale możesz również dość łatwo przeliczyć amu na kg, aby uzyskać bardziej znormalizowany pomiar masy węgla.

Powinieneś być w stanie obliczyć masę atomu węgla w amu w oparciu o to, czego już dowiedziałeś się z artykułu i zwracając uwagę, że w każdym atomie jest sześć protonów i sześć neutronów. Więc jaka jest masa atomu węgla w amu? Oczywiście to 12 amu. Dodajesz sześć protonów do sześciu neutronów i znajdujesz odpowiedź, ponieważ oba typy cząstek mają masę 1 amu.

Przeliczanie amu na kg jest również całkiem proste: 1 amu = 1,66 × 10⁻²⁷ kg, więc

To jestnaprawdęniewielka masa (i dlatego masa atomowa jest zwykle mierzona w amu), ale warto zauważyć, że masa elektronu to około 9 × 10⁻³¹, więc jasne jest, że nawet dodanie wszystkich 12 elektronów do masy atomu węgla nie spowodowałoby znaczącej różnicy.

Masa cząsteczkowa jest trochę bardziej skomplikowana niż samo obliczenie masy atomu, ale wystarczy you wystarczy spojrzeć na wzór chemiczny cząsteczki i połączyć masy poszczególnych atomów, aby znaleźć całkowity. Na przykład spróbuj obliczyć masę benzenu, który ma wzór chemiczny: C₆H₆, zauważając, że są to atomy węgla-12 i jest to zwykły izotop wodoru, a nie deuteru czy trytu.

Kluczem jest zauważenie, że masz sześć atomów węgla-12 i sześć atomów wodoru, więc masa cząsteczki wynosi:

Proces określania masy cząsteczkowej może być nieco bardziej skomplikowany w przypadku większych cząsteczek, ale zawsze przebiega w ten sam sposób.

Znalezienie średniej masy atomowej pierwiastka obejmuje uwzględnienie zarówno masy atomowejiwzględna obfitość określonego izotopu na Ziemi. Węgiel jest na to dobrym przykładem, ponieważ 98,9% całego węgla na Ziemi to węgiel-12, z czego 1,1% to węgiel-13, abardzomały procent to węgiel-14, który można bezpiecznie pominąć.

Proces rozpracowania tego jest całkiem prosty: pomnóż proporcję izotopu przez masę izotopu w amu, a następnie dodaj oba razem. Węgiel-12 jest najczęstszym izotopem węgla, więc można się spodziewać, że wynik będzie bardzo bliski 12 amu. Pamiętaj, aby przed obliczeniem przeliczyć wartości procentowe na ułamki dziesiętne (podziel je przez 100), a otrzymasz poprawną odpowiedź:

Ten wynik jest dokładnie tym, co znajdziesz w układzie okresowym pierwiastków, który zawiera średnią masę atomową, a nie masę najpowszechniejszego izotopu.