Атомная масса: определение, единицы и расчет

Все, с чем вы ежедневно взаимодействуете, в конечном итоге состоит из атомов. Например, в стакане воды объемом 200 мл содержится примерно 6,7 × 10²⁴ молекул, а поскольку количество атомов в каждой молекуле равно трем, всего их около 2 × 10²⁵ атомы только в одном стакане. Это 20 миллионов миллиардов миллиардов - число настолько велико, что вы даже не можете его представить, - и это всего лишь в небольшом стакане воды. Понимание этих крошечных составляющих материи - важный шаг к пониманию макроскопических свойств, с которыми мы знакомы изо дня в день.

Но как вы вообще можете рассчитать что-то вроде количества атомов в стакане воды? Уловка в этом конкретном случае заключалась в использованиимолярная массаводы, и известное количество атомов в моль любого вещества. Но молярная масса, в свою очередь, зависит отатомная единица массы, что абсолютно необходимо понять любому студенту, изучающему физику или химию. К счастью, это действительно упрощение фактической массы атома любого вещества, которая по сути говорит вам об относительной массе по сравнению с единичным нейтроном или протоном.

Атомы состоят из трех основных компонентов: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны существуют внутри ядра, которое представляет собой компактную структуру материи, которая находится в центре атома, а электроны существуют в виде «нечеткого облака» вокруг него. Между ядром и даже ближайшим электроном огромное пространство. Ядро имеет положительный заряд, потому что протоны заряжены положительно, а нейтроны нейтральны, а облако электронов несет отрицательный заряд, который уравновешивает заряд нейтрона.

Ядро содержит основную массу атома, потому что нейтроны и протоны намного тяжелее электронов. Фактически, протоны или нейтроны примерно в 1800 раз больше электронов, то есть намного больше, чем в во многих случаях вы можете спокойно пренебречь массой электрона, когда больше думаете об атомной массе в целом.

В периодической таблице перечислены все элементы (то есть типы атомов), встречающиеся в природе, начиная с самого простого, которым является атом водорода. Ватомный номератома (с учетом символаZ) сообщает вам, сколько протонов атома элемента имеет в своем ядре, и это верхнее число в соответствующем блоке периодической таблицы. Потому что он несет положительный заряд, а количество электронов (что является важной информацией, когда вы размышляя об атомной связи) должно быть равно этому основному общему электрическому нейтралитету, это число действительно характеризует элемент.

Могут быть разныеизотопыиз того же элемента, однако, которые имеют одинаковое количество протонов (и поэтому их можно разумно рассматривать как один и тот же элемент), но другое количество нейтронов. Они могут быть стабильными или нестабильными, что само по себе является интересной темой, но важно отметить на данный момент состоит в том, что разные изотопы имеют разные массы, но одинаковые общие свойства в большинстве других способами.

Хотя атомы в их обычной форме электрически нейтральны, некоторые атомы склонны приобретать или терять электроны, что может дать им чистый электрический заряд. Атомы, подвергшиеся одному из этих процессов, называются ионами.

Атомная масса обычно определяется в единицах атомной массы (а.е.м.). Официальное определение состоит в том, что 1 а.е.м. составляет 1/12 массы атома углерода-12. Здесь углерод-12 - это стандартный способ сказать «изотоп углерода с шестью протонами и шестью протонами. нейтронов », так что в конечном итоге вы можете думать об атомной единице массы как о массе протона или нейтрон. Итак, в некотором смысле массовое число атома - это количество протонов и нейтронов в ядре, и это означает, что оно не то же самое, что атомный номер,Z​.

Важно отметить, что по причинам, изложенным в предыдущем разделе, массой электронов в атоме пренебрегают, когда вы говорите об атомной массе в большинстве ситуаций. Еще одно интересное замечание: масса атома на самом деле немного меньше массы всех компонентов вместе взятых из-за «энергии связи», необходимой для удержания ядра вместе. Однако это еще одна сложность, о которой в большинстве ситуаций не нужно думать.

Нижнее число на блоке элемента в периодической таблице - это средняя атомная масса, которая также отличается от массы, выраженной в атомных единицах массы. По сути, это средневзвешенное значение масс различных изотопов элемента с учетом их относительной распространенности на Земле. Так что в некотором смысле это наиболее точная «общая» мера массы элемента, но на практике атомная масса любого конкретного изотопа будет целым числом в атомных единицах массы. В более простых периодических таблицах это «атомное массовое число» (А) вместо средней атомной массы.

Вмолекулярная масса(или, если использовать менее точный, но также общеупотребительный термин, «молекулярная масса») - это масса молекулы вещества в атомных единицах массы. Решить это действительно просто: вы находите химическую формулу рассматриваемого вещества, а затем складываете атомные массы составляющих атомов. Например, метан состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода, и поэтому он имеет массу этих компонентов вместе. Один атом углерода-12 имеет атомную массу 12, а каждый атом водорода имеет атомную массу 1, поэтому общая молекулярная масса молекулы метана составляет 16 а.е.м.

Молярная масса вещества - это масса одного моля вещества. Это основано на числе Авогадро, которое сообщает вам количество атомов или молекул в одном моль вещества, и на определении моля. Моль - это количество вещества, при котором его масса в граммах равна его атомному массовому числу. Так, например, для углерода-12 масса одного моля составляет 12 г.

Число Авогадро - 6,022 × 10.²³Таким образом, 12 г углерода-12 содержат такое же количество атомов, и точно так же 4 г гелия содержат такое же количество атомов. Важно помнить, что если рассматриваемое вещество является молекулой (то есть чем-то, состоящим из более чем одного атома), то число Авогадро сообщает вам количествомолекулыа не количество атомов.

Это дает вам все, что вам нужно знать, чтобы пройти через такой пример, как стакан воды во введении. Стакан содержал 200 мл, что по массе соответствует 200 г, и одну молекулу воды (химическая формула H₂O) имеет два атома водорода и один атом кислорода с молекулярной массой 18 а.е.м. и молярной массой 18 г. Итак, чтобы найти количество атомов, вы просто разделите массу на массу моля, чтобы найти количество молей, а затем умножьте на число Авогадро, чтобы найти количество молекул. Наконец, заметив, что каждая молекула имеет три атома, вы умножаете на три, чтобы найти количество отдельных атомов.

Работа над дополнительными примерами может помочь вам понять ключевые концепции атомной массы. Самый простой пример - определение массы простого элемента, такого как углерод-12. Этот процесс действительно прост, если вы думаете исключительно в единицах а.е.м., но вы также можете довольно легко преобразовать а.е. в кг, чтобы получить более стандартизированное измерение массы углерода.

Вы должны уметь рассчитать массу атома углерода в а.е.м., основываясь на том, что вы уже узнали из статьи, и отметив, что в каждом атоме шесть протонов и шесть нейтронов. Так какова масса атома углерода в а.е.м.? Конечно, 12 а.е.м. Вы добавляете шесть протонов к шести нейтронам и находите ответ, поскольку оба типа частиц имеют массу 1 а.е.м.

С этого момента преобразовать а.е.м. в кг тоже довольно просто: 1 а.е.м. = 1,66 × 10.⁻²⁷ кг, так что

ЭтоВ самом делекрошечная масса (и именно поэтому атомная масса обычно измеряется в а.е.м.), но стоит отметить, что масса электрона составляет около 9 × 10⁻³¹, поэтому ясно, что даже добавление всех 12 электронов к массе атома углерода не дало бы заметной разницы.

Молекулярный вес немного сложнее, чем просто вычислить массу атома, но все, что вам нужно нужно посмотреть на химическую формулу молекулы и объединить массы отдельных атомов, чтобы найти общее. Например, попробуйте вычислить массу бензола, имеющую химическую формулу: C₆ЧАС₆, отметив, что это атомы углерода-12, и это обычный изотоп водорода, а не дейтерий или тритий.

Ключ в том, чтобы заметить, что у вас есть шесть атомов углерода-12 и шесть атомов водорода, поэтому масса молекулы равна:

Процесс определения молекулярной массы может быть немного сложнее для более крупных молекул, но он всегда следует одному и тому же процессу.

Для определения средней атомной массы элемента необходимо учитывать как атомную массуа такжеотносительное содержание конкретного изотопа на Земле. Углерод является хорошим примером этого, потому что 98,9% всего углерода на Земле составляет углерод-12, 1,1% - углерод-13 иоченьнебольшой процент - углерод-14, которым можно спокойно пренебречь.

Процесс решения этого на самом деле довольно прост: умножьте долю изотопа на массу изотопа в а.е.м., а затем сложите два вместе. Углерод-12 - наиболее распространенный изотоп углерода, поэтому можно ожидать, что результат будет очень близок к 12 а.е.м. Не забудьте преобразовать проценты в десятичные числа (разделить их на 100) перед вычислением, и вы получите правильный ответ:

Это именно то, что вы найдете в периодической таблице, в которой указана средняя атомная масса, а не масса наиболее распространенного изотопа.