Atómová hmotnosť: definícia, jednotky a spôsob výpočtu

Všetko, s čím dennodenne komunikujete, je nakoniec tvorené atómami. Napríklad 200 ml pohár vody obsahuje asi 6,7 × 10²⁴ molekúl, a keďže počet atómov v každej molekule je tri, celkovo ich je asi 2 × 10²⁵ atómy len v tom jednom pohári. To je 20 miliónov miliárd miliárd - číslo také veľké, že si to ani poriadne neviete predstaviť - a to len v celkom malom pohári vody. Pochopenie týchto drobných zložiek hmoty je zásadným krokom k pochopeniu makroskopických vlastností, ktoré dennodenne poznáme.

Ako však môžete vôbec vypočítať niečo ako počet atómov v pohári vody? Trik v tomto konkrétnom prípade spočíval v použitímolárna hmotavody a známy počet atómov v móle akejkoľvek látky. Ale molárna hmotnosť zase závisí odjednotka atómovej hmotnosti, čo je pre každého študenta fyziky alebo chémie úplne zásadné. Našťastie sa jedná o skutočne zjednodušenie skutočnej hmotnosti atómu akejkoľvek látky, ktoré vám v podstate povie relatívnu hmotnosť v porovnaní s jediným neutrónom alebo protónom.

Atómy majú tri hlavné zložky: protóny, neutróny a elektróny. Protóny a neutróny existujú vo vnútri jadra, čo je kompaktné usporiadanie hmoty, ktoré leží v strede atómu, a elektróny existujú ako „fuzzy mrak“ okolo jeho vonkajšej strany. Medzi jadrom a dokonca aj najbližším elektrónom je obrovské množstvo priestoru. Jadro má pozitívny náboj, pretože protóny sú pozitívne nabité a neutróny neutrálne, zatiaľ čo oblak elektrónov nesie negatívny náboj, ktorý ho vyrovnáva z neutrónu.

Jadro obsahuje väčšinu hmotnosti atómu, pretože neutróny a protóny sú oveľa, oveľa ťažšie ako elektróny. V skutočnosti sú protóny alebo neutróny asi 1 800-krát väčšie ako elektróny, teda oveľa väčšie ako v v mnohých prípadoch môžete bezpečne zanedbať hmotnosť elektrónu, keď viac premýšľate o atómovej hmotnosti všeobecne.

Periodická tabuľka obsahuje zoznam všetkých prvkov (tj. Typov atómov) nájdených v prírode, počnúc od najjednoduchšieho, ktorým je atóm vodíka. Theatómové čísloatómu (daný symbolomZ) vám povie, koľko protónov má atóm pre prvok v jadre, a je to najvyššie číslo v príslušnom bloku v periodickej tabuľke. Pretože tento nosič nesie kladný náboj a počet elektrónov (čo je v prípade, že ste, podstatná informácia) premýšľať o atómovej väzbe) sa musí rovnať tomuto s celkovou celkovou elektrickou neutralitou, toto číslo skutočne charakterizuje element.

Môžu byť rôzneizotopyrovnakého prvku, ktoré však majú rovnaký počet protónov (a dá sa teda rozumne považovať za rovnaký prvok), ale odlišný počet neutrónov. Môžu, ale nemusia byť stabilné, čo je samo osebe zaujímavá téma, ale treba si ich uvedomiť nateraz je to tak, že rôzne izotopy majú rozdielne hmotnosti, ale rovnaké všeobecné vlastnosti vo väčšine ostatných spôsoby.

Aj keď sú atómy v bežnej forme elektricky neutrálne, niektoré atómy sú náchylné na získanie alebo stratu elektrónov, čo im môže dať čistý elektrický náboj. Atómy, ktoré prešli jedným z týchto procesov, sa nazývajú ióny.

Atómová hmotnosť je všeobecne definovaná v jednotkách atómovej hmotnosti (amu). Oficiálna definícia je taká, že 1 amu je 1/12 hmotnosti atómu uhlíka-12. Uhlík-12 tu predstavuje štandardný spôsob vyjadrenia „izotopu uhlíka so šiestimi protónmi a šiestimi neutróny, “takže v konečnom dôsledku môžete o jednotke atómovej hmotnosti uvažovať ako o hmotnosti protónu alebo neutrón. Svojím spôsobom teda číslo atómovej hmotnosti predstavuje počet protónov a neutrónov v jadre, čo znamená, že nie je to isté ako atómové číslo,Z​.

Je dôležité poznamenať, že z dôvodov vysvetlených v poslednej časti je hmotnosť elektrónov v atóme zanedbávaná, keď hovoríte o atómovej hmotnosti vo väčšine situácií. Ďalšou zaujímavou poznámkou je, že hmotnosť atómu je v skutočnosti o niečo menšia ako hmotnosť všetkých zložiek dohromady, a to kvôli „väzobnej energii“ potrebnej na udržanie jadra pohromade. Toto je však ďalšia komplikácia, ktorú vo väčšine situácií nemusíte brať do úvahy.

Nižšie číslo na bloku prvku v periodickej tabuľke je priemerná atómová hmotnosť, ktorá sa tiež líši od hmotnosti vyjadrenej v jednotkách atómovej hmotnosti. Toto je v podstate vážený priemer hmotností rôznych izotopov prvku, zodpovedajúci ich relatívnej hojnosti na Zemi. V istom zmysle ide o najpresnejšiu „celkovú“ mieru hmotnosti prvku, ale v praxi bude atómová hmotnosť konkrétneho izotopu celé číslo v jednotkách atómovej hmotnosti. Na jednoduchších periodických tabuľkách toto „číslo atómovej hmotnosti“ (A) sa používa namiesto priemernej atómovej hmotnosti.

Themolekulová hmotnosť(alebo, aby sme použili menej presný, ale aj bežný výraz „molekulová hmotnosť“), je hmotnosť molekuly látky v jednotkách atómovej hmotnosti. Vypracovanie tohto postupu je skutočne jednoduché: Nájdete chemický vzorec pre danú látku a potom spojíte atómové hmotnosti jednotlivých atómov. Napríklad metán sa skladá z jedného atómu uhlíka a štyroch atómov vodíka, a teda má kombináciu hmotnosti týchto zložiek. Jeden atóm uhlíka-12 má atómovú hmotnosť 12 a každý atóm vodíka má atómovú hmotnosť 1, takže celková molekulová hmotnosť molekuly metánu je 16 amu.

Molárna hmotnosť látky je hmotnosť jedného molu látky. Toto je založené na Avogadrovom čísle, ktoré vám povie počet atómov alebo molekúl v jednom móle látky a definíciu móla. Krtek je množstvo látky, ktoré robí jej hmotnosť v gramoch rovnakou ako jej číslo atómovej hmotnosti. Napríklad pre uhlík-12 má jeden mol hmotnosť 12 g.

Číslo spoločnosti Avogadro je 6,022 × 10²³, a teda 12 g uhlíka-12 obsahuje toľko atómov a rovnako 4 g hélia obsahuje tiež toľko atómov. Je dôležité mať na pamäti, že ak je príslušnou látkou molekula (t. J. Niečo zložené z viac ako jedného atómu), potom číslo Avogadra informuje o počtemolekulyskôr ako počet atómov.

Získate tak všetko, čo potrebujete vedieť, aby ste si v úvode prešli príkladom, ako je napríklad pohár vody. Sklo obsahovalo 200 ml, čo zodpovedá 200 g, čo sa týka hmotnosti, a jednu molekulu vody (chemický vzorec H₂O) má dva atómy vodíka a jeden atóm kyslíka pre molekulovú hmotnosť 18 amu a molárnu hmotnosť 18 g. Ak chcete zistiť počet atómov, jednoducho vydelením hmotnosti hmotnosťou móla zistíte počet mólov a potom vynásobením Avogadrovým počtom zistíte počet molekúl. Na záver upozorňujeme, že každá molekula má tri atómy, vynásobením tromi získate počet jednotlivých atómov.

Práca na ďalších príkladoch vám môže pomôcť pochopiť kľúčové pojmy o atómovej hmotnosti. Najjednoduchším príkladom je výpočet hmotnosti jednoduchého prvku, ako je uhlík-12. Tento proces je skutočne priamy, ak uvažujete iba o amu, ale môžete tiež ľahko previesť amu na kg, aby ste získali štandardizovanejšie meranie hmotnosti uhlíka.

Mali by ste byť schopní vypočítať hmotnosť atómu uhlíka v amu na základe toho, čo ste sa už dozvedeli z článku, a za zmienku, že v každom atóme je šesť protónov a šesť neutrónov. Aká je teda hmotnosť atómu uhlíka v amu? Samozrejme, je to 12 amu. Pridáte šesť protónov k šiestim neutrónom a nájdete odpoveď, pretože oba typy častíc majú hmotnosť 1 amu.

Prepočet amu na kg je aj od tohto bodu dosť jednoduché: 1 amu = 1,66 × 10⁻²⁷ kg, takže

Toto jenaozajnepatrná hmotnosť (a preto sa atómová hmotnosť namiesto toho zvyčajne meria v amu), ale stojí za zmienku, že hmotnosť elektrónu je asi 9 × 10⁻³¹, takže je jasné, že ani pridanie všetkých 12 elektrónov k hmotnosti atómu uhlíka by nemalo výrazný rozdiel.

Molekulová hmotnosť je o niečo komplikovanejšia ako len zisťovanie hmotnosti atómu, ale všetko, čo musíte urobiť je pozrieť sa na chemický vzorec molekuly a spojiť hmotnosti jednotlivých atómov, aby ste našli Celkom. Skúste napríklad vypočítať hmotnosť benzénu, ktorý má chemický vzorec: C₆H₆s tým, že sú to atómy uhlíka - 12 a je to bežný izotop vodíka namiesto deutéria alebo trícia.

Kľúčom je všimnutie si, že máte šesť atómov uhlíka-12 a šesť vodíka, takže hmotnosť molekuly je:

Proces hľadania molekulovej hmotnosti sa môže pre väčšie molekuly trochu skomplikovať, ale vždy nasleduje rovnaký proces.

Nájsť priemernú atómovú hmotnosť prvku znamená zohľadniť tak atómovú hmotnosťarelatívna hojnosť špecifického izotopu na Zemi. Uhlík je toho dobrým príkladom, pretože 98,9 percenta všetkého uhlíka na Zemi je uhlík-12, pričom 1,1 percenta je uhlík-13 aveľmimalé percento predstavuje uhlík-14, čo možno bezpečne zanedbať.

Postup, ako to vyriešiť, je v skutočnosti celkom priamy: Vynásobte podiel izotopu hmotnosťou izotopu v amu a potom tieto dva faktory spočítajte. Uhlík-12 je najbežnejším izotopom uhlíka, takže by ste očakávali, že výsledok bude veľmi blízko k hodnote 12 amu. Nezabudnite pred výpočtom previesť percentá na desatinné miesta (vydeliť ich 100) a dostanete správnu odpoveď:

Tento výsledok je presne to, čo nájdete v periodickej tabuľke, ktorá uvádza skôr priemernú atómovú hmotnosť ako hmotnosť najbežnejšieho izotopu.