งานทั่วไปอย่างหนึ่งที่คุณต้องทำในฐานะนักวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่ที่สามารถทำงานกับข้อมูลได้คือการทำความเข้าใจแนวคิดเรื่องค่าเฉลี่ย บ่อยครั้ง คุณจะพบตัวอย่างของวัตถุที่คล้ายคลึงกันซึ่งแตกต่างกันไปตามลักษณะเฉพาะที่คุณกำลังศึกษาอยู่ เช่น มวล
คุณอาจต้องคำนวณมวลเฉลี่ยของกลุ่มวัตถุที่คุณไม่สามารถชั่งน้ำหนักได้โดยตรง เช่น อะตอม
อะตอม 92 ส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นในธรรมชาติมาในรูปแบบที่แตกต่างกันเล็กน้อยสองรูปแบบหรือมากกว่านั้นเรียกว่าไอโซโทป ไอโซโทปของธาตุเดียวกันต่างกันในจำนวนนิวตรอนที่มีอยู่ในนิวเคลียสเท่านั้น
อาจเป็นประโยชน์หากนำหลักการเหล่านี้ทั้งหมดมารวมกันเพื่อสร้างมวลเฉลี่ยของการเลือกอะตอมที่ดึงมาจากแหล่งรวมของไอโซโทปที่แตกต่างกัน
อะตอมคืออะไร?
อะตอมเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบซึ่งประกอบด้วยคุณสมบัติทั้งหมดขององค์ประกอบนั้น อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนที่โคจรรอบด้วยอิเล็กตรอนเกือบไม่มีมวล
โปรตอนและนิวตรอนมีน้ำหนักเท่ากัน โปรตอนแต่ละตัวมีประจุไฟฟ้าบวกที่มีขนาดเท่ากันและอยู่ตรงข้ามกับอิเล็กตรอน (ลบ) ในขณะที่นิวตรอนไม่มีประจุสุทธิ
อะตอมมีลักษณะเด่นด้วยเลขอะตอม ซึ่งเป็นเพียงจำนวนโปรตอนในอะตอม การเพิ่มหรือการลบอิเล็กตรอนจะสร้างอะตอมที่มีประจุที่เรียกว่าไอออน ในขณะที่การเปลี่ยนจำนวนนิวตรอนจะสร้างไอโซโทปของอะตอมและด้วยเหตุนี้องค์ประกอบจึงเป็นปัญหา
ไอโซโทปและจำนวนมวล
เลขมวลของอะตอมคือจำนวนโปรตอนบวกนิวตรอนที่มี ตัวอย่างเช่น โครเมียม (Cr) มีโปรตอน 24 ตัว (จึงกำหนดองค์ประกอบเป็นโครเมียม) และอยู่ในรูปแบบที่เสถียรที่สุด นั่นคือไอโซโทปที่ปรากฏบ่อยที่สุดในธรรมชาติ มี 28 นิวตรอน เลขมวลของมันคือ 52
ไอโซโทปของธาตุจะถูกระบุด้วยเลขมวลเมื่อเขียนออกมา ดังนั้นไอโซโทปของคาร์บอนที่มี 6 โปรตอนและ 6 นิวตรอนจึงเป็นคาร์บอน -12 ในขณะที่ไอโซโทปที่หนักกว่าที่มีนิวตรอนเพิ่มขึ้นหนึ่งตัวคือคาร์บอน -13
ธาตุส่วนใหญ่เกิดจากการผสมกันของไอโซโทปกับไอโซโทปที่มีไอโซโทปที่มีองค์ประกอบเด่นกว่าไอโซโทปอื่นๆ ในแง่ของ "ความนิยม" ตัวอย่างเช่น 99.76 เปอร์เซ็นต์ของออกซิเจนที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติคือออกซิเจน -16 อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบบางอย่าง เช่น คลอรีนและทองแดง แสดงการกระจายตัวของไอโซโทปที่กว้างขึ้น
สูตรมวลเฉลี่ย
ค่าเฉลี่ยทางคณิตศาสตร์เป็นเพียงผลรวมของผลลัพธ์แต่ละรายการในกลุ่มตัวอย่างหารด้วยจำนวนรายการทั้งหมดในตัวอย่าง ตัวอย่างเช่น ในชั้นเรียนที่มีนักเรียนห้าคนที่ได้คะแนนแบบทดสอบ 3, 4, 5, 2 และ 5 ค่าเฉลี่ยของชั้นเรียนในแบบทดสอบจะเป็น
\frac{3+4+5+2+5}{5}=3.8
สมการมวลเฉลี่ยสามารถเขียนได้หลายวิธี และในบางกรณี คุณจำเป็นต้องทราบคุณลักษณะที่เกี่ยวข้องกับค่าเฉลี่ย เช่น ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน สำหรับตอนนี้ ให้เน้นที่คำจำกัดความพื้นฐาน
ค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักและไอโซโทป
การรู้เศษส่วนสัมพัทธ์ของแต่ละไอโซโทปขององค์ประกอบเฉพาะที่เกิดขึ้นในธรรมชาติทำให้คุณสามารถคำนวณมวลอะตอมของธาตุนั้น ซึ่งเนื่องจากเป็นค่าเฉลี่ย ไม่ใช่มวลของอะตอมใดอะตอมหนึ่ง แต่เป็นตัวเลขที่อยู่ระหว่างไอโซโทปที่หนักที่สุดและเบาที่สุดที่มีอยู่
ถ้าไอโซโทปทั้งหมดมีปริมาณเท่ากัน คุณก็บวกมวลของไอโซโทปแต่ละชนิดแล้วหารด้วยจำนวนของไอโซโทปชนิดต่างๆ ที่มีอยู่ (โดยปกติคือสองหรือสาม)
มวลอะตอมเฉลี่ยที่กำหนดในหน่วยมวลอะตอม (amu) จะคล้ายกับเลขมวลเสมอ แต่ไม่ใช่จำนวนเต็ม
มวลอะตอมเฉลี่ย: ตัวอย่าง
Chlorine-35 มีมวลอะตอมเท่ากับ 34.969 amu และคิดเป็น 75.77% ของคลอรีนบนโลก
Chlorine-37 มีมวลอะตอมเท่ากับ 36.966 amu และมีความสมบูรณ์ร้อยละ 24.23%
ในการคำนวณมวลอะตอมเฉลี่ยของคลอรีน ให้ใช้ข้อมูลในตารางธาตุของธาตุ (ดูข้อมูล) เพื่อหาค่าเฉลี่ย (ถ่วงน้ำหนัก) แต่เปลี่ยนเปอร์เซ็นต์เป็นทศนิยม:
(34.969 \ครั้ง 0.7577) + (36.966 \ครั้ง 0.2423) = 35.45\text{ amu}