มวลอะตอม: ความหมาย หน่วย และวิธีการคำนวณ

ทุกสิ่งที่คุณโต้ตอบด้วยในแต่ละวันนั้นประกอบขึ้นเป็นอะตอมในที่สุด ตัวอย่างเช่น แก้วน้ำ 200 มล. ประกอบด้วยประมาณ 6.7 × 10²⁴ โมเลกุล และเนื่องจากจำนวนอะตอมในแต่ละโมเลกุลมีสาม จึงมีทั้งหมดประมาณ 2 × 10²⁵ อะตอมในแก้วเดียวนั้น นั่นคือ 20 ล้านล้านล้าน ซึ่งเป็นจำนวนที่มากจนคุณนึกภาพไม่ออก และนั่นก็อยู่ในแก้วน้ำที่ค่อนข้างเล็ก การทำความเข้าใจองค์ประกอบเล็กๆ น้อยๆ ของสสารเหล่านี้เป็นขั้นตอนสำคัญในการทำความเข้าใจคุณสมบัติมหภาคที่เราคุ้นเคยในแต่ละวัน

แต่คุณจะคำนวณบางอย่างเช่นจำนวนอะตอมในแก้วน้ำได้อย่างไร? เคล็ดลับในกรณีนี้คือการใช้มวลกรามของน้ำ และจำนวนอะตอมที่ทราบในโมลของสารใด ๆ แต่ในทางกลับกันมวลโมลาร์ก็ขึ้นอยู่กับหน่วยมวลอะตอมซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องเข้าใจสำหรับนักศึกษาวิชาฟิสิกส์หรือเคมี โชคดีที่นี่เป็นการลดความซับซ้อนของมวลจริงของอะตอมของสารใดๆ ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วจะบอกมวลสัมพัทธ์ให้คุณทราบเมื่อเปรียบเทียบกับนิวตรอนหรือโปรตอนตัวเดียว

อะตอมมีองค์ประกอบหลักสามประการ: โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน โปรตอนและนิวตรอนมีอยู่ภายในนิวเคลียส ซึ่งเป็นการจัดเรียงตัวของสสารที่ศูนย์กลางของอะตอม และอิเล็กตรอนมีอยู่ในรูป "เมฆคลุมเครือ" ที่ด้านนอก มีช่องว่างจำนวนมากระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้ที่สุด นิวเคลียสมีประจุเป็นบวก เนื่องจากโปรตอนมีประจุบวกและนิวตรอนมีความเป็นกลาง ในขณะที่กลุ่มเมฆของอิเล็กตรอนจะมีประจุลบที่ปรับสมดุลจากนิวตรอน

นิวเคลียสประกอบด้วยมวลอะตอมจำนวนมาก เนื่องจากนิวตรอนและโปรตอนมีน้ำหนักมากกว่าอิเล็กตรอนมาก อันที่จริง โปรตอนหรือนิวตรอนนั้นใหญ่กว่าอิเล็กตรอนประมาณ 1,800 เท่า ซึ่งใหญ่กว่าใน ในหลายกรณี คุณสามารถละเลยมวลของอิเล็กตรอนได้อย่างปลอดภัยเมื่อคุณคิดถึงมวลอะตอมมากขึ้น โดยทั่วไป

ตารางธาตุแสดงองค์ประกอบทั้งหมด (เช่น ประเภทของอะตอม) ที่พบในธรรมชาติ เริ่มจากที่ง่ายที่สุดคืออะตอมไฮโดรเจน ดิเลขอะตอมของอะตอม (ให้สัญลักษณ์Z) บอกคุณว่าอะตอมของธาตุมีโปรตอนกี่ตัวในนิวเคลียส และมันคือเลขบนของบล็อกที่เกี่ยวข้องในตารางธาตุ เนื่องจากสิ่งนี้มีประจุบวกและจำนวนอิเล็กตรอน (ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญเมื่อคุณ คิดเกี่ยวกับพันธะอะตอม) ต้องเท่ากับค่านี้กับค่าความเป็นกลางทางไฟฟ้าโดยรวม ตัวเลขนี้แสดงลักษณะเฉพาะของ ธาตุ.

มีความแตกต่างกันไอโซโทปของธาตุเดียวกัน อย่างไรก็ตาม ซึ่งมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน (และสามารถคิดอย่างสมเหตุสมผลว่าเป็นองค์ประกอบเดียวกัน) แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน เหล่านี้อาจจะหรืออาจจะไม่เสถียรซึ่งเป็นหัวข้อที่น่าสนใจในตัวเอง แต่สิ่งสำคัญที่ควรทราบ สำหรับตอนนี้คือไอโซโทปที่แตกต่างกันมีมวลต่างกัน แต่คุณสมบัติโดยรวมเหมือนกันในส่วนใหญ่ วิธี

แม้ว่าอะตอมในรูปแบบปกติจะเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่อะตอมบางตัวมีแนวโน้มที่จะได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอน ซึ่งสามารถทำให้เกิดประจุไฟฟ้าสุทธิแก่พวกมันได้ อะตอมที่ผ่านกระบวนการเหล่านี้อย่างใดอย่างหนึ่งเรียกว่าไอออน

มวลอะตอมถูกกำหนดโดยทั่วไปในแง่ของหน่วยมวลอะตอม (amu) คำจำกัดความอย่างเป็นทางการคือ 1 amu คือ 1/12 ของมวลของอะตอมคาร์บอน-12 ในที่นี้ คาร์บอน-12 เป็นวิธีมาตรฐานในการพูดว่า “ไอโซโทปของคาร์บอนที่มีโปรตอนหกตัวและหก นิวตรอน” ดังนั้น ท้ายที่สุดคุณสามารถนึกถึงหน่วยมวลอะตอมว่าเป็นมวลของโปรตอนหรือ นิวตรอน ในทางหนึ่ง เลขมวลอะตอมคือจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส ซึ่งหมายความว่ามันไม่เหมือนกับเลขอะตอมZ​.

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่า ด้วยเหตุผลที่อธิบายไว้ในส่วนสุดท้าย มวลของอิเล็กตรอนในอะตอมถูกละเลยเมื่อคุณพูดถึงมวลอะตอมในสถานการณ์ส่วนใหญ่ ข้อสังเกตที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งคือมวลของอะตอมนั้นจริง ๆ แล้วน้อยกว่ามวลของส่วนประกอบทั้งหมดรวมกันเล็กน้อย เนื่องจาก "พลังงานผูกมัด" ที่ใช้ในการยึดนิวเคลียสไว้ด้วยกัน อย่างไรก็ตาม นี่เป็นอีกหนึ่งภาวะแทรกซ้อนที่คุณไม่จำเป็นต้องพิจารณาในสถานการณ์ส่วนใหญ่

ตัวเลขที่ต่ำกว่าบนบล็อกของธาตุในตารางธาตุคือมวลอะตอมเฉลี่ย ซึ่งแตกต่างจากมวลที่แสดงในหน่วยมวลอะตอม นี่คือค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักของมวลของไอโซโทปที่แตกต่างกันของธาตุ โดยพิจารณาจากความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์บนโลก ดังนั้น ในแง่หนึ่ง นี่คือการวัด "โดยรวม" ที่แม่นยำที่สุดสำหรับมวลของธาตุ แต่ในทางปฏิบัติมวลอะตอมของไอโซโทปเฉพาะใดๆ จะเป็นจำนวนเต็มในหน่วยมวลอะตอม ในตารางธาตุที่ง่ายกว่านี้ “เลขมวลอะตอม” (อา) ใช้แทนมวลอะตอมเฉลี่ย

ดิมวลโมเลกุล(หรือจะใช้คำที่มีความแม่นยำน้อยกว่าแต่ยังใช้กันทั่วไปว่า “น้ำหนักโมเลกุล”) คือมวลของโมเลกุลของสารในหน่วยมวลอะตอม การทำงานนี้ง่ายมาก: คุณพบสูตรทางเคมีของสารที่เป็นปัญหา แล้วรวมมวลอะตอมของอะตอมที่เป็นส่วนประกอบเข้าด้วยกัน ตัวอย่างเช่น มีเทนประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนหนึ่งอะตอมและอะตอมของไฮโดรเจนสี่อะตอม ดังนั้นจึงมีมวลของส่วนประกอบเหล่านี้รวมกัน อะตอมของคาร์บอน-12 หนึ่งอะตอมมีมวลอะตอมเท่ากับ 12 และอะตอมของไฮโดรเจนแต่ละอะตอมมีมวลอะตอมเท่ากับ 1 ดังนั้นมวลโมเลกุลรวมของโมเลกุลมีเทนคือ 16 อะตอม

มวลโมลของสารคือมวลของสารหนึ่งโมล ค่านี้อิงจากเลขอาโวกาโดร ซึ่งจะบอกจำนวนอะตอมหรือโมเลกุลในหนึ่งโมลของสาร และคำจำกัดความของโมล โมลคือปริมาณของสารที่ทำให้มวลเป็นกรัมเท่ากับเลขมวลอะตอม ตัวอย่างเช่น สำหรับคาร์บอน-12 หนึ่งโมลมีมวล 12 กรัม

หมายเลขของ Avogadro คือ 6.022 × 10²³ดังนั้นคาร์บอน -12 12 กรัมจึงมีอะตอมจำนวนมาก และในทำนองเดียวกัน ฮีเลียม 4 กรัมก็มีอะตอมจำนวนมากเช่นกัน สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าหากสารที่เป็นปัญหานั้นเป็นโมเลกุล (เช่น บางสิ่งที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่าหนึ่งอะตอม) ตัวเลขของ Avogadro จะบอกจำนวนให้คุณทราบโมเลกุลมากกว่าจำนวนอะตอม

สิ่งนี้จะให้ทุกสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้เพื่อดูตัวอย่างเช่นแก้วน้ำในบทนำ แก้วบรรจุ 200 มล. ซึ่งเท่ากับ 200 กรัมในแง่ของมวล และหนึ่งโมเลกุลของน้ำ (สูตรทางเคมี H₂O) มีไฮโดรเจนสองอะตอมและออกซิเจนหนึ่งอะตอม สำหรับมวลโมเลกุล 18 amu และมวลโมลาร์ 18 กรัม ในการหาจำนวนอะตอม คุณก็แค่หารมวลด้วยมวลของโมลเพื่อหาจำนวนโมล แล้วคูณด้วยจำนวนอโวกาโดรเพื่อหาจำนวนโมเลกุล สุดท้าย โดยสังเกตว่าแต่ละโมเลกุลมีสามอะตอม คุณคูณด้วยสามเพื่อหาจำนวนอะตอมแต่ละตัว

การทำงานกับตัวอย่างเพิ่มเติมสามารถช่วยให้คุณเข้าใจแนวคิดหลักเกี่ยวกับมวลอะตอม ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดคือการหามวลของธาตุธรรมดาอย่างคาร์บอน-12 กระบวนการนี้ตรงไปตรงมามาก หากคุณคิดในแง่ของ amu เพียงอย่างเดียว แต่คุณยังสามารถแปลง amu เป็น kg ได้อย่างง่ายดาย เพื่อให้ได้การวัดมวลคาร์บอนที่เป็นมาตรฐานมากขึ้น

คุณควรจะสามารถคำนวณมวลของอะตอมของคาร์บอนใน amu ตามสิ่งที่คุณได้เรียนรู้จากบทความแล้ว และสังเกตว่ามีโปรตอนหกตัวและนิวตรอนหกตัวในแต่ละอะตอม ดังนั้นมวลของอะตอมคาร์บอนใน amu คืออะไร? แน่นอนว่ามันคือ 12 โมงเช้า คุณบวกโปรตอนหกตัวในหกนิวตรอนและหาคำตอบ เนื่องจากอนุภาคทั้งสองชนิดมีมวล 1 amu

การแปลง amu เป็น kg ก็ค่อนข้างง่ายจากจุดนี้เช่นกัน: 1 amu = 1.66 × 10⁻²⁷ กิโลกรัมดังนั้น

มันคือจริงๆมวลเล็ก ๆ (และนั่นเป็นสาเหตุที่มวลอะตอมมักจะวัดเป็น amu แทน) แต่ก็น่าสังเกตว่ามวลของอิเล็กตรอนมีค่าประมาณ 9 × 10⁻³¹ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าแม้แต่การเพิ่มอิเล็กตรอนทั้ง 12 ตัวเข้ากับมวลของอะตอมคาร์บอนก็ไม่ทำให้เกิดความแตกต่างอย่างเด่นชัด

น้ำหนักโมเลกุลนั้นซับซ้อนกว่าการคำนวณมวลของอะตอมเล็กน้อย แต่คุณต้องทำทั้งหมด ดูที่สูตรเคมีของโมเลกุลและรวมมวลของอะตอมแต่ละตัวเพื่อหา to รวม. เช่น ลองคำนวณมวลเบนซีนซึ่งมีสูตรทางเคมีว่า C₆โฮ₆โดยสังเกตว่าพวกมันเป็นอะตอมของคาร์บอน-12 และเป็นไอโซโทปธรรมดาของไฮโดรเจนแทนที่จะเป็นดิวเทอเรียมหรือทริเทียม

กุญแจสำคัญคือการสังเกตว่าคุณมีคาร์บอน-12 หกอะตอมและไฮโดรเจนหกอะตอม ดังนั้นมวลของโมเลกุลคือ

กระบวนการค้นหาน้ำหนักโมเลกุลอาจซับซ้อนขึ้นเล็กน้อยสำหรับโมเลกุลที่ใหญ่กว่า แต่ก็เป็นไปตามกระบวนการเดียวกันนี้เสมอ

การหามวลอะตอมเฉลี่ยของธาตุนั้นเกี่ยวข้องกับการพิจารณาทั้งมวลอะตอมและความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ของไอโซโทปจำเพาะบนโลก คาร์บอนเป็นตัวอย่างที่ดีสำหรับเรื่องนี้ เพราะ 98.9 เปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนทั้งหมดบนโลกคือคาร์บอน-12 โดย 1.1 เปอร์เซ็นต์เป็นคาร์บอน-13 และมากเปอร์เซ็นต์คาร์บอน-14 เพียงเล็กน้อยซึ่งสามารถละเลยได้อย่างปลอดภัย

ขั้นตอนการทำงานค่อนข้างตรงไปตรงมา: คูณสัดส่วนของไอโซโทปด้วยมวลของไอโซโทปใน amu แล้วบวกทั้งสองเข้าด้วยกัน คาร์บอน-12 เป็นไอโซโทปคาร์บอนที่พบมากที่สุด ดังนั้นคุณคาดว่าผลลัพธ์จะใกล้เคียงกับ 12 amu มาก อย่าลืมแปลงเปอร์เซ็นต์เป็นทศนิยม (หารด้วย 100) ก่อนคำนวณ แล้วคุณจะได้คำตอบที่ถูกต้อง:

ผลลัพธ์นี้คือสิ่งที่คุณจะพบได้ในตารางธาตุซึ่งแสดงมวลอะตอมเฉลี่ยมากกว่ามวลของไอโซโทปทั่วไป