Atomik Kütle: Tanım, Birimler ve Nasıl Hesaplanır

Günlük olarak etkileşime girdiğiniz her şey nihayetinde atomlardan oluşur. Örneğin 200 mL'lik bir bardak su yaklaşık 6.7 × 10²⁴ moleküller ve her moleküldeki atom sayısı üç olduğundan, toplamda yaklaşık 2 × 10²⁵ sadece bir bardaktaki atomlar. Bu 20 milyon milyar milyar – hayal bile edemeyeceğiniz kadar büyük bir sayı – ve bu sadece oldukça küçük bir bardak suda. Maddenin bu küçük bileşenlerini anlamak, her gün aşina olduğumuz makroskobik özellikleri anlamak için çok önemli bir adımdır.

Ama bir bardak sudaki atom sayısı gibi bir şeyi nasıl hesaplayabilirsiniz? Bu özel durumda hile kullanmaktımolar kütlesu ve herhangi bir maddenin bir molündeki bilinen atom sayısı. Ancak molar kütle, sırayla, bağlıdırAtomik kütle birimi, herhangi bir fizik veya kimya öğrencisi için anlamak kesinlikle çok önemlidir. Neyse ki, bu gerçekten herhangi bir maddenin atomunun gerçek kütlesinin basitleştirilmesidir, bu da size esasen tek bir nötron veya protona kıyasla göreceli kütleyi söyler.

Atomların üç ana bileşeni vardır: protonlar, nötronlar ve elektronlar. Protonlar ve nötronlar, atomun merkezinde bulunan maddenin kompakt bir düzenlemesi olan çekirdeğin içinde bulunur ve elektronlar, onun dışında "bulanık bir bulut" olarak bulunur. Çekirdek ile en yakın elektron arasında bile büyük miktarda boşluk vardır. Çekirdeğin pozitif bir yükü vardır, çünkü protonlar pozitif yüklüdür ve nötronlar nötrdür, elektron bulutu ise nötrondan gelen bunu dengeleyen negatif bir yük taşır.

Nötronlar ve protonlar elektronlardan çok, çok daha ağır olduklarından, çekirdek atomun kütlesinin büyük kısmını içerir. Aslında, ya protonlar ya da nötronlar elektronlardan yaklaşık 1.800 kat daha büyüktür; birçok durumda atom kütlesi hakkında düşünürken elektronun kütlesini güvenle ihmal edebilirsiniz. genel olarak.

Periyodik tablo, hidrojen atomu olan en basitinden başlayarak, doğada bulunan tüm elementleri (yani atom türlerini) listeler.atomik numarabir atomun (sembol verilenZ) size elementin atomunun çekirdeğinde kaç proton olduğunu söyler ve periyodik tablodaki ilgili blokta en üstteki sayıdır. Çünkü bu, pozitif yükü ve elektron sayısını taşır (bu, hareket halindeyken önemli bir bilgi parçasıdır). Atomik bağ hakkında düşünmek) buna ana genel elektriksel nötrlüğe eşit olmalıdır, bu sayı gerçekten öğe.

Farklı olabilirizotoplarBununla birlikte, aynı sayıda protona sahip olan (ve bu nedenle makul olarak aynı element olarak düşünülebilir), ancak farklı sayıda nötron bulunan aynı elementten. Bunlar istikrarlı olabilir veya olmayabilir, bu başlı başına ilginç bir konudur, ancak dikkat edilmesi gereken önemli nokta şimdilik, farklı izotopların farklı kütlelere sahip olduğu, ancak diğer birçok izotopta aynı genel özelliklere sahip olduğudur. yollar.

Her ne kadar atomlar olağan formlarında elektriksel olarak nötr olsalar da, bazı atomlar elektron kazanmaya veya kaybetmeye eğilimlidir, bu da onlara net bir elektrik yükü verebilir. Bu işlemlerden birine maruz kalan atomlara iyon denir.

Atom kütlesi genellikle atomik kütle birimleri (amu) cinsinden tanımlanır. Resmi tanım, 1 amu'nun bir karbon-12 atomunun kütlesinin 1/12'si olmasıdır. Burada karbon-12, "altı protonlu ve altı protonlu karbon izotopu" demenin standart yoludur. nötronlar”, böylece nihayetinde bir atomik kütle birimini bir protonun veya bir nötron. Yani, bir bakıma atom kütle numarası, çekirdekteki proton ve nötron sayısıdır ve bu, atom numarası ile aynı olmadığı anlamına gelir,Z​.

Son bölümde açıklanan nedenlerle, çoğu durumda atom kütlesinden bahsederken atomdaki elektronların kütlesinin ihmal edildiğini belirtmek önemlidir. Bir başka ilginç not da, bir atomun kütlesinin, çekirdeği bir arada tutmak için gereken “bağlanma enerjisi” nedeniyle, aslında tüm bileşenlerin kütlesinden biraz daha az olmasıdır. Ancak bu, çoğu durumda gerçekten göz önünde bulundurmanız gerekmeyen başka bir komplikasyondur.

Periyodik tablodaki bir elementin bloğundaki daha düşük sayı, aynı zamanda atomik kütle birimlerinde ifade edilen kütleden farklı olan ortalama atom kütlesidir. Bu, esasen, bir elementin farklı izotoplarının kütlelerinin ağırlıklı ortalamasıdır ve dünyadaki göreceli bolluklarını hesaba katar. Yani bir anlamda bu, bir elementin kütlesinin en doğru "genel" ölçüsüdür, ancak pratikte herhangi bir belirli izotopun atom kütlesi, atomik kütle birimlerinde bir tam sayı olacaktır. Daha basit periyodik tablolarda, bu "atom kütle numarası" (bir) ortalama atom kütlesi yerine kullanılır.

moleküler kütle(veya daha az doğru fakat aynı zamanda yaygın bir terim kullanmak gerekirse, "moleküler ağırlık"), bir maddenin molekülünün atomik kütle birimlerindeki kütlesidir. Bunu çözmek gerçekten çok basit: Söz konusu maddenin kimyasal formülünü buluyorsunuz ve ardından kurucu atomların atom kütlelerini bir araya getiriyorsunuz. Örneğin metan, bir karbon atomu ve dört hidrojen atomundan oluşur ve bu nedenle bu bileşenlerin kütlesi birleştirilir. Bir karbon-12 atomunun atom kütlesi 12'dir ve her hidrojen atomunun atomik kütlesi 1'dir, dolayısıyla bir metan molekülünün toplam moleküler kütlesi 16 amu'dur.

Bir maddenin molar kütlesi, maddenin bir molünün kütlesidir. Bu, size bir maddenin bir molündeki atom veya moleküllerin sayısını ve bir molün tanımını söyleyen Avogadro sayısına dayanmaktadır. Bir mol, gram olarak kütlesini atom kütle numarasına eşit yapan bir maddenin miktarıdır. Örneğin karbon-12 için bir molün kütlesi 12 g'dır.

Avogadro sayısı 6.022 × 10²³12 g karbon-12 bu kadar çok atom içerir ve aynı şekilde 4 g helyum da bu kadar çok atom içerir. Söz konusu madde bir molekül ise (yani, birden fazla atomdan oluşan bir şey), o zaman Avogadro'nun sayısının size aşağıdakileri söylediğini hatırlamak önemlidir.molekülleratom sayısından ziyade

Bu, girişteki su bardağına benzer bir örnekten geçmek için bilmeniz gereken her şeyi size verir. Cam, kütle olarak 200 g'a karşılık gelen 200 mL ve bir su molekülü (kimyasal formül H) içeriyordu.₂O) 18 amu moleküler kütle ve 18 g mol kütle için iki hidrojen atomuna ve bir oksijen atomuna sahiptir. Yani atom sayısını bulmak için, mol sayısını bulmak için kütleyi bir molün kütlesine bölmeniz ve ardından molekül sayısını bulmak için Avogadro sayısıyla çarpmanız yeterlidir. Son olarak, her molekülün üç atomu olduğuna dikkat ederek, tek tek atomların sayısını bulmak için üçle çarparsınız.

Daha fazla örnek üzerinde çalışmak, atom kütlesiyle ilgili temel kavramları anlamanıza yardımcı olabilir. En basit örnek, karbon-12 gibi basit bir elementin kütlesini hesaplamaktır. Yalnızca amu cinsinden düşünüyorsanız, süreç gerçekten basittir, ancak karbon kütlesinin daha standart bir ölçümünü elde etmek için amu'yu kolayca kg'a dönüştürebilirsiniz.

Makaleden öğrendiklerinize ve her atomda altı proton ve altı nötron olduğuna dikkat ederek amu cinsinden bir karbon atomunun kütlesini hesaplayabilmelisiniz. Öyleyse amu'daki bir karbon atomunun kütlesi nedir? Tabii ki, 12 amu. Altı protonu altı nötrona eklersiniz ve cevabı bulursunuz, çünkü her iki parçacık türü de 1 amu kütleye sahiptir.

Amu'yu kg'a çevirmek de bu noktadan sonra oldukça basittir: 1 amu = 1.66 × 10⁻²⁷ kg, yani

Bu birGerçekten miküçük kütle (ve bu nedenle atomik kütle bunun yerine genellikle amu olarak ölçülür), ancak bir elektronun kütlesinin yaklaşık 9 × 10 olduğunu belirtmekte fayda var.⁻³¹, bu nedenle, 12 elektronun tümünü karbon atomunun kütlesine eklemenin bile kayda değer bir fark yaratmayacağı açıktır.

Molekül ağırlığı, bir atomun kütlesini hesaplamaktan biraz daha karmaşıktır, ancak tek yapmanız gereken Yapmanız gereken, molekülün kimyasal formülüne bakmak ve atomların kütlelerini birleştirerek aşağıdakileri bulmaktır. Toplam. Örneğin, kimyasal formüle sahip benzenin kütlesini hesaplamaya çalışın: C₆H₆, karbon-12 atomları olduklarını ve döteryum veya trityum yerine hidrojenin sıradan izotopu olduğunu belirterek.

Anahtar, altı karbon-12 atomuna ve altı hidrojen atomuna sahip olduğunuzu fark etmektir, bu nedenle molekülün kütlesi:

Molekül ağırlığını bulma süreci, daha büyük moleküller için biraz daha karmaşık hale gelebilir, ancak her zaman aynı süreci takip eder.

Bir elementin ortalama atom kütlesini bulmak, hem atom kütlesini hem deveDünya üzerindeki belirli izotopun göreceli bolluğu. Karbon buna iyi bir örnektir, çünkü Dünya'daki tüm karbonun yüzde 98,9'u karbon-12, yüzde 1,1'i karbon-13 veçokküçük bir yüzde, güvenle ihmal edilebilecek karbon-14'tür.

Bunu çözme süreci aslında oldukça basittir: İzotop oranını amu'daki izotopun kütlesiyle çarpın ve sonra ikisini birlikte ekleyin. Karbon-12, karbonun en yaygın izotopudur, bu nedenle sonucun 12 amu'ya çok yakın olmasını beklersiniz. Hesaplamadan önce yüzdeleri ondalık sayılara çevirmeyi (100'e bölmeyi) unutmayın ve doğru cevabı bulacaksınız:

Bu sonuç, en yaygın izotopun kütlesi yerine ortalama atom kütlesini listeleyen bir periyodik tabloda tam olarak bulacağınız şeydir.