Одним із найпоширеніших завдань, яке вам доведеться виконувати як початківцю вченому, який вміє працювати з даними, є розуміння поняття середнього рівня. Часто ви зустрінете зразок подібних об’єктів, які відрізняються залежно від однієї ознаки, яку ви вивчаєте, наприклад, маси.
Можливо, вам доведеться навіть розрахувати середню масу групи об’єктів, які ви не можете безпосередньо зважити, наприклад, атомів.
Більшість із 92 атомів, що трапляються в природі, мають дві або більше дещо різні форми, які називаються ізотопами. Ізотопи одного і того ж елемента відрізняються один від одного лише кількістю нейтронів, що містяться в їх ядрах.
Може бути корисним застосувати всі ці принципи разом, щоб отримати середню масу відбору атомів, взятих з відомого пулу різних ізотопів.
Що таке атоми?
Атоми - це найменша окрема одиниця елемента, що складається з усіх властивостей цього елемента. Атоми складаються з ядра, що містить протони та нейтрони, яке обертається майже безмасовими електронами.
Протони та нейтрони важать приблизно однаково один з одним. Кожен протон містить позитивний електричний заряд, рівний за величиною і протилежний за знаком електрону (негативний), тоді як нейтрони не несуть чистого заряду.
Атоми характеризуються насамперед своїм атомним номером, який є просто кількістю протонів в атомі. Додавання або віднімання електронів створює заряджений атом, який називається іоном, тоді як зміна кількості нейтронів створює ізотоп атома і, отже, елемента.
Ізотопи та масове число
Масове число атома - це кількість протонів плюс нейтронів, які він має. Наприклад, хром (Cr) має 24 протони (таким чином визначаючи елемент як хром), а в його найбільш стійкій формі - тобто ізотопі, який найчастіше з’являється в природі - він має 28 нейтронів. Таким чином, його масове число становить 52.
Ізотопи елемента визначаються їх масовим числом при виписуванні. Таким чином, ізотопом вуглецю з 6 протонами та 6 нейтронами є вуглець-12, тоді як важчим ізотопом з одним додатковим нейтроном є вуглець-13.
Більшість елементів зустрічаються у вигляді суміші ізотопів, причому один значно переважає над іншими з точки зору "популярності". Наприклад, 99,76 відсотка природного кисню становить кисень-16. Однак деякі елементи, такі як хлор і мідь, демонструють більш широкий розподіл ізотопів.
Формула середньої маси
Середнє математичне значення - це просто сума всіх окремих результатів у вибірці, поділена на загальну кількість елементів у вибірці. Наприклад, у класі з п’ятьма учнями, які набрали бали вікторини 3, 4, 5, 2 та 5, середнє значення класу в тесті було б
\ frac {3 + 4 + 5 + 2 + 5} {5} = 3,8
Рівняння середньої маси можна записати різними способами, і в деяких випадках вам потрібно буде знати особливості, пов'язані із середнім показником, такі як стандартне відхилення. Наразі просто зосередьтесь на основному визначенні.
Середньозважена та ізотопи
Знання відносної частки кожного ізотопу певного елемента, що зустрічається в природі, дозволяє обчислитиатомна масацього елемента, який, оскільки це середнє значення, є не масою якогось одного атома, а числом, яке знаходиться між найважчим та найлегшим наявними ізотопами.
Якби всі ізотопи були в однаковій кількості, ви могли б просто скласти масу кожного виду ізотопів і розділити на кількість різних видів ізотопів (зазвичай два-три).
Середня атомна маса, дана в одиницях атомної маси (аму), завжди подібна до масового числа, але це не ціле число.
Середня атомна маса: Приклад
Хлор-35 має атомну масу 34,969 аму і становить 75,77% хлору на Землі.
Хлор-37 має атомну масу 36,966 аму та відсоткову кількість 24,23%.
Щоб розрахувати середню атомну масу хлору, використовуйте інформацію в періодичній таблиці елемента (див. Ресурси), щоб знайти (зважене) середнє, але змінюючи відсотки до десяткових:
(34,969 \ раз 0,7577) + (36,966 \ раз 0,2423) = 35,45 \ text {amu}