Атомна маса: визначення, одиниці вимірювання та спосіб обчислення

Все, з чим ви взаємодієте щодня, зрештою складається з атомів. Наприклад, склянка води об'ємом 200 мл містить приблизно 6,7 × 10²⁴ молекул, а оскільки кількість атомів у кожній молекулі дорівнює трьом, загалом їх приблизно 2 × 10²⁵ атомів лише в одній склянці. Це 20 мільйонів мільярдів мільярдів - така велика цифра, що ви навіть не уявляєте насправді - і це просто у досить маленькій склянці води. Розуміння цих крихітних складових речовини є вирішальним кроком до розуміння макроскопічних властивостей, з якими ми знайомі щодня.

Але як ви навіть можете розрахувати щось на зразок кількості атомів у склянці води? Фокусом у цьому конкретному випадку було використаннямолярна масаводи, і відома кількість атомів у молі будь-якої речовини. Але молярна маса, в свою чергу, залежить відатомна одиниця маси, що є абсолютно важливим для розуміння будь-яким студентом фізики або хімії. На щастя, це справді спрощення фактичної маси атома будь-якої речовини, яке, по суті, говорить вам про відносну масу в порівнянні з одним нейтроном або протоном.

Атоми мають три основні компоненти: протони, нейтрони та електрони. Протони та нейтрони існують всередині ядра, яке є компактним розташуванням речовини, яке знаходиться в центрі атома, а електрони існують у вигляді "нечіткої хмари" навколо його зовнішньої сторони. Між ядром і навіть найближчим електроном існує величезна кількість простору. Ядро має позитивний заряд, оскільки протони заряджені позитивно, а нейтрони нейтральні, тоді як хмара електронів несе негативний заряд, який балансує від нейтрона.

Ядро містить основну масу атома, оскільки нейтрони і протони набагато, набагато важчі за електрони. Насправді, або протони, або нейтрони приблизно в 1800 разів більші за електрони, набагато більше, ніж у у багатьох випадках ви можете спокійно нехтувати масою електрона, коли більше думаєте про атомну масу загалом.

У періодичній системі перераховані всі елементи (тобто типи атомів), знайдені в природі, починаючи з найпростішого - атома водню.атомний номератома (дається символZ) повідомляє, скільки протонів має атом елемента в своєму ядрі, і це верхнє число на відповідному блоці в таблиці Менделєєва. Тому що це несе позитивний заряд і кількість електронів (що є важливою інформацією, коли ти думаючи про атомний зв'язок) має бути рівним цьому загальній загальній електричній нейтральності, це число дійсно характеризує елемент.

Можуть бути різніізотопипроте того самого елемента, який має однакову кількість протонів (і тому обґрунтовано можна вважати його одним і тим же елементом), але різну кількість нейтронів. Вони можуть бути стабільними, а можуть і не бути, що є цікавою темою саме по собі, але важливо відзначити на даний момент це те, що різні ізотопи мають різну масу, але однакові загальні властивості у більшості інших шляхи.

Хоча атоми у своїй звичайній формі є електрично нейтральними, деякі атоми схильні до отримання або втрати електронів, що може дати їм чистий електричний заряд. Атоми, що зазнали одного з цих процесів, називаються іонами.

Атомна маса, як правило, визначається через одиниці атомної маси (аму). Офіційне визначення полягає в тому, що 1 аму - це 1/12 маси атома вуглецю-12. Тут вуглець-12 - це стандартний спосіб сказати „ізотоп вуглецю з шістьма протонами та шістьма нейтронів ", тож ви можете зрештою думати про атомну одиницю маси як масу протона або нейтрон. Отже, атомне масове число - це число протонів та нейтронів у ядрі, а це означає, що воно не є таким, як атомний номер,Z​.

Важливо зазначити, що з причин, пояснених в останньому розділі, масою електронів в атомі нехтують, коли ви говорите про атомну масу в більшості ситуацій. Іншим цікавим зауваженням є те, що маса атома насправді трохи менше маси всіх компонентів, разом узятих, через "енергію зв'язку", необхідну для утримання ядра разом. Однак це ще одне ускладнення, яке насправді не потрібно розглядати в більшості ситуацій.

Нижнє число на блоці елемента в періодичній системі - це середня атомна маса, яка також відрізняється від маси, вираженої в одиницях атомної маси. Це, по суті, середньозважена маса різних ізотопів елемента, що враховує їх відносну чисельність на Землі. Отже, в певному сенсі це найточніший «загальний» показник маси елемента, але на практиці атомна маса будь-якого конкретного ізотопу буде цілим числом в одиницях атомної маси. У простіших періодичних таблицях це «атомне масове число» (A) використовується замість середньої атомної маси.

молекулярна маса(або, використовуючи менш точний, але також загальноприйнятий термін, "молекулярна маса") - це маса молекули речовини в атомних одиницях маси. Опрацювати це насправді просто: ви знаходите хімічну формулу розглянутої речовини, а потім складаєте атомні маси складових атомів. Наприклад, метан складається з одного атома вуглецю та чотирьох атомів водню, і тому він має масу цих компонентів разом. Один атом вуглецю-12 має атомну масу 12, а кожен атом водню має атомну масу 1, тому загальна молекулярна маса молекули метану становить 16 аму.

Молярна маса речовини - це маса одного моля речовини. Це базується на кількості Авогадро, яке говорить про кількість атомів або молекул в одному молі речовини та визначення молі. Моль - це кількість речовини, що робить її масу в грамах такою ж, як атомне масове число. Отже, для вуглецю-12, наприклад, один моль має масу 12 г.

Число Авогадро - 6,022 × 10²³і тому 12 г вуглецю-12 містить стільки атомів, а також 4 г гелію також містить стільки атомів. Важливо пам’ятати, що якщо речовина, про яку йде мова, є молекулою (тобто чимось, що складається з більш ніж одного атома), то число Авогадро підказує вам кількістьмолекулиа не кількість атомів.

Це дає вам все, що вам потрібно знати, щоб пройти через такий приклад, як склянка води у вступі. У склі містилося 200 мл, що відповідає 200 г за масою, і одна молекула води (хімічна формула H₂O) має два атоми водню та один атом кисню для молекулярної маси 18 аму та молярної маси 18 g. Отже, щоб знайти кількість атомів, ви просто ділите масу на масу молі, щоб знайти кількість молей, а потім помножуєте на число Авогадро, щоб знайти кількість молекул. Нарешті, зазначивши, що кожна молекула має три атоми, ви множите на три, щоб знайти кількість окремих атомів.

Опрацювання більше прикладів може допомогти вам зрозуміти ключові поняття про атомну масу. Найпростіший приклад - це обробка маси такого елемента, як вуглець-12. Процес дійсно простий, якщо ви думаєте виключно з точки зору аму, але ви також можете досить легко перетворити аму в кг, щоб отримати більш стандартизоване вимірювання маси вуглецю.

Ви повинні мати змогу розрахувати масу атома вуглецю в аму на основі того, що ви вже дізналися зі статті, і зазначивши, що в кожному атомі є шість протонів і шість нейтронів. Отже, яка маса атома вуглецю в аму? Звичайно, це 12 аму. Ви додасте шість протонів до шести нейтронів і знайдете відповідь, оскільки обидва типи частинок мають масу 1 аму.

З цього моменту перевести аму в кг досить просто: 1 аму = 1,66 × 10⁻²⁷ кг, отже

Цесправдікрихітна маса (і тому замість цього атомну масу зазвичай вимірюють в аму), але варто зазначити, що маса електрона становить приблизно 9 × 10⁻³¹, отже, очевидно, що навіть додавання всіх 12 електронів до маси атома Карбону не мало б помітної різниці.

Молекулярна вага трохи складніша, ніж просто обробка маси атома, але все, що вам потрібно зробити це розглянути хімічну формулу молекули і об'єднати маси окремих атомів, щоб знайти усього. Наприклад, спробуйте обчислити масу бензолу, який має хімічну формулу: C₆H₆, зазначаючи, що вони є атомами вуглецю-12, і це звичайний ізотоп водню, а не дейтерій або тритій.

Головне помітити, що у вас є шість атомів вуглецю-12 і шість водню, тому маса молекули становить:

Процес пошуку молекулярної маси може стати дещо складнішим для більших молекул, але він завжди йде за тим самим процесом.

Знаходження середньої атомної маси елемента передбачає врахування як атомної масиівідносний достаток конкретного ізотопу на Землі. Вуглець є хорошим прикладом для цього, оскільки 98,9 відсотка всього вуглецю на Землі становить вуглець-12, з 1,1 відсотка - вуглець-13 ідуженевеликий відсоток становить вуглець-14, яким можна сміливо нехтувати.

Процес розробки цього насправді досить простий: помножте частку ізотопу на масу ізотопу в аму, а потім складіть два разом. Вуглець-12 - найпоширеніший ізотоп вуглецю, тому ви очікуєте, що результат буде дуже близьким до 12 аму. Не забудьте перед перерахунком перетворити відсотки у десяткові (розділіть їх на 100), і ви отримаєте правильну відповідь:

Цей результат - саме те, що ви знайдете в періодичній системі, де вказана середня атомна маса, а не маса найпоширенішого ізотопу.