MASA ATOMOWA: DEFINICJA, RODZAJE, SPOSÓB OBLICZANIA, PRZYKŁADY - CHEMIA - 2025

Masa atomowa to ilość materiału obecnego w atomie, którą można wyrazić w zwykłych jednostkach fizycznych lub w jednostkach masy atomowej (uma ou). Atom jest pusty w prawie całej swojej strukturze; elektrony, które są rozproszone w regionach zwanych orbitalami, gdzie istnieje pewne prawdopodobieństwo ich znalezienia, oraz ich jądro.

W jądrze atomu znajdują się protony i neutrony; pierwszy z ładunkami dodatnimi, drugi z ładunkiem neutralnym. Te dwie subatomowe cząstki mają masę znacznie większą niż elektron; dlatego masa atomu jest rządzona przez jego jądro, a nie przez próżnię czy elektrony.

Główne cząstki subatomowe i masa jądra. Źródło: Gabriel Bolívar.

Masa elektronu wynosi w przybliżeniu 9,1 · 10 ^-31 kg, a protonu 1,67 · 10 ^-27 kg, przy stosunku masowym 1800; to znaczy, że proton „waży” 1800 razy więcej niż elektron. Podobnie dzieje się z masami neutronów i elektronów. Dlatego masowy udział elektronu do zwykłych celów uważa się za pomijalny.

Z tego powodu zwykle przyjmuje się, że masa atomu, czyli masa atomowa, zależy tylko od masy jądra; który z kolei składa się z sumy materii neutronów i protonów. Z tego rozumowania wyłaniają się dwa pojęcia: liczba masowa i masa atomowa, obie ściśle ze sobą powiązane.

Przy tak dużej ilości „pustki” w atomach, a ponieważ ich masa jest prawie całkowicie funkcją jądra, należy się spodziewać, że to drugie jest niezwykle gęste.

Gdybyśmy usunęli tę pustkę z jakiegokolwiek ciała lub przedmiotu, jej wymiary drastycznie się skurczyły. Ponadto, gdybyśmy mogli zbudować mały obiekt oparty na jądrach atomowych (bez elektronów), miałby on masę milionów ton.

Z drugiej strony masy atomowe pomagają rozróżnić różne atomy tego samego pierwiastka; To są izotopy. Ponieważ izotopów jest więcej niż innych, należy oszacować średnią mas atomów dla danego pierwiastka; średnia, która może się różnić w zależności od planety lub regionu kosmicznego.

Definicja i koncepcja

Z definicji masa atomowa jest sumą mas jej protonów i neutronów wyrażoną za pomocą uma lub u. Wynikowa liczba (czasami nazywana również liczbą masową) jest umieszczana bezwymiarowo w lewym górnym rogu w notacji używanej dla nuklidów. Na przykład dla pierwiastka ¹⁵ X jego masa atomowa wynosi 15uma lub 15u.

Masa atomowa nie może wiele powiedzieć o prawdziwej tożsamości tego pierwiastka X. Zamiast tego używana jest liczba atomowa, która odpowiada protonom w jądrze X. Jeśli ta liczba wynosi 7, to różnica ( 15-7) będzie równa 8; to znaczy X ma 7 protonów i 8 neutronów, których suma wynosi 15.

Wracając do obrazu, jądro ma 5 neutronów i 4 protony, więc jego liczba masowa wynosi 9; az kolei 9 amu to masa jego atomu. Mając 4 protony i przeglądając układ okresowy, można zauważyć, że to jądro odpowiada pierwiastkowi berylu, Be (lub ⁹ Be).

Jednostka masy atomowej

Atomy są zbyt małe, aby móc zmierzyć ich masy konwencjonalnymi metodami lub zwykłymi wagami. Z tego powodu wynaleziono uma, uo Da (daltonizm). Te jednostki opracowane dla atomów pozwalają zorientować się, jak masywne są w stosunku do siebie atomy pierwiastka.

Ale co dokładnie reprezentuje uma? Musi istnieć odniesienie do ustanowienia relacji masowych. W tym celu jako odniesienie zastosowano atom ¹² C, który jest najbardziej rozpowszechnionym i stabilnym izotopem węgla. Mając 6 protonów (jego liczbę atomową Z) i 6 neutronów, jego masa atomowa wynosi zatem 12.

Zakłada się, że protony i neutrony mają taką samą masę, więc każdy z nich wnosi 1 amu. Jednostka masy atomowej jest następnie definiowana jako jedna dwunasta (1/12) masy atomu węgla-12; to jest masa protonu lub neutronu.

Równoważność w gramach

A teraz pojawia się następujące pytanie: ile gramów równa się 1 amu? Ponieważ początkowo nie było wystarczająco zaawansowanych technik, aby go zmierzyć, chemicy musieli zadowolić się wyrażaniem wszystkich mas za pomocą amu; była to jednak zaleta, a nie wada.

Czemu? Ponieważ cząstki subatomowe są tak małe, ich masa wyrażona w gramach musi być równie mała. W rzeczywistości 1 amu równa się 1,6605 · 10 ^-24 gramów. Ponadto, stosując pojęcie mola, nie stanowiło problemu praca z masami pierwiastków i ich izotopów na amu, wiedząc, że takie jednostki można zmodyfikować do g / mol.

Na przykład, cofając się do ¹⁵ X i ⁹ Be, mamy, że ich masy atomowe wynoszą odpowiednio 15 amu i 9 amu. Ponieważ jednostki te są tak małe i nie mówią bezpośrednio, ile materii trzeba „zważyć”, aby nimi manipulować, są one przekształcane w ich odpowiednie masy molowe: 15 g / mol i 9 g / mol (wprowadzając pojęcia moli i liczby Avogadro).

Średnia masa atomowa

Nie wszystkie atomy tego samego pierwiastka mają taką samą masę. Oznacza to, że muszą mieć więcej cząstek subatomowych w jądrze. Będąc tym samym pierwiastkiem, liczba atomowa lub liczba protonów musi pozostać stała; w związku z tym istnieje tylko różnica w ilości posiadanych neutronów.

Tak wynika z definicji izotopów: atomów tego samego pierwiastka, ale o różnych masach atomowych. Na przykład beryl prawie w całości składa się z izotopu ⁹ Be, ze śladowymi ilościami ¹⁰ Be. Jednak ten przykład nie jest zbyt pomocny w zrozumieniu pojęcia średniej masy atomowej; potrzebujemy jednego z większą liczbą izotopów.

Przykład

Załóżmy, że istnieje pierwiastek ⁸⁸ J, będący głównym izotopem J w ilości 60%. J ma również dwa inne izotopy: ⁸⁶ J, z obfitością 20% i ⁹⁰ J, z obfitością również 20%. Oznacza to, że ze 100 atomów J, które zbieramy na Ziemi, 60 z nich to ⁸⁸ J, a pozostałe 40 to mieszanina ⁸⁶ J i ⁹⁰ J.

Każdy z trzech izotopów J ma własną masę atomową; to znaczy ich suma neutronów i protonów. Jednak masy te muszą być uśrednione, aby mieć pod ręką masę atomową J; tutaj na Ziemi, podobnie jak inne regiony Wszechświata, w których obfitość ⁸⁶ J wynosi 56%, a nie 60%.

Aby obliczyć średnią masę atomową J, należy otrzymać średnią ważoną mas jego izotopów; to znaczy biorąc pod uwagę procent obfitości dla każdego z nich. Mamy więc:

Średnia masa (J) = (86 amu) (0,60) + (88 amu) (0,20) + (90 amu) (0,20)

= 87,2 amu

Oznacza to, że średnia masa atomowa (znana również jako masa atomowa) J wynosi 87,2 amu. Tymczasem jego masa molowa wynosi 87,2 g / mol. Zwróć uwagę, że 87,2 jest bliżej 88 niż 86, a także jest oddalone od 90.

Absolutna masa atomowa

Bezwzględna masa atomowa to masa atomowa wyrażona w gramach. Wychodząc z przykładu hipotetycznego pierwiastka J, możemy obliczyć jego bezwzględną masę atomową (średnią), wiedząc, że każdy amu jest równoważny 1,6605 · 10 ^-24 gramów:

Absolutny masy atomowej (J) = 87,2 amu * (1,6605 x 10 ^-24 g / amu)

= 1,447956 · 10 ^-22 g / atom w J.

Oznacza to, że atomy J mają średnio masę bezwzględną 1,447956 · 10 ^-22 g.

Względna masa atomowa

Względna masa atomowa jest liczbowo identyczna ze średnią masą atomową danego pierwiastka; Jednak w przeciwieństwie do drugiej, pierwszej brakuje jedności. Dlatego jest bezwymiarowy. Na przykład, średnia masa atomowa berylu wynosi 9,012182 u; podczas gdy jego względna masa atomowa wynosi po prostu 9,012182.

Dlatego czasami pojęcia te są często błędnie interpretowane jako synonimy, ponieważ są bardzo podobne, a różnice między nimi są subtelne. Ale do czego odnoszą się te masy? W stosunku do jednej dwunastej masy ¹² C.

Zatem pierwiastek o względnej masie atomowej 77 oznacza, że ​​ma masę 77 razy większą niż ^{1/12 12} C.

Ci, którzy przyjrzeli się pierwiastkom w układzie okresowym, zobaczą, że ich masy są względnie wyrażone. Nie mają jednostek amu i jest interpretowane jako: żelazo ma masę atomową 55846, co oznacza, że ​​jest 55846 razy więcej masy niż masa 1/12 części ¹² C i można je również wyrazić jako 55846 amu lub 55,846 g / mol.

Jak obliczyć masę atomową

Matematycznie, przykład jak to obliczyć podano na przykładzie elementu J. Ogólnie rzecz biorąc, należy zastosować formułę średniej ważonej, która byłaby:

P = Σ (masa atomowa izotopu) (obfitość w liczbach dziesiętnych)

Oznacza to, że mając masy atomowe (neutrony + protony) każdego izotopu (normalnie naturalnego) dla danego pierwiastka, a także ich odpowiednią ilość na Ziemi (lub jakikolwiek rozważany obszar), można obliczyć wspomnianą średnią ważoną.

A dlaczego nie tylko średnia arytmetyczna? Na przykład średnia masa atomowa J wynosi 87,2 amu. Jeśli ponownie obliczymy tę masę, ale arytmetycznie otrzymamy:

Średnia masa (J) = (88 amu + 86 amu + 90 amu) / 3

= 88 amu

Zauważ, że istnieje ważna różnica między 88 a 87,2. Dzieje się tak, ponieważ średnia arytmetyczna zakłada, że ​​obfitość wszystkich izotopów jest taka sama; Ponieważ istnieją trzy izotopy J, każdy powinien mieć obfitość 100/3 (33,33%). Ale w rzeczywistości tak nie jest: jest znacznie więcej izotopów niż innych.

Dlatego obliczana jest średnia ważona, ponieważ uwzględnia ona, jak obfity jest jeden izotop w drugim.

Przykłady

Węgiel

Aby obliczyć średnią masę atomową węgla, potrzebujemy jego naturalnych izotopów i ich odpowiednich ilości. W przypadku węgla są to: ¹² C (98,89%) i ¹³ C (1,11%). Ich względne masy atomowe wynoszą odpowiednio 12 i 13, co z kolei jest równe 12 amu i 13 amu. Rozwiązywanie:

Średnia masa atomowa (C) = (12 amu) (0,9889) + (13 amu) (0,0111)

= 12,0111 amu

Dlatego masa atomu węgla wynosi średnio 12,01 amu. Ponieważ istnieją śladowe ilości ¹⁴ C, nie ma on prawie żadnego wpływu na tę średnią.

Sód

Wszystkie ziemskie atomy sodu składają się z izotopu ²³ Na, więc jego obfitość wynosi 100%. Dlatego w zwykłych obliczeniach można przyjąć, że jego masa wynosi po prostu 23 amu lub 23 g / mol. Jednak jego dokładna masa to 22,98976928 amu.

Tlen

Trzy izotopy tlenu w ich odpowiednich ilościach to: ¹⁶ O (99,762%), ¹⁷ O (0,038%) i ¹⁸ O (0,2%). Mamy wszystko, aby obliczyć jego średnią masę atomową:

Średnia masa atomowa (O) = (16 amu) (0,99762) + (17 amu) (0,00038) + (18 amu) (0,002)

= 16,00438 amu

Chociaż podana dokładna masa wynosi w rzeczywistości 15,9994 amu.

Azot

Powtarzając te same kroki z tlenem mamy: ¹⁴ N (99,634%) i ¹⁵ N (0,366%). Więc:

Średnia masa atomowa (N) = (14 amu) (0,99634) + (15 amu) (0,00366)

= 14,00366 amu

Zauważ, że podana masa azotu wynosi 14,0067 amu, nieco więcej niż to, co obliczyliśmy.

Chlor

Izotopy chloru w odpowiednich ilościach to: ³⁵ Cl (75,77%) i ³⁷ Cl (24,23%). Obliczając jego średnią masę atomową otrzymujemy:

Średnia masa atomowa (Cl) = (35 amu) (0,7577) + (37 amu) (0,2423)

= 35,4846 amu

Bardzo podobny do zgłoszonego (35 453 amu).

Dysproz

I na koniec zostanie obliczona średnia masa pierwiastka z wieloma naturalnymi izotopami: dysproz. Te i ich występowanie to: ¹⁵⁶ Dy (0,06%), ¹⁵⁸ Dy (0,10%), ¹⁶⁰ Dy (2,34%), ¹⁶¹ Dy (18,91%), ¹⁶² Dy (25,51 %), ¹⁶³ Dy (24,90%) i ¹⁶⁴ Dy (28,18%).

Postępujemy jak w poprzednich przykładach, aby obliczyć masę atomową tego metalu:

Średnia masa atomowa (Dy) = (156 amu) (0,0006%) + (158 amu) (0,0010) + (160 amu) (0,0234) + (161 amu) (0,1891) + (162 amu) (0,2551) + (163 amu) (0,2490) + (164 amu) (0,2818)

= 162,5691 amu

Zgłoszona masa to 162500 amu. Należy zauważyć, że ta średnia wynosi od 162 do 163, ponieważ izotopy ¹⁵⁶ Dy, ¹⁵⁸ Dy i ¹⁶⁰ Dy są nieliczne; podczas gdy te, które dominują to ¹⁶² Dy, ¹⁶³ Dy i ¹⁶⁴ Dy.

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia (8th ed.). CENGAGE Learning.
2. Wikipedia. (2019). Masa atomowa. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Christopher Masi. (sf). Masa atomowa. Odzyskany z: wsc.mass.edu
4. Natalie Wolchover. (12 września 2017). Jak ważysz atom? Nauka na żywo. Odzyskane z: livescience.com
5. Chemistry LibreTexts. (05 czerwca 2019). Obliczanie mas atomowych. Odzyskane z: chem.libretexts.orgs
6. Edward Wichers i H. Steffen Peiser. (15 grudnia 2017). Masa atomowa. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com