АТОМНА МАСА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ВИДОВЕ, КАК ДА СЕ ИЗЧИСЛИ, ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

В атомната маса е количеството материал присъства в атом, който може да бъде изразен в обикновени физически единици или в единици атомна маса (Ума ОУ). Атомът е празен в почти цялата му структура; електрони, които са дифузни в региони, наречени орбитали, където има известна вероятност да ги намерите и тяхното ядро.

В ядрото на атома са протоните и неутроните; първата с положителни заряди, докато втората с неутрален заряд. Тези две субатомни частици имат маса, много по-голяма от тази на електрона; следователно, масата на един атом се управлява от ядрото му, а не от вакуума, нито от електроните.

Основните субатомни частици и масата на ядрото. Източник: Габриел Боливар.

Масата на един електрон е приблизително 9,1 · 10 ^-31 kg, докато масата на протона 1,67 · 10 ^-27 kg, като масовото съотношение е 1800; тоест, протонът "тежи" 1800 пъти повече от електрон. По същия начин се случва с масите на неутрона и електрона. Ето защо масовият принос на електрона за обикновени цели се счита за незначителен.

Поради това обикновено се приема, че масата на атома или атомната маса зависи само от масата на ядрото; което от своя страна се състои от сумата от материята на неутроните и протоните. От това разсъждение произлизат две концепции: масово число и атомна маса, и двете са тясно свързани.

С толкова много "празнота" в атомите и тъй като тяхната маса е почти изцяло функция на ядрото, трябва да се очаква, че последното е изключително гъсто.

Ако премахнем споменатата празнота от което и да е тяло или предмет, нейните размери ще се свият драстично. Освен това, ако бихме могли да изградим малък обект на базата на атомни ядра (без електрони), тогава той би имал маса от милиони тонове.

От друга страна, атомните маси помагат да се разграничат различни атоми на един и същи елемент; Това са изотопите. Тъй като има по-изобилни изотопи от останалите, за даден елемент трябва да се оцени средна маса от атомите; средна стойност, която може да варира от планета до планета или от един космически регион в друг.

Определение и понятие

По дефиниция атомната маса е сумата от масите на нейните протони и неутрони, изразена с uma или u. Полученото число (наричано също понякога масово число) се поставя безразмерно в горния ляв ъгъл в нотацията, използвана за нуклиди. Например, за елемент ¹⁵ X атомната му маса е 15uma или 15u.

Атомната маса не може да каже много за истинската идентичност на този елемент X. Вместо това се използва атомното число, което съответства на протоните в ядрото на X. Ако това число е 7, тогава разликата (15-7) ще бъде равно на 8; тоест X има 7 протона и 8 неутрона, чиято сума е 15.

Връщайки се към изображението, ядрото има 5 неутрона и 4 протона, така че масовото му число е 9; и на свой ред 9 аму е масата на неговия атом. Като има 4 протона и се консултираме с периодичната таблица, може да се види, че това ядро ​​съответства на това на елемента берилий, Be (или ⁹ Be).

Единица за атомна маса

Атомите са твърде малки, за да могат да измерват своите маси по конвенционални методи или обикновени везни. Именно поради тази причина е изобретен умът, uo Da (цветен сляп). Тези единици, създадени за атоми, ви позволяват да имате представа колко масивни са атомите на даден елемент по отношение един на друг.

Но какво точно представлява една ума? Трябва да има справка за установяване на масови отношения. За това като еталон е използван ¹² С атом, който е най-разпространеният и стабилен изотоп за въглерод. Следователно има 6 протона (атомното му число Z) и 6 неутрона, атомната му маса е 12.

Предполага се, че протоните и неутроните имат еднакви маси, така че всеки допринася по 1 amu. Атомната единица за маса след това се определя като една дванадесета (1/12) от масата на въглерод-12 атом; това е масата на протон или неутрон.

Еквивалентност в грамове

И сега възниква следният въпрос: на колко грама се равнява 1 аму? Тъй като в началото нямаше достатъчно модерни техники за измерването му, химиците трябваше да се примирят да изразяват всички маси с аму; това обаче беше предимство, а не недостатък.

Защо? Тъй като субатомните частици са толкова малки, тяхната маса, изразена в грамове, трябва да бъде също толкова малка. Всъщност 1 аму се равнява на 1,6605 · 10 ^-24 грама. Освен това, с използването на концепцията за мол, не беше проблем да се обработват масите на елементите и техните изотопи, като се знае, че такива единици могат да бъдат модифицирани до g / mol.

Например, връщайки се на ¹⁵ X и ⁹ Be, имаме, че техните атомни маси са съответно 15 amu и 9 amu. Тъй като тези единици са толкова малки и не казват директно колко материя трябва да "претегля", за да ги манипулира, те се трансформират в съответните си моларни маси: 15 g / mol и 9 g / mol (въвеждайки понятията за бенките и броя на Avogadro).

Средна атомна маса

Не всички атоми на един и същи елемент имат еднаква маса. Това означава, че те трябва да имат повече субатомни частици в ядрото. Като един и същ елемент, атомното число или брой протони трябва да останат постоянни; следователно има само вариация в количествата неутрони, които притежават.

Ето как става от определението за изотопи: атоми на един и същи елемент, но с различни атомни маси. Например, берилият почти изцяло се състои от изотопа ⁹ Be, с следи от ¹⁰ Be. Този пример обаче не е много полезен при разбирането на концепцията за средна атомна маса; имаме нужда от един с повече изотопи.

пример

Да предположим, че елемент ⁸⁸ J съществува, като това е основният изотоп на J с изобилие от 60%. J също има два други изотопа: ⁸⁶ J, с изобилие от 20%, и ⁹⁰ J, с изобилие също от 20%. Това означава, че от 100 J атоми, които събираме на Земята, 60 от тях са ⁸⁸ J, а останалите 40 са смес от ⁸⁶ J и ⁹⁰ Дж.

Всеки от трите изотопа на J има своя собствена атомна маса; тоест тяхната сума от неутрони и протони. Тези маси обаче трябва да бъдат осреднени, за да има атомна маса за J под ръка; тук, на Земята, тъй като може да има други региони на Вселената, където изобилието от ⁸⁶ J е 56%, а не 60%.

За да се изчисли средната атомна маса на J, трябва да се получи средно претеглената маса на неговите изотопи; тоест, като се вземе предвид процентът на изобилие за всеки от тях. Така имаме:

Средна маса (J) = (86 amu) (0.60) + (88 amu) (0.20) + (90 amu) (0.20)

= 87,2 amu

Тоест средната атомна маса (известна още като атомно тегло) на J е 87,2 аму. Междувременно моларната му маса е 87,2 g / mol. Имайте предвид, че 87.2 е по-близо до 88, отколкото до 86, а също така е далечен от 90.

Абсолютна атомна маса

Абсолютната атомна маса е атомната маса, изразена в грамове. Изхождайки от примера на хипотетичния елемент J, можем да изчислим неговата абсолютна атомна маса (тази на средната стойност), знаейки, че всеки аму е еквивалентен на 1.6605 · 10 ^-24 грама:

Абсолютна атомна маса (J) = 87,2 amu * (1,6605 · 10 ^-24 g / amu)

= 1.447956 · 10 ^-22 g / J атом

Това означава, че средно J атомите имат абсолютна маса 1,444956 · 10 ^-22 g.

Относителна атомна маса

Относителната атомна маса числено е идентична със средната атомна маса за даден елемент; Въпреки това, за разлика от втория, на първия липсва единство. Следователно, тя е безразмерна. Например, средната атомна маса на берилия е 9.012182 u; докато относителната му атомна маса е просто 9.012182.

Ето защо понякога тези понятия често се тълкуват погрешно като синоними, тъй като са много сходни и разликите между тях са фини. Но какви са тези маси спрямо? Сравнително с една дванадесета част от масата ¹² С.

По този начин, елемент с относителна атомна маса 77 означава, че има маса 77 пъти по-голяма от ^1/12 от ¹² С.

Тези, които са разгледали елементите в периодичната таблица, ще видят, че техните маси са относително изразени. Те нямат единици аму и се тълкува като: желязото има атомна маса 55 846, което означава, че е 55 846 пъти по-голяма маса от масата на 1/12 част от ¹² С и че може да се изрази и като 55 846 аму или 55.846 g / mol.

Как се изчислява атомната маса

Математически беше даден пример как да го изчислим с примера на елемент J. Най-общо казано, трябва да приложим среднопретеглената формула, която би била:

P = Σ (изотопна атомна маса) (изобилие в десетични знаци)

Тоест, имайки атомните маси (неутрони + протони) на всеки изотоп (обикновено естествен) за даден елемент, както и съответните им земни изобилия (или каквото и да се счита за региона), тогава споменатата среднопретеглена средна стойност може да бъде изчислена.

И защо не само средноаритметичната стойност? Например средната атомна маса на J е 87,2 amu. Ако изчислим тази маса отново, но аритметично, ще имаме:

Средна маса (J) = (88 amu + 86 amu + 90 amu) / 3

= 88 аму

Имайте предвид, че има важна разлика между 88 и 87.2. Това е така, защото средноаритметичната предполага, че изобилието на всички изотопи е едно и също; Тъй като има три изотопа на J, всеки трябва да има изобилие от 100/3 (33.33%). Но в действителност това не е така: има много по-изобилни изотопи от другите.

Ето защо се изчислява средно претеглената стойност, тъй като тя отчита колко изобилен е един изотоп по отношение на друг.

Примери

въглероден

За да изчислим средната атомна маса на въглерода, се нуждаем от естествените му изотопи със съответното им изобилие. Що се отнася до въглерода, те са: ¹² ° С (98,89%) и ¹³ ° С (1,11%). Техните относителни атомни маси са съответно 12 и 13, което от своя страна е равно на 12 amu и 13 amu. Решаването на:

Средна атомна маса (C) = (12 amu) (0.9889) + (13 amu) (0.0111)

= 12.0111 аму

Следователно, масата на въглеродния атом е средно 12.01 аму. Тъй като има следи от ¹⁴ С, това почти няма влияние върху тази средна стойност.

натрий

Всички наземни натриеви атоми се състоят от ²³ изотопа на Na, така че неговото изобилие е 100%. Ето защо при обикновени изчисления може да се приеме, че неговата маса е просто 23 amu или 23 g / mol. Точната му маса обаче е 22,98976928 аму.

кислород

Трите изотопа на кислорода със съответните им количества са: ¹⁶ O (99.762%), ¹⁷ O (0.038%) и ¹⁸ O (0.2%). Имаме всичко, за да изчислим средната му атомна маса:

Средна атомна маса (O) = (16 amu) (0.99762) + (17 amu) (0.00038) + (18 amu) (0.002)

= 16,00438 аму

Въпреки че отчетената му точна маса всъщност е 15,9994 аму.

азот

Повтаряйки същите стъпки с кислорода имаме: ¹⁴ N (99.634%) и ¹⁵ N (0.366%). Така:

Средна атомна маса (N) = (14 amu) (0.99634) + (15 amu) (0.00366)

= 14,00366 аму

Обърнете внимание, че отчетената маса за азот е 14.0067 amu, малко по-висока от изчислената от нас.

хлор

Изотопите на хлора със съответните им количества са: ³⁵ Cl (75,77%) и ³⁷ Cl (24,23%). Изчислявайки средната му атомна маса, имаме:

Средна атомна маса (Cl) = (35 amu) (0.7577) + (37 amu) (0.2423)

= 35.4846 аму

Много подобен на докладвания (35 453 аму).

диспрозий

И накрая ще се изчисли средната маса на елемент с много естествени изотопи: диспрозий. Тези и съответните им количества са: ¹⁵⁶ Dy (0,06%), ¹⁵⁸ Dy (0,10%), ¹⁶⁰ Dy (2,34%), ¹⁶¹ Dy (18,91%), ¹⁶² Dy (25,51 %), ¹⁶³ Dy (24,90%) и ¹⁶⁴ Dy (28,18%).

Продължаваме както в предишните примери за изчисляване на атомната маса на този метал:

Средна атомна маса (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 аму

Отчетената маса е 162 500 аму. Обърнете внимание, че тази средна стойност е между 162 и 163, тъй като изотопите ¹⁵⁶ Dy, ¹⁵⁸ Dy и ¹⁶⁰ Dy са малко в изобилие; докато тези, които преобладават, са ¹⁶² Dy, ¹⁶³ Dy и ¹⁶⁴ Dy.

Препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. (2008 г.). Химия (8-мо изд.). CENGAGE Обучение.
2. Wikipedia. (2019). Атомна маса. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Христофор Маси. (SF). Атомна маса. Възстановена от: wsc.mass.edu
4. Натали Вълчовър. (12 септември 2017 г.). Как претегляте атом? Наука на живо. Възстановена от: lifecience.com
5. Химия LibreTexts. (05 юни 2019 г.). Изчисляване на атомни маси. Възстановени от: chem.libretexts.orgs
6. Едуард Уичърс и Х. Стефен Пейзер. (15 декември 2017 г.). Атомно тегло. Encyclopædia Britannica. Възстановено от: britannica.com