АТОМНАЯ МАССА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ВИДЫ, КАК ЕЕ ВЫЧИСЛИТЬ, ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2026

Атомная масса представляет собой количество материала , присутствующего в атоме, которые могут быть выражены в обычных физических единицах или в единицах атомной массы (UMA НУ). Атом пуст почти во всей своей структуре; электроны, которые рассеиваются в областях, называемых орбиталями, где есть определенная вероятность найти их и их ядра.

В ядре атома находятся протоны и нейтроны; первые с положительным зарядом, а вторые с нейтральным зарядом. Эти две субатомные частицы имеют массу намного больше массы электрона; следовательно, масса атома определяется его ядром, а не вакуумом или электронами.

Основные субатомные частицы и масса ядра. Источник: Габриэль Боливар.

Масса электрона составляет примерно 9,1 · 10 ^-31 кг, а масса протона 1,67 · 10 ^-27 кг при соотношении масс 1800; то есть протон «весит» в 1800 раз больше электрона. То же самое происходит с массами нейтрона и электрона. Вот почему массовый вклад электрона для обычных целей считается незначительным.

Из-за этого обычно предполагается, что масса атома или атомная масса зависит только от массы ядра; который, в свою очередь, состоит из суммы вещества нейтронов и протонов. Из этого рассуждения вытекают две концепции: массовое число и атомная масса, оба тесно связаны.

При таком большом количестве «пустот» в атомах и поскольку их масса почти полностью зависит от ядра, следует ожидать, что последнее чрезвычайно плотное.

Если мы удалим указанную пустоту из любого тела или объекта, его размеры резко уменьшатся. Кроме того, если бы мы могли построить небольшой объект на основе атомных ядер (без электронов), то он имел бы массу в миллионы тонн.

С другой стороны, атомные массы помогают различать разные атомы одного и того же элемента; Это изотопы. Поскольку количество изотопов больше, чем других, необходимо оценить среднюю массу атомов для данного элемента; среднее значение, которое может варьироваться от планеты к планете или от одного космического региона к другому.

Определение и понятие

По определению, атомная масса - это сумма масс протонов и нейтронов, выраженная через uma или u. Полученное число (также иногда называемое массовым числом) помещается безразмерным в левый верхний угол в обозначениях, используемых для нуклидов. Например, для элемента ¹⁵ X его атомная масса составляет 15uma или 15u.

Атомная масса не может многое сказать об истинной идентичности этого элемента X. Вместо этого используется атомный номер, который соответствует протонам в ядре X. Если это число равно 7, то разница ( 15-7) будет равно 8; то есть X имеет 7 протонов и 8 нейтронов, сумма которых равна 15.

Возвращаясь к изображению, в ядре 5 нейтронов и 4 протона, поэтому его массовое число равно 9; а 9 а.е.м. - это масса его атома. Имея 4 протона и сверившись с периодической таблицей, можно увидеть, что это ядро ​​соответствует ядру элемента бериллия, Be (или ⁹ Be).

Атомная единица массы

Атомы слишком малы, чтобы можно было измерить их массу обычными методами или обычными весами. Именно по этой причине была изобретена ума, уо Да (дальтоник). Эти единицы, разработанные для атомов, позволяют вам понять, насколько массивны атомы элемента по отношению друг к другу.

Но что именно представляет собой ума? Должна быть ссылка на установление массовых отношений. Для этого в качестве эталона использовался атом ¹² C, который является наиболее распространенным и стабильным изотопом углерода. Имея 6 протонов (его атомный номер Z) и 6 нейтронов, его атомная масса равна 12.

Предполагается, что протоны и нейтроны имеют одинаковые массы, так что каждый дает 1 а.е.м. Тогда атомная единица массы определяется как одна двенадцатая (1/12) массы атома углерода-12; это масса протона или нейтрона.

Эквивалентность в граммах

И теперь возникает вопрос: сколько граммов равна 1 а.е.м.? Поскольку поначалу не было достаточно продвинутых методов для его измерения, химики должны были довольствоваться выражением всех масс с помощью amu; однако это было преимуществом, а не недостатком.

Зачем? Поскольку субатомные частицы настолько малы, их масса, выраженная в граммах, должна быть такой же малой. Фактически, 1 а.е.м. равняется 1,6605 · 10 ^-24 грамма. Более того, с использованием концепции моля не было проблемой работать с массами элементов и их изотопов с аму, зная, что такие единицы могут быть изменены до г / моль.

Например, возвращаясь к ¹⁵ X и ⁹ Be, мы получаем, что их атомные массы составляют 15 а.е.м. и 9 а.е.м. соответственно. Поскольку эти единицы настолько малы и напрямую не говорят, сколько вещества нужно «взвесить», чтобы ими манипулировать, они преобразуются в соответствующие им молярные массы: 15 г / моль и 9 г / моль (вводя понятия молей и числа Авогадро).

Средняя атомная масса

Не все атомы одного и того же элемента имеют одинаковую массу. Это означает, что у них должно быть больше субатомных частиц в ядре. Поскольку это один и тот же элемент, атомный номер или количество протонов должны оставаться постоянными; следовательно, существует только изменение количества нейтронов, которыми они обладают.

Вот как это следует из определения изотопов: атомы одного и того же элемента, но с разными атомными массами. Например, бериллий почти полностью состоит из изотопа ⁹ Be со следовыми количествами ¹⁰ Be. Однако этот пример не очень полезен для понимания концепции средней атомной массы; нам нужен один с большим количеством изотопов.

пример

Предположим, что существует элемент ⁸⁸ J, который является основным изотопом J с содержанием 60%. J также имеет два других изотопа: ⁸⁶ Дж с содержанием 20% и ⁹⁰ Дж с содержанием также 20%. Это означает, что из 100 Дж атомов, которые мы собираем на Земле, 60 из них составляют ⁸⁸ Дж, а остальные 40 представляют собой смесь ⁸⁶ Дж и ⁹⁰ Дж.

Каждый из трех изотопов J имеет свою атомную массу; то есть их сумма нейтронов и протонов. Однако эти массы необходимо усреднить, чтобы иметь под рукой атомную массу для J; здесь, на Земле, поскольку могут быть другие регионы Вселенной, где содержание ⁸⁶ Дж составляет 56%, а не 60%.

Чтобы вычислить среднюю атомную массу J, необходимо получить средневзвешенное значение масс его изотопов; то есть с учетом процента численности для каждого из них. Таким образом, мы имеем:

Средняя масса (Дж) = (86 а.е.м.) (0,60) + (88 а.е.м.) (0,20) + (90 а.е.м.) (0,20)

= 87,2 а.е.м.

То есть средняя атомная масса (также известная как атомная масса) J составляет 87,2 а.е.м. Между тем его молярная масса составляет 87,2 г / моль. Обратите внимание, что 87,2 ближе к 88, чем к 86, и это также далеко от 90.

Абсолютная атомная масса

Абсолютная атомная масса - это атомная масса, выраженная в граммах. Исходя из примера гипотетического элемента J, мы можем рассчитать его абсолютную атомную массу (среднюю), зная, что каждая а.е.м. эквивалентна 1,6605 · 10 ^-24 грамма:

Абсолютная атомная масса (Дж) = 87,2 а.е.м * (1,6605 · 10 ^-24 г / а.е.м.)

= 1,447956 · 10 ^-22 г / Дж ат.

Это означает, что в среднем атомы J имеют абсолютную массу 1,447956 · 10 ^-22 г.

Относительная атомная масса

Относительная атомная масса численно идентична средней атомной массе данного элемента; Однако, в отличие от второго, первому недостает единства. Следовательно, он безразмерен. Например, средняя атомная масса бериллия 9,012182 ед. в то время как его относительная атомная масса просто 9,012182.

Вот почему иногда эти понятия часто ошибочно интерпретируются как синонимы, поскольку они очень похожи, а различия между ними неуловимы. Но к чему эти массы относительно? По отношению к одной двенадцатой массы ¹² C.

Таким образом, элемент с относительной атомной массой 77 означает, что он имеет массу в 77 раз больше, чем ^1/12 часть ¹² C.

Те, кто смотрел на элементы в периодической таблице, увидят, что их массы относительно выражены. У них нет единиц а.е.м., и это интерпретируется так: атомная масса железа составляет 55 846, что означает, что его масса в 55 846 раз больше массы 1/12 части ¹² C, и что ее также можно выразить как 55 846 а.е.м. или 55,846 г / моль.

Как рассчитать атомную массу

Математически пример того, как это вычислить, был дан на примере элемента J. В общем, должна применяться формула средневзвешенного значения, которая будет выглядеть следующим образом:

P = Σ (атомная масса изотопа) (содержание в десятичных дробях)

То есть, имея атомные массы (нейтроны + протоны) каждого изотопа (обычно естественного) для данного элемента, а также их соответствующие земные содержания (или любой другой рассматриваемый регион), можно рассчитать указанное средневзвешенное значение.

И почему не только среднее арифметическое? Например, средняя атомная масса J составляет 87,2 а.е.м. Если мы снова вычислим эту массу, но арифметически, мы получим:

Средняя масса (Дж) = (88 а.е.м. + 86 а.е.м. + 90 а.е.м.) / 3

= 88 а.е.м.

Обратите внимание, что между 88 и 87 есть важное различие. Это потому, что среднее арифметическое предполагает, что содержание всех изотопов одинаково; Поскольку существует три изотопа J, каждый должен иметь содержание 100/3 (33,33%). Но на самом деле это не так: изотопов гораздо больше, чем других.

Вот почему рассчитывается средневзвешенное значение, поскольку оно учитывает, насколько распространен один изотоп по отношению к другому.

Примеры

углерод

Чтобы вычислить среднюю атомную массу углерода, нам нужны его природные изотопы с их соответствующим содержанием. В случае углерода это: ¹² C (98,89%) и ¹³ C (1,11%). Их относительные атомные массы равны 12 и 13 соответственно, которые, в свою очередь, равны 12 а.е.м. и 13 а.е.м. Решение:

Средняя атомная масса (C) = (12 а.е.м.) (0,9889) + (13 а.е.м.) (0,0111)

= 12,0111 а.е.м.

Следовательно, масса атома углерода в среднем составляет 12,01 а.е.м. Поскольку присутствуют следовые количества ¹⁴ C, он почти не влияет на это среднее значение.

натрий

Все земные атомы натрия состоят из изотопа ²³ Na, поэтому его распространенность составляет 100%. Поэтому в обычных расчетах его массу можно принять просто равной 23 а.е.м. или 23 г / моль. Однако его точная масса составляет 22,98976928 а.е.м.

кислород

Три изотопа кислорода с их соответствующими содержаниями: ¹⁶ O (99,762%), ¹⁷ O (0,038%) и ¹⁸ O (0,2%). У нас есть все, чтобы рассчитать его среднюю атомную массу:

Средняя атомная масса (O) = (16 а.е.м.) (0,99762) + (17 а.е.м.) (0,00038) + (18 а.е.м.) (0,002)

= 16.00438 а.е.м.

Хотя его заявленная точная масса на самом деле составляет 15,9994 а.е.м.

азот

Повторяя те же шаги с кислородом, мы получаем: ¹⁴ N (99,634%) и ¹⁵ N (0,366%). Так:

Средняя атомная масса (N) = (14 а.е.м.) (0,99634) + (15 а.е.м.) (0,00366)

= 14.00366 а.е.м.

Обратите внимание, что заявленная масса азота составляет 14,0067 а.е.м., что немного выше, чем мы рассчитали.

хлор

Изотопы хлора с соответствующими содержаниями: ³⁵ Cl (75,77%) и ³⁷ Cl (24,23%). Рассчитав его среднюю атомную массу, мы имеем:

Средняя атомная масса (Cl) = (35 а.е.м.) (0,7577) + (37 а.е.м.) (0,2423)

= 35,4846 а.е.м.

Очень похоже на сообщенный (35 453 а.е.м.).

диспрозий

И, наконец, будет рассчитана средняя масса элемента с множеством природных изотопов: диспрозия. Эти и их соответствующие содержания составляют: 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%).

Действуем, как в предыдущих примерах, чтобы вычислить атомную массу этого металла:

Средняя атомная масса (Dy) = (156 а.е.м.) (0,0006%) + (158 а.е.м.) (0,0010) + (160 а.е.м.) (0,0234) + (161 а.е.м.) (0,1891) + (162 а.е.м.) (0,2551) + (163 а.е.м.) (0,2490) + (164 а.е.м.) (0,2818)

= 162,5691 а.е.м.

Сообщенная масса составляет 162 500 а.е.м. Обратите внимание, что это среднее значение составляет от 162 до 163, поскольку изотопы ¹⁵⁶ Dy, ¹⁵⁸ Dy и ¹⁶⁰ Dy немногочисленны; в то время как преобладающими являются ¹⁶² Dy, ¹⁶³ Dy и ¹⁶⁴ Dy.

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
2. Wikipedia. (2019). Атомная масса. Получено с: en.wikipedia.org
3. Кристофер Маси. (SF). Атомная масса. Получено с: wsc.mass.edu
4. Натали Вулховер. (12 сентября 2017 г.). Как взвесить атом? Живая наука. Получено с: livescience.com
5. Химия LibreTexts. (05 июня 2019 г.). Расчет атомных масс. Получено с: chem.libretexts.orgs
6. Эдвард Уичерс и Х. Штеффен Пайзер. (15 декабря 2017 г.). Атомный вес. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com