מסה אטומית: הגדרה, סוגים, כיצד לחשב אותה, דוגמאות - כִּימִיָה - 2025

המסה האטומית היא הכמות הנוכחית חומר באטום, אשר יכול לבוא לידי ביטוי ביחידות פיסיות רגילות או ביחידות מסה אטומית (אומת ou). אטום ריק כמעט בכל מבנהו; אלקטרונים המפוזרים באזורים המכונים אורביטלים, שם יש סבירות מסוימת למצוא אותם, ואת הגרעין שלהם.

בגרעין האטום נמצאים הפרוטונים והנויטרונים; הראשון עם מטענים חיוביים, ואילו האחרון מטען ניטרלי. לשני החלקיקים התת-אטומיים האלה יש מסה גדולה בהרבה מזו של האלקטרון; לכן המסה של האטום נשלטת על ידי הגרעין שלה ולא על ידי הוואקום ולא על ידי האלקטרונים.

החלקיקים התת-אטומיים העיקריים והמסת הגרעין. מקור: גבריאל בוליבר.

מסת האלקטרון היא 9.1 · ^10-31 ק"ג, בעוד שהפרוטון 1.67 · 10 ^-27 ק"ג, ויחס המסה הוא 1,800; כלומר, פרוטון "שוקל" פי 1,800 יותר מאלקטרון. באופן דומה הדבר קורה גם להמוני הנויטרונים והאלקטרונים. זו הסיבה שתרומת ההמונים של האלקטרון למטרות רגילות נחשבת לזניחה.

מסיבה זו מניחים בדרך כלל שמסת האטום, או המסה האטומית, תלויה רק ​​במסת הגרעין; אשר בתורו מורכב מסכום העניין של הנויטרונים והפרוטונים. מתוך הנמקה זו יוצאים שני מושגים: מספר מסה ומסה אטומית, שניהם קשורים זה לזה.

עם כל כך הרבה "חלל" באטומים, ומאחר והמסה שלהם היא כמעט כולה פונקציה של הגרעין, יש לצפות כי האחרון צפוף במיוחד.

אם נסיר את החלל האמור מגוף או חפץ כלשהו, ​​הממדים שלו יתכווצו בצורה דרסטית. כמו כן, אם היינו יכולים לבנות חפץ קטן המבוסס על גרעינים אטומיים (ללא אלקטרונים), אז היה לו מסה של מיליוני טונות.

לעומת זאת, המוני האטום עוזרים להבחין באטומים שונים של אותו יסוד; אלה האיזוטופים. מכיוון שיש איזוטופים שופעים יותר מאחרים, יש לאמוד ממוצע של המוני האטומים עבור יסוד נתון; ממוצע שיכול להשתנות מכוכב לכת, או מאזור חלל אחד למשנהו.

הגדרה וקונספט

בהגדרה, המסה האטומית היא סכום המוני הפרוטונים והניוטרונים שלה שבאים לידי ביטוי באומה או u. המספר המתקבל (המכונה לפעמים גם מספר מסה) ממוקם ללא ממדים בפינה השמאלית העליונה בתווית המשמשת לגרעינים. לדוגמה, עבור יסוד ¹⁵ X המסה האטומית שלו היא 15uma או 15u.

המסה האטומית אינה יכולה לספר הרבה על זהותו האמיתית של יסוד זה X. במקום זאת, נעשה שימוש במספר האטומי, התואם לפרוטונים בגרעין X. אם המספר הזה הוא 7, אז ההבדל ( 15-7) יהיה שווה ל 8; כלומר ל- X 7 פרוטונים ו -8 נויטרונים, שסכומם 15.

בחזרה לתמונה, לגרעין יש 5 נויטרונים ו -4 פרוטונים, כך שמספר המסה שלו הוא 9; ובתורו 9 אמו הוא המסה של האטום שלו. על ידי בעלי 4 פרוטונים, והתייעצות עם הטבלה המחזורית, ניתן לראות כי גרעין זה תואם לזה של היסוד בריליום, Be (או ⁹ Be).

יחידת מסה אטומית

האטומים קטנים מכדי שיוכלו למדוד את המוניהם בשיטות קונבנציונאליות או באיזון רגיל. מסיבה זו הומצא האומה, יו דה (עיוור צבעים). יחידות אלה המיועדות לאטומים מאפשרות לך לקבל מושג עד כמה מאסיביות האטומים של יסוד ביחס זה לזה.

אבל מה בדיוק מייצג אומה? חייבת להיות התייחסות לכינון יחסי המונים. לשם כך, ¹² C אטום שימש כנקודת התייחסות , המהווה את האיזוטופ הנפוץ והיציב ביותר עבור פחמן. בעל 6 פרוטונים (המספר האטומי Z), ו -6 נויטרונים, ולכן המסה האטומית שלו היא 12.

ההנחה נעשית כי לפרוטונים ולנויטרונים יש אותם המונים, כך שכל אחד מהם תורם 1 אמו. לאחר מכן מוגדרת יחידת המסה האטומית כעל שתים עשרה (1/12) מהמסה של אטום פחמן -12; זה המסה של פרוטון או נויטרון.

שוויון בגרמים

ועכשיו נשאלת השאלה הבאה: כמה גרם שווה 1 אמו? מכיוון שבתחילה לא היו טכניקות מספיק מתקדמות כדי למדוד אותה, הכימאים נאלצו להסתפק בביטוי כל ההמונים באמו; עם זאת, זה היה יתרון ולא חסרון.

למה? מכיוון שחלקיקים תת-אטומיים קטנים כל כך, המסה שלהם, הבאה לידי ביטוי בגרמים, חייבת להיות קטנה באותה מידה. לאמיתו של דבר, אמו 1 שווה ל 1.6605 · 10 ^-24 גרם. יתר על כן, בשימוש במושג השומה, זו לא הייתה בעיה לעבוד את המוני היסודות והאיזוטופים שלהם באמצעות אמו בידיעה שניתן לשנות יחידות כאלה ל- g / mol.

לדוגמה, בחזרה ל- ¹⁵ X ו- ⁹ Be, יש לנו שהמסה האטומית שלהם היא 15 אמו ו -9 אמאו בהתאמה. מכיוון שהיחידות הללו כל כך קטנות ואינן מספרות ישירות כמה חומר צריך "לשקול" כדי לתפעל אותן, הן הופכות להמונים הטוחניים שלהם בהתאמה: 15 גרם / מול ו -9 גר '/ מול (מציגה את מושגי השומות ואת המספר של אבוגדרו).

מסת אטומית ממוצעת

לא לכל האטומים מאותו יסוד יש אותה מסה. המשמעות היא שהם חייבים להיות בעלי יותר חלקיקים תת-אטומיים בגרעין. בהיותו אותו אלמנט, המספר האטומי או מספר הפרוטונים חייבים להישאר קבועים; לכן יש רק שונות בכמויות הנויטרונים שברשותם.

כך נראה מההגדרה של איזוטופים: אטומים של אותו יסוד אך בעלי מסות אטומיות שונות. לדוגמא, הבריליום מורכב כמעט כולו מהאיזוטופ ⁹ Be, עם כמויות עקבות של ¹⁰ Be. עם זאת, דוגמה זו אינה מועילה במיוחד בהבנת המושג מסה אטומית ממוצעת; אנו זקוקים לאחד עם איזוטופים נוספים.

דוגמא

נניח שרכיב ⁸⁸ J קיים , היותו האיזוטופ העיקרי של J עם שפע של 60%. ל- J יש גם שני איזוטופים אחרים: ⁸⁶ J, עם שפע של 20%, ו- ⁹⁰ J, עם שפע גם של 20%. משמעות הדבר היא שמאה אטומי J שנאספנו על כדור הארץ, 60 מהם הם ⁸⁸ J, והשאר הנותרים תערובת של ⁸⁶ J ו- ⁹⁰ J.

לכל אחד משלושת האיזוטופים של J יש מסה אטומית משלו; כלומר, סכום הנויטרונים והפרוטונים שלהם. עם זאת, יש לערוך ממוצע של המונים אלה בכדי שיהיה מסה אטומית עבור J בהישג יד; כאן על פני כדור הארץ, כמו שישנם אזורים אחרים ביקום בהם שפע ⁸⁶ J הוא 56% ולא 60%.

כדי לחשב את המסה האטומית הממוצעת של J, יש לקבל את הממוצע המשוקלל של המוני האיזוטופים שלו; כלומר, תוך התחשבות באחוז השפע עבור כל אחד מהם. כך יש לנו:

מסה ממוצעת (J) = (86 אמ"ה) (0.60) + (88 אמ"ו) (0.20) + (90 אמאו) (0.20)

= 87.2 אמו

כלומר, המסה האטומית הממוצעת (הידועה גם כמשקל האטומי) של J היא 87.2 אמו. בינתיים, המסה הטוחנית שלו היא 87.2 גרם / מול. שימו לב ש 87.2 קרוב יותר ל 88 מאשר ל 86, והוא גם רחוק מ 90.

מסה אטומית מוחלטת

המסה האטומית המוחלטת היא המסה האטומית המתבטאת בגרמים. החל מהדוגמא של היסוד ההיפותטי J, אנו יכולים לחשב את המסה האטומית המוחלטת שלו (זו של הממוצע) בידיעה שכל אמו שווה ל 1.6605 · 10 ^-24 גרם:

מסה אטומית מוחלטת (J) = 87.2 * האמו (1.6605 · 10 ^-24 גר '/ האמו)

= 1.447956 · 10 ^-22 גר '/ אטום J

משמעות הדבר היא שבממוצע לאטומי J יש מסה מוחלטת של 1.447956 · 10 ^-22 גרם.

מסה אטומית יחסית

המסה האטומית היחסית מספרית זהה למסה האטומית הממוצעת לאלמנט נתון; עם זאת, בניגוד לשני, הראשון חסר אחדות. לכן זה חסר ממדים. לדוגמא, המסה האטומית הממוצעת של הבריליום היא 9.012182 u; בעוד שהמסה האטומית היחסית שלו היא פשוט 9.012182.

זו הסיבה שלפעמים מושגים אלו מתפרשים לרוב כאל מילים נרדפות, מכיוון שהם דומים מאוד וההבדלים ביניהם עדינים. אבל מה ההמונים האלה יחסית? יחסית לשתים עשרה מהמסה של ¹² C.

לפיכך, אלמנט בעל מסה אטומית יחסית של 77 פירושו שיש לו מסה הגדולה פי 77 מ- ^1/12 מתוך ¹² צלזיוס.

מי שהתבונן באלמנטים בטבלה המחזורית יראה שהמוניהם באים לידי ביטוי יחסית. אין להם יחידות אמו וזה מתפרש כ: ברזל בעל מסה אטומית של 55,846, כלומר הוא מסה פי 55,846 מהמסה של 1/12 חלק ¹² צלזיוס, והוא יכול לבוא לידי ביטוי גם כ 55,846 אמו או 55.846 גרם / מול.

כיצד לחשב מסה אטומית

מבחינה מתמטית ניתנה דוגמה לחישוב זה בעזרת הדוגמה של יסוד J. באופן כללי, עלינו להחיל את הנוסחה הממוצעת המשוקללת, אשר תהיה:

P = Σ (מסה אטומית איזוטופית) (שפע בעשירים)

כלומר, שיש את ההמונים האטומיים (נויטרונים + פרוטונים) של כל איזוטופ (טבעי בדרך כלל) עבור יסוד נתון, כמו גם את השפע הארצי שלהם (או כל מה שהאזור נחשב), אז ניתן לחשב את הממוצע המשוקלל האמור.

ומדוע לא רק הממוצע החשבון? לדוגמא, המסה האטומית הממוצעת של J היא 87.2 אמו. אם נחשב את המסה הזו שוב אך על חשבון זה יהיה לנו:

מסה ממוצעת (J) = (88 אמו + 86 אמו + 90 אמו) / 3

= 88 אמו

שימו לב שיש הבדל חשוב בין 88 ל- 87.2. הסיבה לכך היא שהממוצע האריתמטי מניח שהשפע של כל האיזוטופים זהה; מכיוון שיש שלושה איזוטופים של J, לכל אחד מהם צריך להיות שפע של 100/3 (33.33%). אבל זה לא המקרה במציאות: ישנם איזוטופים שופעים בהרבה מאחרים.

לכן מחושב הממוצע המשוקלל, מכיוון שהוא אכן לוקח בחשבון עד כמה איזוטופ אחד שופע ביחס לאחר.

דוגמאות

פַּחמָן

כדי לחשב את המסה האטומית הממוצעת של פחמן אנו זקוקים לאיזוטופים הטבעיים שלו עם השפע שלהם. במקרה של פחמן, אלה הם: ¹² C (98.89%) ו- ¹³ C (1.11%). ההמונים האטומיים היחסיים שלהם הם 12 ו 13 בהתאמה, אשר בתורם שווים ל 12 אמו ו 13 אמאו. פְּתִירָה:

מסה אטומית ממוצעת (C) = (12 אמו) (0.9889) + (13 אמאו) (0.0111)

= 12.0111 אמו

לפיכך מסתו של אטום פחמן הוא בממוצע 12.01 אמו. מכיוון שיש כמויות עקבות של ¹⁴ צלזיוס, אין לה כמעט השפעה על הממוצע הזה.

נתרן

כל אטומי הנתרן הארציים מורכבים מאיזוטופ ²³ Na, כך ששפעו הוא 100%. זו הסיבה שבחישובים רגילים ניתן להניח שהמסה שלה היא פשוט 23 אמו או 23 גרם / מול. עם זאת, המסה המדויקת שלה היא 22.98976928 אמו.

חַמצָן

שלושת איזוטופי החמצן עם השפע שלהם הם: ¹⁶ O (99.762%), ¹⁷ O (0.038%) ו- ¹⁸ O (0.2%). יש לנו הכל כדי לחשב את המסה האטומית הממוצעת שלו:

מסה אטומית ממוצעת (O) = (16 אמו) (0.99762) + (17 אמאו) (0.00038) + (18 אמות) (0.002)

= 16.00438 אמו

למרות שהמסה המדויקת המדווחת היא למעשה 15.9994 אמו.

חַנקָן

חוזרים על אותם צעדים עם חמצן שיש לנו: ¹⁴ N (99.634%) ו- ¹⁵ N (0.366%). כך:

מסה אטומית ממוצעת (N) = (14 אמ"ו) (0.99634) + (15 אמ"ה) (0.00366)

= 14.00366 אמו

שים לב שהמסה המדווחת לחנקן היא 14.0067 אמו, מעט גבוהה יותר ממה שחישבנו.

כְּלוֹר

האיזוטופים של כלור בשפע שלהם הם: ³⁵ Cl (75.77%) ו- ³⁷ Cl (24.23%). חישוב המסה האטומית הממוצעת שיש לנו:

מסה אטומית ממוצעת (Cl) = (35 אמו) (0.7577) + (37 אמות) (0.2423)

= 35.4846 אמו

דומה מאוד לזה שדווח (35,453 אמו).

דיספרוסיום

ולבסוף, יחושב המסה הממוצעת של יסוד בעל איזוטופים טבעיים רבים: דיספרוזיום. אלה והשפע שלהם הם: ¹⁵⁶ Dy (0.06%), ¹⁵⁸ Dy (0.10%), ¹⁶⁰ Dy (2.34%), ¹⁶¹ Dy (18.91%), ¹⁶² Dy (25.51) %), ¹⁶³ Dy (24.90%) ו- ¹⁶⁴ Dy (28.18%).

אנו ממשיכים כמו בדוגמאות הקודמות לחישוב המסה האטומית של מתכת זו:

מסה אטומית ממוצעת (Dy) = (156 אמ"ו) (0.0006%) + (158 אמו) (0.0010) + (160 אמ"ו) (0.0234) + (161 אמו) (0.1891) + (162 amu) (0.2551) + (163 אמו) (0.2490) + (164 amu) (0.2818)

= 162.5691 אמו

המסה המדווחת היא 162,500 אמו. שימו לב שממוצע זה הוא בין 162 ל- 163, מכיוון שהאיזוטופים ¹⁵⁶ Dy, ¹⁵⁸ Dy ו- ¹⁶⁰ Dy הם מעטים בשפע; ואילו אלה השולטים הם ¹⁶² Dy, ¹⁶³ Dy ו- ¹⁶⁴ Dy.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
2. ויקיפדיה. (2019). מסה אטומית. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. כריסטופר מסי. (sf). מסה אטומית התאושש מ: wsc.mass.edu
4. נטלי וולצ'ובר. (12 בספטמבר 2017). איך שוקלים אטום? מדע חי. התאושש מ: livescience.com
5. כימיה LibreTexts. (05 ביוני, 2019). חישוב מסות אטומיות. התאושש מ: chem.libretexts.orgs
6. אדוארד וייקרס וח 'סטיבן פייזר. (15 בדצמבר 2017). משקל אטומי. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com