2.4: Atomové Hmotnosti

Průměrnou Atomovou Hmotnost

i když masy elektron, proton a neutron jsou známé vysokým stupněm přesnosti (Tabulka 2.3.1), hmotnost daného atomu není jednoduše součet hmotností jeho elektrony, protony a neutrony. Například poměr hmotností 1H (vodík) a 2H (deuterium) je ve skutečnosti 0,500384, spíše než 0,49979, jak bylo předpovězeno z počtu přítomných neutronů a protonů. Ačkoli rozdíl v hmotnosti je malý, je nesmírně důležitý, protože je zdrojem obrovského množství energie uvolněné při jaderných reakcích.

Protože atomy jsou příliš malé na opatření individuálně a nemají poplatky, neexistuje žádný způsob, jak přesně změřit absolutní atomová hmotnost. Vědci však mohou měřit relativní atomové hmotnosti velmi přesně pomocí nástroje nazývaného hmotnostní spektrometr. Tato technika je koncepčně podobná té, kterou Thomson použil k určení poměru hmoty k náboji elektronu. Za prvé, elektrony jsou odstraněny nebo přidány do atomů nebo molekul, čímž vzniká nabité částice nazývané ionty. Když elektrické pole je aplikováno, ionty, jsou urychlovány do samostatné komory, kde jsou vychýlena ze své původní trajektorie magnetické pole, jako elektrony v Thomson experiment. Rozsah průhybu závisí na poměru hmotnosti k náboji iontu. Měřením relativního vychýlení iontů, které mají stejný náboj, mohou vědci určit jejich relativní hmotnosti (obrázek \(\PageIndex{1}\)). Proto není možné vypočítat absolutní atomová hmotnost přesně pouhým přidáním spolu masy elektrony, protony a neutrony, a absolutní atomová hmotnost nelze měřit, ale relativní masy lze měřit velmi přesně. To je ve skutečnosti poměrně běžné v chemii narazíte na množství, jehož velikost lze měřit pouze vzhledem k nějaké jiné kvantity, nikoli absolutně. S mnoha dalšími příklady se setkáme později v tomto textu. V takových případech chemici obvykle definují standard libovolným přiřazením číselné hodnoty jedné z veličin, což jim umožňuje vypočítat číselné hodnoty pro zbytek.

Obrázek \(\PageIndex{1}\): Stanovení Relativní Atomové hmotnosti Pomocí hmotnostního Spektrometru. Chlor se skládá ze dvou izotopů, \(^{35}Cl\) a \(^{37}Cl\), přibližně v poměru 3: 1. (a), Kdy je vzorek elementární chlór se aplikuje do hmotnostního spektrometru, elektrická energie je využívána oddělit Cl2 molekuly na atomy chloru a převést atomů chloru Cl+ ionty. Ionty jsou pak urychleny do magnetického pole. Rozsah, v jakém jsou ionty vychýleny magnetickým polem, závisí na jejich relativním poměru hmotnosti k náboji. Všimněte si, že lehčí ionty 35Cl+ jsou vychýleny více než těžší ionty 37Cl+. Měřením relativních výchylek iontů mohou chemici určit jejich poměry hmotnosti k náboji a tím i jejich hmotnosti. b) každý vrchol hmotnostního spektra odpovídá iontu se zvláštním poměrem hmotnost / náboj. Množství těchto dvou izotopů lze určit z výšek vrcholů.

libovolný standard, který byl zřízen pro popis atomová hmotnost je atomové hmotnostní jednotky (amu nebo u), definována jako jedna dvanáctina hmotnosti jednoho atomu 12C. Protože masy všechny ostatní atomy jsou vypočteny vzhledem k 12C standard, 12C je pouze atom uvedené v Tabulce 2.3.2 jehož přesné atomové hmotnosti je rovna hmotnosti číslo. Experimenty ukázaly, že 1 amu = 1.66 × 10-24 g.

Hmotnostní spektrometrické experimenty dát hodnotu 0.167842 pro poměr hmotnosti 2H hmotnosti 12C, takže absolutní množství 2H je

\

mas z dalších prvků jsou stanoveny podobným způsobem.

periodická tabulka uvádí atomové hmotnosti všech prvků. Porovnání těchto hodnot s hodnotami uvedenými pro některé izotopy v tabulce 2.3.2 ukazuje, že atomové hmotnosti uvedené v periodické tabulce nikdy přesně neodpovídají hodnotám žádného z izotopů. Protože většina prvků existuje jako směsi několika stabilních izotopů, atomová hmotnost prvku je definována jako vážený průměr hmotností izotopů. Například, přirozeně se vyskytující uhlík je do značné míry směs dvou izotopů: 98.89% 12C (hmotnost = 12 amu podle definice) a 1.11% 13C (hmotnost = 13.003355 amu). Procentuální hojnost 14C je tak nízká, že ji lze v tomto výpočtu ignorovat. Průměrná atomová hmotnost uhlíku se pak vypočítá následovně:

\

uhlík je převážně 12C, takže jeho průměrná atomová hmotnost by se měla blížit 12 amu, což je v souladu s tímto výpočtem.

hodnota 12.01 je zobrazena pod symbolem pro C v periodické tabulce, i když bez zkratky amu, která je obvykle vynechána. Tabulková atomová hmotnost uhlíku nebo jakéhokoli jiného prvku je tedy váženým průměrem hmotností přirozeně se vyskytujících izotopů.

příklad \(\PageIndex{1}\)

přirozeně se vyskytující brom se skládá ze dvou izotopů uvedených v následující tabulce:

Isotope Exact Mass (amu) Percent Abundance (%)
79Br 78.9183 50.69
81Br 80.9163 49.31

Calculate the atomic mass of bromine.

Given: přesná hmotnost a procentní hojnost

požádal o: atomová hmotnost

strategie:

  1. převeďte procentní hojnost na desetinnou formu, abyste získali hmotnostní zlomek každého izotopu.
  2. vynásobte přesnou hmotnost každého izotopu jeho odpovídajícím hmotnostním podílem (procento hojnosti ÷ 100), abyste získali jeho váženou hmotnost.
  3. sečtěte vážené hmotnosti, abyste získali atomovou hmotnost prvku.
  4. zkontrolujte, zda má vaše odpověď smysl.

řešení:

a atomová hmotnost je vážený průměr hmotností izotopů. Obecně lze napsat

atomová hmotnost prvku = + + …

brom má pouze dva izotopy. Převod procent abundances na hmotnostní zlomky dává

\
\

B Vynásobením přesné množství jednotlivých izotopů odpovídající hmotnostní zlomek dává izotop je vážená hmotnost:

\(\rm^{79}Br: 79.9183 \;amu \times 0.5069 = 40.00\; amu\)

\(\rm^{81}Br: 80.9163 \;amu \times 0.4931 = 39.90 \;amu\)

C součet vážených mas je atomová hmotnost bromu.

40.00 amu + 39.90 amu = 79.90 amu

d tato hodnota je asi na půli cesty mezi hmotami dvou izotopů, což se očekává, protože procentuální hojnost každého z nich je přibližně 50%.

Cvičení \(\PageIndex{1}\)

Hořčík má tři izotopy uvedeny v následující tabulce:

Izotop Přesné Hmotnosti (amu) Procenta Četnost (%)
24Mg 23.98504 78.70
25Mg 24.98584 10.13
26Mg 25.98259 11.17

Use these data to calculate the atomic mass of magnesium.

Answer: 24.31 amu

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.