2.4: masa atomowa

średnia masa atomowa

chociaż masy elektronu, protonu i neutronu są znane z dużą dokładnością (tabela 2.3.1), masa dowolnego atomu nie jest po prostu sumą mas jego elektronów, protonów i neutronów. Na przykład stosunek mas 1H (wodoru) i 2h (deuteru) wynosi w rzeczywistości 0,500384, a nie 0,49979, jak przewidywano na podstawie liczby obecnych neutronów i protonów. Chociaż różnica w masie jest niewielka, jest niezwykle ważna, ponieważ jest źródłem ogromnych ilości energii uwalnianej w reakcjach jądrowych.

ponieważ atomy są zbyt małe, aby zmierzyć je pojedynczo i nie mają ładunków, nie ma wygodnego sposobu dokładnego pomiaru absolutnych mas atomowych. Naukowcy mogą jednak bardzo dokładnie mierzyć względne masy atomowe za pomocą instrumentu zwanego spektrometrem mas. Technika ta jest koncepcyjnie podobna do tej, którą Thomson użył do określenia stosunku masy do ładunku elektronu. Po pierwsze, elektrony są usuwane z atomów lub cząsteczek lub dodawane do nich, tworząc w ten sposób naładowane cząstki zwane jonami. Po przyłożeniu pola elektrycznego jony są przyspieszane do osobnej komory, gdzie są odchylane od początkowej trajektorii przez pole magnetyczne, podobnie jak elektrony w eksperymencie Thomsona. Zakres ugięcia zależy od stosunku masy do ładunku jonu. Mierząc względne odchylenie jonów o tym samym ładunku, naukowcy mogą określić ich względne masy (rysunek \(\PageIndex{1}\)). Tak więc nie jest możliwe dokładne obliczenie absolutnych mas atomowych przez proste zsumowanie mas elektronów, protonów i neutronów, a absolutnych mas atomowych nie można zmierzyć, ale masy względne można zmierzyć bardzo dokładnie. To jest rzeczywiście dość powszechne w chemii spotkać Ilość, której wielkość może być mierzona tylko w stosunku do jakiejś innej ilości, a nie absolutnie. W dalszej części tego tekstu natkniemy się na wiele innych przykładów. W takich przypadkach chemicy Zwykle definiują standard, arbitralnie przypisując wartość liczbową jednej z wielkości, co pozwala im obliczyć wartości liczbowe dla reszty.

arbitralnym standardem, który został ustanowiony do opisywania masy atomowej, Jest jednostka masy atomowej (u lub u), zdefiniowana jako jedna dwunasta masy jednego atomu 12C. ponieważ masy wszystkich innych atomów są obliczane względem normy 12C, 12C jest jedynym atomem wymienionym w tabeli 2.3.2, którego Dokładna masa atomowa jest równa liczbie masowej. Eksperymenty wykazały, że 1 amu = 1,66 × 10-24 g.

eksperymenty Spektrometryczne Mas dają wartość 0,167842 dla stosunku masy 2h do masy 12C, więc masa bezwzględna 2h wynosi

\

masy innych pierwiastków są określane w podobny sposób.

układ okresowy zawiera listę mas atomowych wszystkich pierwiastków. Porównanie tych wartości z wartościami podanymi dla niektórych izotopów w tabeli 2.3.2 pokazuje, że masy atomowe podane w układzie okresowym nigdy nie odpowiadają dokładnie masom któregokolwiek z izotopów. Ponieważ większość pierwiastków istnieje jako mieszaniny kilku stabilnych izotopów, masa atomowa pierwiastka jest zdefiniowana jako średnia ważona mas izotopów. Na przykład, naturalnie występujący węgiel jest w dużej mierze mieszaniną dwóch izotopów: 98,89% 12C (masa = 12 amu z definicji) i 1,11% 13C (masa = 13,003355 amu). Procent obfitości 14C jest tak niski, że można go zignorować w tych obliczeniach. Średnia masa atomowa węgla jest następnie obliczana w następujący sposób:

\

węgiel ma przeważnie 12C, więc jego średnia masa atomowa powinna być bliska 12 amu, co jest zgodne z tymi obliczeniami.

wartość 12,01 jest pokazana pod symbolem C w układzie okresowym, choć bez skrótu amu, który jest zwyczajowo pomijany. Tak więc tabelaryczna masa atomowa węgla lub jakiegokolwiek innego pierwiastka jest średnią ważoną mas naturalnie występujących izotopów.