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.

rysunek \(\PageIndex{1}\): wyznaczanie względnych mas atomowych za pomocą spektrometru masowego. Chlor składa się z dwóch izotopów, \(^{35} Cl\) i \(^{37} Cl\), w stosunku około 3: 1. a) gdy próbka pierwiastkowego chloru jest wstrzykiwana do spektrometru masowego, energia elektryczna jest wykorzystywana do dysocjacji cząsteczek Cl2 na atomy chloru i konwersji atomów chloru na jony Cl+. Jony są następnie przyspieszane do pola magnetycznego. Zakres, w jakim jony są odchylane przez pole magnetyczne, zależy od ich względnego stosunku masy do ładunku. Należy zauważyć, że lżejsze jony 35Cl+ są odchylane bardziej niż cięższe jony 37cl+. Mierząc względne ugięcia jonów, chemicy mogą określić ich stosunek masy do ładunku, a tym samym ich masy. B) każdy pik w widmie masowym odpowiada Jonowi o określonym stosunku masy do ładunku. Obfitość dwóch izotopów można określić na podstawie wysokości pików.

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.

przykład \(\PageIndex{1}\)

brom naturalnie występujący składa się z dwóch izotopów wymienionych w poniższej tabeli:

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

Calculate the atomic mass of bromine.

Given: Dokładna masa i procent obfitości

zapytano o: masa atomowa

strategia:

  1. Przelicz procent obfitości na postać dziesiętną, aby uzyskać ułamek masowy każdego izotopu.
  2. pomnóż dokładną masę każdego izotopu przez odpowiadający mu ułamek masowy (procent obfitości ÷ 100), aby uzyskać jego ważoną masę.
  3. Dodaj razem masy ważone, aby uzyskać masę atomową pierwiastka.
  4. sprawdź, czy Twoja odpowiedź ma sens.

rozwiązanie:

a masa atomowa jest średnią ważoną mas izotopów. Ogólnie możemy napisać

masa atomowa pierwiastka = + + …

brom ma tylko dwa izotopy. Przeliczając procent obfitości na ułamki masowe daje

\
\

b pomnożenie dokładnej masy każdego izotopu przez odpowiadający mu ułamek masowy daje masę ważoną izotopu:

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

\(\RM^{81}Br: 80.9163 \;amu \razy 0.4931 = 39.90 \;amu\)

C suma mas ważonych jest masą atomową bromu jest

40.00 amu + 39.90 amu = 79.90 amu

d wartość ta jest mniej więcej w połowie drogi między masami dwóch izotopów, co jest spodziewane, ponieważ procent obfitości każdego z nich wynosi około 50%.

ćwiczenia \(\PageIndex{1}\)

magnez ma trzy izotopy wymienione w poniższej tabeli:

izotop Dokładna masa (UAM) procent 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

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.