มวลอะตอม: คำจำกัดความประเภทวิธีการคำนวณตัวอย่าง - เคมี - 2025

มวลอะตอมคือปริมาณของวัสดุที่นำเสนอในอะตอมซึ่งสามารถแสดงในหน่วยทางกายภาพสามัญหรือในหน่วยของมวลอะตอม (UMA OU) อะตอมว่างเปล่าในโครงสร้างเกือบทั้งหมด อิเล็กตรอนที่กระจายอยู่ในบริเวณที่เรียกว่าออร์บิทัลซึ่งมีความเป็นไปได้ที่จะพบและนิวเคลียสของพวกมัน

ในนิวเคลียสของอะตอมมีโปรตอนและนิวตรอน อดีตมีประจุบวกในขณะที่หลังมีประจุเป็นกลาง อนุภาคย่อยของอะตอมทั้งสองนี้มีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนมาก ดังนั้นมวลของอะตอมจึงถูกควบคุมโดยนิวเคลียสของมันไม่ใช่โดยสุญญากาศหรืออิเล็กตรอน

อนุภาคย่อยของอะตอมหลักและมวลของนิวเคลียส ที่มา: Gabriel Bolívar

มวลของอิเล็กตรอนอยู่ที่ประมาณ 9.1 · 10 ^-31กก. ในขณะที่โปรตอน 1.67 · 10 ^-27กก. มีอัตราส่วนมวล 1,800 นั่นคือโปรตอน“ มีน้ำหนัก” มากกว่าอิเล็กตรอน 1,800 เท่า ในทำนองเดียวกันก็เกิดขึ้นกับมวลของนิวตรอนและอิเล็กตรอน นั่นคือเหตุผลว่าทำไมการมีส่วนร่วมของอิเล็กตรอนเพื่อวัตถุประสงค์ทั่วไปจึงถือว่าน้อยมาก

ด้วยเหตุนี้จึงสันนิษฐานได้ว่ามวลของอะตอมหรือมวลอะตอมขึ้นอยู่กับมวลของนิวเคลียสเท่านั้น ซึ่งจะประกอบด้วยผลรวมของสสารของนิวตรอนและโปรตอน สองแนวคิดที่เกิดจากการให้เหตุผลนี้: เลขมวลและมวลอะตอมทั้งสองมีความสัมพันธ์กัน

ด้วย "ความว่างเปล่า" ในอะตอมจำนวนมากและเนื่องจากมวลของมันเกือบทั้งหมดเป็นหน้าที่ของนิวเคลียสจึงคาดว่าอย่างหลังจะมีความหนาแน่นมากเป็นพิเศษ

หากเราลบความว่างเปล่าดังกล่าวออกจากร่างกายหรือวัตถุใด ๆ ขนาดของมันจะหดตัวอย่างรุนแรง นอกจากนี้ถ้าเราสามารถสร้างวัตถุขนาดเล็กโดยอาศัยนิวเคลียสของอะตอม (โดยไม่มีอิเล็กตรอน) มันก็จะมีมวลหลายล้านตัน

ในทางกลับกันมวลอะตอมช่วยในการแยกแยะอะตอมต่าง ๆ ของธาตุเดียวกัน นี่คือไอโซโทป เนื่องจากมีไอโซโทปที่อุดมสมบูรณ์มากกว่าชนิดอื่น ๆ จึงต้องประมาณค่าเฉลี่ยของมวลของอะตอมสำหรับองค์ประกอบที่กำหนด ค่าเฉลี่ยที่อาจแตกต่างกันไปในแต่ละดาวเคราะห์หรือจากพื้นที่หนึ่งไปยังอีกพื้นที่หนึ่ง

ความหมายและแนวคิด

ตามความหมายมวลอะตอมคือผลรวมของมวลของโปรตอนและนิวตรอนที่แสดงด้วย uma หรือ u จำนวนผลลัพธ์ (บางครั้งเรียกว่าเลขมวล) วางแบบไร้มิติที่มุมบนซ้ายในสัญกรณ์ที่ใช้สำหรับนิวไคลด์ ตัวอย่างเช่นสำหรับธาตุ¹⁵ X มวลอะตอมคือ 15uma หรือ 15u

มวลอะตอมไม่สามารถบอกได้มากเกี่ยวกับตัวตนที่แท้จริงของธาตุ X นี้ แต่จะใช้เลขอะตอมซึ่งสอดคล้องกับโปรตอนในนิวเคลียสของ X ถ้าตัวเลขนี้เท่ากับ 7 ความแตกต่าง ( 15-7) จะเท่ากับ 8; นั่นคือ X มี 7 โปรตอนและ 8 นิวตรอนผลรวมเท่ากับ 15

กลับไปที่รูปนิวเคลียสมี 5 นิวตรอนและ 4 โปรตอนดังนั้นจำนวนมวลของมันคือ 9 และในทางกลับกัน 9 amu คือมวลของอะตอม ด้วยการมีโปรตอน 4 ตัวและศึกษาตารางธาตุจะเห็นได้ว่านิวเคลียสนี้สอดคล้องกับของธาตุเบริลเลียม Be (หรือ⁹ Be)

หน่วยมวลอะตอม

อะตอมมีขนาดเล็กเกินกว่าจะวัดมวลได้ด้วยวิธีการธรรมดาหรือเครื่องชั่งธรรมดา ด้วยเหตุนี้จึงมีการคิดค้น uma, uo Da (ตาบอดสี) ขึ้น หน่วยเหล่านี้คิดค้นขึ้นสำหรับอะตอมช่วยให้คุณมีความคิดว่าอะตอมของธาตุมีความสัมพันธ์กันมากเพียงใด

แต่ uma หมายถึงอะไร? ต้องมีการอ้างอิงเพื่อสร้างมวลชนสัมพันธ์ ด้วยเหตุนี้จึงใช้อะตอม¹² C เป็นข้อมูลอ้างอิงซึ่งเป็นไอโซโทปที่อุดมสมบูรณ์และเสถียรที่สุดสำหรับคาร์บอน การมีโปรตอน 6 ตัว (เลขอะตอม Z) และ 6 นิวตรอนมวลอะตอมของมันจึงเท่ากับ 12

สมมติฐานนี้สร้างขึ้นว่าโปรตอนและนิวตรอนมีมวลเท่ากันดังนั้นแต่ละตัวจึงก่อให้เกิด 1 amu จากนั้นหน่วยมวลอะตอมจะถูกกำหนดให้เป็นหนึ่งในสิบสอง (1/12) ของมวลของคาร์บอน -12 อะตอม นี่คือมวลของโปรตอนหรือนิวตรอน

ความเท่ากันเป็นกรัม

และตอนนี้คำถามต่อไปนี้เกิดขึ้น: 1 amu เท่ากับกี่กรัม? เนื่องจากในตอนแรกไม่มีเทคนิคขั้นสูงเพียงพอที่จะวัดได้นักเคมีจึงต้องจัดการกับการแสดงมวลทั้งหมดด้วย amu; อย่างไรก็ตามนี่เป็นข้อดีและไม่ใช่ข้อเสีย

ทำไม? เนื่องจากอนุภาคย่อยของอะตอมมีขนาดเล็กมวลของมันซึ่งแสดงเป็นกรัมจึงต้องมีขนาดเล็กพอ ๆ ในความเป็นจริง 1 amu เท่ากับ 1.6605 · 10 ^-24กรัม ยิ่งไปกว่านั้นด้วยการใช้แนวคิดเรื่องโมลมันไม่ใช่ปัญหาในการทำงานมวลของธาตุและไอโซโทปของพวกมันด้วยความที่รู้ว่าหน่วยดังกล่าวสามารถแก้ไขเป็น g / mol ได้

ตัวอย่างเช่นกลับไปที่¹⁵ X และ⁹ Be เราพบว่ามวลอะตอมของมันคือ 15 amu และ 9 amu ตามลำดับ เนื่องจากหน่วยเหล่านี้มีขนาดเล็กมากและไม่ได้บอกโดยตรงว่าต้อง "ชั่งน้ำหนัก" เพื่อจัดการกับสสารเท่าใดจึงเปลี่ยนเป็นมวลฟันกรามตามลำดับ: 15 กรัม / โมลและ 9 กรัม / โมล (แนะนำแนวคิดเรื่องโมลและจำนวนอโวกาโดร)

มวลอะตอมเฉลี่ย

ไม่ใช่ว่าทุกอะตอมของธาตุเดียวกันจะมีมวลเท่ากัน นั่นหมายความว่าพวกมันจะต้องมีอนุภาคย่อยในนิวเคลียสมากกว่านี้ เนื่องจากเป็นองค์ประกอบเดียวกันเลขอะตอมหรือจำนวนโปรตอนต้องคงที่ ดังนั้นจึงมีความแปรผันของปริมาณนิวตรอนที่มีอยู่เท่านั้น

นี่คือลักษณะที่ปรากฏจากคำจำกัดความของไอโซโทป: อะตอมของธาตุเดียวกัน แต่มีมวลอะตอมต่างกัน ตัวอย่างเช่นเบริลเลียมเกือบทั้งหมดประกอบด้วยไอโซโทป⁹ Be โดยมีปริมาณการติดตาม¹⁰ Be อย่างไรก็ตามตัวอย่างนี้ไม่ค่อยมีประโยชน์ในการทำความเข้าใจแนวคิดเรื่องมวลอะตอมเฉลี่ย เราต้องการไอโซโทปที่มีมากกว่านี้

ตัวอย่าง

สมมติว่าธาตุ⁸⁸ J มีอยู่นี่คือไอโซโทปหลักของ J ที่มีจำนวนมากถึง 60% J ยังมีไอโซโทปอื่น ๆ อีกสองไอโซโทป: ⁸⁶ J โดยมีจำนวนมาก 20% และ⁹⁰ J โดยมีความอุดมสมบูรณ์ 20% ซึ่งหมายความว่าจาก 100 J อะตอมที่เราสะสมบนโลก 60 ในจำนวนนั้นคือ⁸⁸ J และที่เหลืออีก 40 อะตอมเป็นส่วนผสมของ⁸⁶ J และ⁹⁰ J

แต่ละไอโซโทปของ J ทั้งสามมีมวลอะตอมของตัวเอง นั่นคือผลรวมของนิวตรอนและโปรตอน อย่างไรก็ตามมวลเหล่านี้ต้องถูกนำมาเฉลี่ยเพื่อให้มีมวลอะตอมสำหรับ J ในมือ ที่นี่บนโลกเนื่องจากอาจมีภูมิภาคอื่น ๆ ของจักรวาลที่ความอุดมสมบูรณ์ของ⁸⁶ J เท่ากับ 56% ไม่ใช่ 60%

ในการคำนวณมวลอะตอมเฉลี่ยของ J ต้องได้รับค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักของมวลของไอโซโทป นั่นคือคำนึงถึงเปอร์เซ็นต์ของความอุดมสมบูรณ์สำหรับแต่ละคน ดังนั้นเราจึงมี:

มวลเฉลี่ย (J) = (86 amu) (0.60) + (88 amu) (0.20) + (90 amu) (0.20)

= 87.2 น

นั่นคือมวลอะตอมเฉลี่ย (หรือที่เรียกว่าน้ำหนักอะตอม) ของ J คือ 87.2 amu ในขณะเดียวกันมวลโมลาร์ของมันคือ 87.2 กรัม / โมล โปรดทราบว่า 87.2 อยู่ใกล้ 88 มากกว่า 86 และอยู่ห่างจาก 90 ด้วย

มวลอะตอมสัมบูรณ์

มวลอะตอมสัมบูรณ์คือมวลอะตอมที่แสดงหน่วยเป็นกรัม เริ่มต้นจากตัวอย่างขององค์ประกอบ J สมมุติเราสามารถคำนวณมวลอะตอมของสัมบูรณ์ (ที่ค่าเฉลี่ย) รู้ว่าแต่ละมวลอะตอมเท่ากับ 1.6605 · 10 ^-24กรัม:

แอบโซลูทมวลอะตอม (J) = 87.2 Amu * (1.6605 · 10 ^-24กรัม / Amu)

= 1.447956 · 10 ^-22 g / J อะตอม

ซึ่งหมายความว่าโดยเฉลี่ยแล้วอะตอม J จะมีมวลที่แน่นอนเท่ากับ 1.447956 · 10 ^-22 g

มวลอะตอมสัมพัทธ์

มวลอะตอมสัมพัทธ์ในเชิงตัวเลขจะเหมือนกับมวลอะตอมเฉลี่ยสำหรับองค์ประกอบที่กำหนด อย่างไรก็ตามแตกต่างจากครั้งที่สองประการแรกขาดความสามัคคี ดังนั้นจึงไม่มีมิติ ตัวอย่างเช่นมวลอะตอมเฉลี่ยของเบริลเลียมเท่ากับ 9.012182 u; ในขณะที่มวลอะตอมสัมพัทธ์มีค่าเพียง 9.012182

นั่นคือเหตุผลที่บางครั้งแนวคิดเหล่านี้มักตีความผิดว่าเป็นคำพ้องความหมายเนื่องจากมีความคล้ายคลึงกันมากและความแตกต่างระหว่างแนวคิดเหล่านี้มีความละเอียดอ่อน แต่มวลเหล่านี้สัมพันธ์กับอะไร? เทียบกับหนึ่งในสิบสองของมวล¹² C

ดังนั้นธาตุที่มีมวลอะตอมสัมพัทธ์ 77 หมายความว่ามันมีมวล 77 เท่ามากกว่า^1/12ของ¹² C

ผู้ที่ได้ดูองค์ประกอบในตารางธาตุจะเห็นว่ามวลของมันค่อนข้างแสดงออก พวกมันไม่มีหน่วยของ amu และตีความได้ว่า: เหล็กมีมวลอะตอม 55,846 ซึ่งหมายความว่ามีมวลมากกว่ามวล 1/12 ของ¹² C ถึง 55,846 เท่าและยังสามารถแสดงเป็น 55,846 amu หรือ 55.846 ก. / โมล.

วิธีคำนวณมวลอะตอม

ในทางคณิตศาสตร์มีตัวอย่างวิธีการคำนวณด้วยตัวอย่างขององค์ประกอบ J โดยทั่วไปเราต้องใช้สูตรถัวเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักซึ่งจะเป็น:

P = Σ (มวลอะตอมของไอโซโทป) (จำนวนทศนิยม)

นั่นคือการมีมวลอะตอม (นิวตรอน + โปรตอน) ของแต่ละไอโซโทป (โดยปกติตามธรรมชาติ) สำหรับองค์ประกอบที่กำหนดเช่นเดียวกับความอุดมสมบูรณ์ของพื้นดินตามลำดับ (หรืออะไรก็ตามในภูมิภาคที่พิจารณา) จากนั้นจึงสามารถคำนวณค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักได้

แล้วทำไมไม่แค่ค่าเฉลี่ยเลขคณิตล่ะ? ตัวอย่างเช่นมวลอะตอมเฉลี่ยของ J คือ 87.2 amu ถ้าเราคำนวณมวลนี้อีกครั้ง แต่ในทางคณิตศาสตร์เราจะได้:

มวลเฉลี่ย (J) = (88 amu + 86 amu + 90 amu) / 3

= 88 น

โปรดทราบว่ามีความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง 88 และ 87.2 เนื่องจากค่าเฉลี่ยเลขคณิตสันนิษฐานว่าความอุดมสมบูรณ์ของไอโซโทปทั้งหมดเท่ากัน เนื่องจากมีสามไอโซโทปของ J แต่ละไอโซโทปจึงควรมีความอุดมสมบูรณ์ 100/3 (33.33%) แต่นี่ไม่ใช่กรณีในความเป็นจริง: มีไอโซโทปที่อุดมสมบูรณ์มากกว่าชนิดอื่น ๆ

นั่นคือเหตุผลที่มีการคำนวณค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักเนื่องจากจะพิจารณาว่าไอโซโทปหนึ่งมีมากเพียงใดเมื่อเทียบกับอีกไอโซโทป

ตัวอย่าง

คาร์บอน

ในการคำนวณมวลอะตอมเฉลี่ยของคาร์บอนเราจำเป็นต้องมีไอโซโทปตามธรรมชาติซึ่งมีจำนวนมากตามลำดับ ในกรณีของคาร์บอน ได้แก่¹² C (98.89%) และ¹³ C (1.11%) มวลอะตอมสัมพัทธ์ของพวกมันคือ 12 และ 13 ตามลำดับซึ่งจะเท่ากับ 12 amu และ 13 amu แก้:

มวลอะตอมเฉลี่ย (C) = (12 amu) (0.9889) + (13 amu) (0.0111)

= 12.0111 น

ดังนั้นมวลของอะตอมของคาร์บอนจึงมีค่าเฉลี่ย 12.01 amu เนื่องจากมีปริมาณการติดตาม¹⁴ C จึงแทบไม่มีผลต่อค่าเฉลี่ยนี้

โซเดียม

อะตอมของโซเดียมบนบกทั้งหมดประกอบด้วยไอโซโทป²³ Na ดังนั้นจึงมีความอุดมสมบูรณ์ 100% นั่นคือเหตุผลที่ในการคำนวณธรรมดามวลของมันสามารถสันนิษฐานได้ว่าเป็นเพียง 23 amu หรือ 23 g / mol อย่างไรก็ตามมวลที่แน่นอนคือ 22.98976928 amu

ออกซิเจน

ไอโซโทปของออกซิเจนทั้งสามที่มีความอุดมสมบูรณ์ตามลำดับ ได้แก่¹⁶ O (99.762%), ¹⁷ O (0.038%) และ¹⁸ O (0.2%) เรามีทุกอย่างในการคำนวณมวลอะตอมเฉลี่ย:

มวลอะตอมเฉลี่ย (O) = (16 amu) (0.99762) + (17 amu) (0.00038) + (18 amu) (0.002)

= 16.00438 น

แม้ว่าจะมีการรายงานมวลที่แน่นอนคือ 15.9994 amu

ก๊าซไนโตรเจน

ทำซ้ำขั้นตอนเดียวกันกับออกซิเจนที่เรามี: ¹⁴ N (99.634%) และ¹⁵ N (0.366%) ดังนั้น:

มวลอะตอมเฉลี่ย (N) = (14 amu) (0.99634) + (15 amu) (0.00366)

= 14.00366 น

โปรดทราบว่ามวลไนโตรเจนที่รายงานคือ 14.0067 น. ซึ่งสูงกว่าที่เราคำนวณไว้เล็กน้อย

คลอรีน

ไอโซโทปของคลอรีนที่มีปริมาณมาก ได้แก่³⁵ Cl (75.77%) และ³⁷ Cl (24.23%) การคำนวณมวลอะตอมเฉลี่ยที่เรามี:

มวลอะตอมเฉลี่ย (Cl) = (35 amu) (0.7577) + (37 amu) (0.2423)

= 35.4846 น

คล้ายกับที่รายงานไว้มาก (35,453 amu)

ดิสโพรเซียม

และสุดท้ายมวลเฉลี่ยของธาตุที่มีไอโซโทปธรรมชาติจำนวนมากจะถูกคำนวณ: ดิสโพรเซียม สิ่งเหล่านี้และความอุดมสมบูรณ์ตามลำดับ ได้แก่¹⁵⁶ Dy (0.06%), ¹⁵⁸ Dy (0.10%), ¹⁶⁰ Dy (2.34%), ¹⁶¹ Dy (18.91%), ¹⁶² Dy (25.51 %) %), ¹⁶³ Dy (24.90%) และ¹⁶⁴ Dy (28.18%)

เราดำเนินการตามตัวอย่างก่อนหน้านี้เพื่อคำนวณมวลอะตอมของโลหะนี้:

มวลอะตอมเฉลี่ย (Dy) = (156 amu) (0.0006%) + (158 amu) (0.0010) + (160 amu) (0.0234) + (161 amu) (0.1891) + (162 อามุ) (0.2551) + (163 น.) (0.2490) + (164 น.) (0.2818)

= 162.5691 น

มวลที่รายงานคือ 162,500 amu สังเกตว่าค่าเฉลี่ยนี้อยู่ระหว่าง 162 ถึง 163 เนื่องจากไอโซโทป¹⁵⁶ Dy, ¹⁵⁸ Dy และ¹⁶⁰ Dy มีอยู่ไม่มากนัก ในขณะที่ผู้ที่มีอำนาจเหนือกว่าคือ¹⁶² Dy, ¹⁶³ Dy และ¹⁶⁴ Dy

อ้างอิง

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley (2008) เคมี (ฉบับที่ 8) CENGAGE การเรียนรู้
2. วิกิพีเดีย (2019) มวลอะตอม. สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
3. Christopher Masi (เอสเอฟ) มวลอะตอมกู้คืนจาก: wsc.mass.edu
4. Natalie Wolchover (12 กันยายน 2560). คุณชั่งน้ำหนักอะตอมได้อย่างไร? วิทยาศาสตร์สด. ดึงมาจาก: livescience.com
5. เคมี LibreTexts (05 มิถุนายน 2562). การคำนวณมวลอะตอม ดึงมาจาก: chem.libretexts.orgs
6. Edward Wichers และ H. Steffen Peiser (15 ธันวาคม 2560). น้ำหนักอะตอม. สารานุกรมบริแทนนิกา. ดึงมาจาก: britannica.com