Atoma masa: definīcija, atomu masas vienības (u) un izotopi

Atoma masa: definīcija, atomu masas vienība (u) un izotopi — skaidrojums, aprēķini, oglekļa‑12 piemērs, izotopu masas un praktiskas formulas saprotami.

Atoma masa (bieži apzīmēta kā _ma) ir viena atoma masa konkrētam ķīmiskā elementa atomam. Tā ietver atomā esošo trīs galveno subatomāro daļiņu — protonu, neitronu un elektronu — masas, taču jāņem vērā arī kodolā esošā saista enerģija (masas defekts), kas nedaudz samazina kodola kopējo masu salīdzinājumā ar atsevišķu nukleonu summu.

Atoma masas vienība (u) un oglekļa-12 etalons

Atomu masas ir ļoti mazas, tāpēc tās parasti izsaka vienotās atomu masas vienībās (simbols: u). Viena atoma masas vienība ir definēta kā 1/12 viena oglekļa-12 atoma masa. Konkrēti,

1 u = 1,660 539 066 60(50) × 10-27 kg.

Oglekļa-12 atoma masa ir precīzi 12 u, tāpēc šis izotops tiek izmantots kā mērvienību etalons.

Kā aptuveni aprēķina atomu masas

Protonu un neitronu masas ir aptuveni 1 u (bet ne tieši — tie nedaudz atšķiras: neitronam ir nedaudz lielāka masa nekā protonam), savukārt elektronu masa ir ļoti maza (~0,00055 u). Tādēļ vienkāršā aplēse atomu masas vienībās bieži tiek iegūta, saskaitot protonu un neitronu skaitu kodolā — šo summu sauc par masas skaitli (A). Tomēr jāatceras:

• masas skaitlis A ir vesels skaitlis un nav mērvienību;
• reālā atoma masa (izteikta u) parasti atšķiras no A par aptuveni 0,1 u vai vairāk, jo jāņem vērā nukleonu reālās masas atšķirības un kodola masas defekts;
• kodolā esošā saista enerģija (E = mc2) samazina kodola masu salīdzinājumā ar atsevišķu daļiņu summu.

Izotopi un izotopiskā masa

Elementa protonu skaits nosaka, kāds elements tas ir, bet elementa atomiem var būt dažāds neitronu skaits — šādus atomus sauc par izotopiem. Piemēram, hloram dabā ir divi izplatīti izotopi: hlors-35 un hlors-37. Abiem izotopiem ir 17 protoni, bet hlora-35 kodolā ir 18 neitronu, bet hlora-37 — 20 neitronu. Katram izotopam ir sava īstā atoma masa (parasti izteikta u) — to sauc par izotopisko masu. Hlora gadījumā:

• hlora-35 izotopiskā masa ir aptuveni 34,97 u;
• hlora-37 izotopiskā masa ir aptuveni 36,97 u.

Masas skaitlis, relatīvā izotopu masa un relatīvā atommasa

Ir svarīgi atšķirt vairākus līdzīgus jēdzienus:

• Masas skaitlis (A) — vesels skaitlis, kas vienādo protonu un neitronu skaitu kodolā.
• Izotopiskā masa — konkrēta izotopa īstā atoma masa (parasti izteikta u).
• Relatīvā izotopiskā masa — izotopa masa attiecībā pret 1/12 oglekļa-12 atoma masu. Tā ir bezmērvienību lielums; skaitliski tā būs vienāda ar izotopisko masu, ja izotopiskā masa izteikta u.
• Relatīvā atommasa (A_r vai _Ar) — parauga elementa atomu vidējā masa attiecībā pret 1/12 oglekļa-12 atoma masu; arī bez mērvienībām. To iegūst kā izotopu relatīvo masu svērto vidējo pēc to dabīgā sastāva (abundances).

Piemērs ar hlora maisījumu: ja paraugs satur 75 % hlora-35 un 25 % hlora-37 pēc atomu skaita, relatīvā atommasa tiek aprēķināta kā svērtais vidējais:

Ar(Cl) = 0,75 × 34,97 u + 0,25 × 36,97 u ≈ 35,45 (bez mērvienībām).

Bieži noapaļošanai parocīgi minēt, ka hlors tabulās parādās ar relatīvo atommasu aptuveni 35,45, kas ir starpība starp izotopisku masām atkarībā no izotopu sastāva.

Saistība ar mola masu un mērīšanas metodes

Skaitliski atoma masa izteikta u ir vienāda ar tā molmasu izteiktu gramos uz molu (g·mol−1). Tas nozīmē, ka ja atoma masa ir 12 u (piemēram, oglekļa-12), tad molmasa ir 12 g·mol−1. Šī sakarība ļauj ērti pārvērst starp atomu masu un ķīmiskajā prasmē svarīgo molmasu.

Precīzi izmērīt izotopu masas un to relatīvās abundances parasti izmanto masas spektrometriju. No mērījumiem iegūst izotopisko masu un procentuālo sastāvu, pēc tam aprēķina relatīvo atommasu (vidējo). Starptautiskā precizitāte un definīcijas (oglekļa-12 etalons, Avogadro konstante u.c.) nodrošina, ka mērījumi ir salīdzināmi starptautiski.

Kopsavilkums — galvenās atziņas

• Atoma masa ir viena atoma īstā masa; to parasti izsaka atomu masas vienībās (u).
• Masas skaitlis (A) ir vesels skaitlis, kas vienādo protonu un neitronu summu kodolā; tas nav tas pats, kas atoma masa.
• Izotopi — viena elementa atomi ar dažādu neitronu skaitu; katram izotopam ir sava izotopiskā masa.
• Relatīvā atommasa (Ar) ir parauga elementa atomu vidējā masa salīdzinājumā ar 1/12 oglekļa-12 atoma masu un ir bezmērvienību rādītājs; tā ir noderīga tabulās un aprēķinos.
• Numeriski atoma masa (u) ir vienāda ar molmasu (g·mol−1), tādēļ vienkārši pārejas starp mikroskopisko (atomu līmeni) un makroskopisko (molāriju) mērogu.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir atoma masa?

J: Kā izsaka atoma masu?

J: Kāda ir oglekļa-12 atoma masa?

J: Kas nosaka, kāds elements ir atoms?

J: Kas ir izotopi?

J: Kāda ir atšķirība starp atoma masu un masas skaitli?

Meklēt pēc burta