Masa atomowa - Atomic mass

Stylizowany atom litu -7: 3 protony, 4 neutrony i 3 elektrony (łącznie elektrony stanowią ~ 14300 masy jądra). Ma masę 7,016 Da. Rzadki lit-6 (masa 6,015 Da) ma tylko 3 neutrony, zmniejszając masę atomową (średnią) litu do 6,941.

Masy atomowej ( m lub m ) jest masa o atomie . Chociaż jednostką masy w układzie SI jest kilogram (symbol: kg), masa atomowa jest często wyrażana w jednostce masy atomowej innej niż jednostka SI (amu) lub w ujednoliconej masie (u) lub dalton (symbol: Da), gdzie 1 amu lub 1 u lub 1 Da definiuje się jako 112 masy pojedynczego atomu węgla-12 w spoczynku. W protony i neutrony z jądra stanowią prawie wszystkich całkowitej masy węgla, przy elektronów oraz energia wiązania jądrowego wnoszące wkład niewielkie. Zatem wartość liczbowa masy atomowej wyrażona w daltonach ma prawie taką samą wartość jak liczba masowa . Konwersja między masą w kilogramach a masą w daltonach może być wykonana przy użyciu stałej masy atomowej .

Formuła używana do konwersji to:

gdzie jest stałą masy molowej , jest stałą Avogadro i jest eksperymentalnie wyznaczoną masą molową węgla-12.

Względna masa izotopowe (patrz poniżej), mogą być uzyskane przez podzielenie masy atomowej m A izotopu przez stałej masy atomowej m u uzyskując wartość bezwymiarową . Zatem masa atomowa atomu węgla-12 wynosi12 Da z definicji, ale względna masa izotopowa atomu węgla-12 wynosi po prostu 12. Suma względnych mas izotopowych wszystkich atomów w cząsteczce jest względną masą cząsteczkową .

Masa atomowa izotopu i względna masa izotopowa odnosi się do określonego izotopu pierwiastka. Ponieważ substancje zwykle nie są izotopowo czyste, wygodnie jest użyć masy atomowej pierwiastka, która jest średnią ( średnią ) masą atomową pierwiastka, ważoną przez obfitość izotopów. Bezwymiarowy ( średnia) Masa atomowa jest ważona średnia względna masa izotopowego w (typowo występujące naturalnie) mieszaniny izotopów.

Masa atomowa atomów, jonów lub jąder atomowych jest nieco mniejsza niż suma mas ich składowych protonów, neutronów i elektronów , z powodu utraty masy energii wiązania (na E = mc 2 ).

Względna masa izotopowa

Względnej masy izotopowej (właściwości pojedynczego atomu) nie należy mylić z uśrednioną masą atomową (patrz wyżej), czyli średnią wartości dla wielu atomów w danej próbce pierwiastka chemicznego.

Podczas gdy masa atomowa jest masą bezwzględną, względna masa izotopowa jest liczbą bezwymiarową bez jednostek. Ta utrata jednostek wynika z zastosowania współczynnika skalowania w odniesieniu do wzorca węgla-12, a słowo „względna” w określeniu „względna masa izotopowa” odnosi się do tego skalowania w stosunku do węgla-12.

Względna masa izotopowa jest więc masą danego izotopu (a konkretnie dowolnego pojedynczego nuklidu ), gdy ta wartość jest skalowana przez masę węgla-12 , gdzie ta ostatnia musi być wyznaczona doświadczalnie. Równoważnie względna masa izotopowa izotopu lub nuklidu jest masą izotopu w stosunku do 1/12 masy atomu węgla-12.

Na przykład względna masa izotopowa atomu węgla-12 wynosi dokładnie 12. Dla porównania masa atomowa atomu węgla-12 wynosi dokładnie 12 daltonów . Alternatywnie masa atomowa atomu węgla-12 może być wyrażona w dowolnych innych jednostkach masy: na przykład masa atomowa atomu węgla-12 to1,992 646 879 92 (60) × 10 -26  kg .

Podobnie jak w przypadku powiązanej masy atomowej wyrażonej w daltonach , względne izotopowe liczby masowe nuklidów innych niż węgiel-12 nie są liczbami całkowitymi, ale zawsze są bliskie liczbom całkowitym. Zostało to w pełni omówione poniżej.

Podobne terminy dla różnych ilości

Masa atomowa lub względna masa izotopowa są czasami mylone lub niewłaściwie używane jako synonimy względnej masy atomowej (znanej również jako masa atomowa) lub standardowej masy atomowej (szczególna odmiana masy atomowej, w tym sensie, że jest znormalizowana). Jednak, jak zauważono we wstępie, masa atomowa jest masą bezwzględną, podczas gdy wszystkie inne terminy są bezwymiarowe. Względna masa atomowa i standardowa masa atomowa reprezentują terminy dla (ważonych liczebnością) średnich względnych mas atomowych w próbkach elementarnych, a nie dla pojedynczych nuklidów. Jako takie, względna masa atomowa i standardowa masa atomowa często różnią się liczbowo od względnej masy izotopowej.

Masa atomowa (względna masa izotopowa) jest zdefiniowana jako masa pojedynczego atomu, który może być tylko jednym izotopem (nuklidem) na raz i nie jest średnią ważoną liczebnością, jak w przypadku względnej masy atomowej/atomu waga. Masa atomowa lub względna masa izotopowa każdego izotopu i nuklidu pierwiastka chemicznego jest zatem liczbą, którą w zasadzie można zmierzyć z dużą precyzją, ponieważ oczekuje się, że każda próbka takiego nuklidu będzie dokładnie taka sama jak każda inna próbka, ponieważ oczekuje się, że wszystkie atomy danego typu w tym samym stanie energetycznym i każda próbka danego nuklidu będą miały dokładnie identyczną masę jak każda inna próbka tego nuklidu. Na przykład oczekuje się, że każdy atom tlenu-16 ma dokładnie taką samą masę atomową (względną masę izotopową) jak każdy inny atom tlenu-16.

W przypadku wielu pierwiastków, które mają jeden naturalnie występujący izotop ( pierwiastki jednonuklidowe ) lub jeden dominujący izotop, różnica między masą atomową najpowszechniejszego izotopu a (standardową) względną masą atomową lub (standardową) masą atomową może być niewielka lub nawet zero i nie wpływa na większość obliczeń zbiorczych. Jednak taki błąd może istnieć, a nawet być ważny przy rozważaniu pojedynczych atomów dla pierwiastków, które nie są jednojądrowe.

W przypadku pierwiastków niejednonuklidowych, które mają więcej niż jeden wspólny izotop, różnica liczbowa względnej masy atomowej (masy atomowej) od nawet najbardziej powszechnej względnej masy izotopowej może wynosić co najmniej pół jednostki masy (np. patrz przypadek chloru, gdzie atom waga i standardowa masa atomowa wynoszą około 35,45). Masa atomowa (względna masa izotopowa) rzadkiego izotopu może różnić się od względnej masy atomowej, masy atomowej lub standardowej masy atomowej o kilka jednostek masy.

Względne masy izotopowe są zawsze bliskie wartościom liczb całkowitych, ale nigdy (z wyjątkiem węgla-12) nie są dokładnie liczbą całkowitą, z dwóch powodów:

  • protony i neutrony mają różne masy, a różne nuklidy mają różne stosunki protonów i neutronów.
  • masy atomowe są redukowane w różnym stopniu przez ich energie wiązania .

Stosunek masy atomowej do liczby masowej (liczba nukleonów) waha się od0,998 838 1346 (51) dla 56 Fe do1.007 825 031 898 (14) przez 1 godz.

Każdy defekt masy spowodowany energią wiązania jądra jest eksperymentalnie małym ułamkiem (mniej niż 1%) masy równej liczby wolnych nukleonów. W porównaniu ze średnią masą nukleonu w węglu-12, który jest umiarkowanie silnie związany w porównaniu z innymi atomami, defekt masy wiązania dla większości atomów jest jeszcze mniejszy ułamek daltona ( ujednolicona jednostka masy atomowej , oparta na węglu- 12). Ponieważ wolne protony i neutrony różnią się od siebie masą o mały ułamek daltona (1,388 449 33 (49) x 10 -3  Da ), sposobu względną masę izotopowe lub masę atomową danego izotopu podanym w daltonów do najbliższej liczby całkowitej, zawsze daje liczbę nukleon lub liczbę masową. Dodatkowo, liczbę neutronów ( liczbę neutronów ) można następnie uzyskać odejmując liczbę protonów ( liczbę atomową ) od liczby masowej (liczba nukleonów).

Defekty masy w masach atomowych

Energia wiązania na nukleon wspólnych izotopów. Wykres przedstawiający stosunek liczby masowej do masy atomowej byłby podobny.

Wielkość, o którą stosunek mas atomowych do liczby masowej różni się od 1, jest następująca: odchylenie zaczyna się dodatnio przy wodorze -1, a następnie maleje, aż osiągnie lokalne minimum przy helu-4. Izotopy litu, berylu i boru są słabiej związane niż hel, co pokazuje ich wzrastający stosunek masy do masy.

Przy węglu stosunek masy (w daltonach) do liczby masowej jest zdefiniowany jako 1, a po węglu staje się mniejszy niż jeden, aż do osiągnięcia minimum przy żelazie-56 (z tylko nieznacznie wyższymi wartościami dla żelaza-58 i niklu-62 ), następnie wzrasta do wartości dodatnich w ciężkich izotopach, wraz ze wzrostem liczby atomowej. Odpowiada to faktowi, że rozszczepienie jądrowe w pierwiastku cięższym niż cyrkon wytwarza energię, a rozszczepienie w dowolnym pierwiastku lżejszym od niobu wymaga energii. Natomiast fuzja jądrowa dwóch atomów pierwiastka lżejszego od skandu (z wyjątkiem helu) wytwarza energię, podczas gdy fuzja pierwiastków cięższych od wapnia wymaga energii. Fuzja z dwoma atomami 4 He dających beryl-8 wymaga energii i beryl szybko rozpadają ponownie. 4 Może łączyć się z trytem ( 3 H) lub z 3 He; procesy te miały miejsce podczas nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu . Tworzenie elementów o więcej niż siedem nukleony wymaga połączenie trzech atomów 4 He w potrójnym procesu alfa , pomijając litu, berylu, boru i węgla-12 spożywczego.

Oto kilka wartości stosunku masy atomowej do liczby masowej:

Nuklid Stosunek masy atomowej do liczby masowej
1 godz 1.007 825 031 898 (14)
2 godz 1.007 050 888 9220 (75)
3 godz 1.005 349 760 440 (27)
3 On 1.005 343 107 322 (20)
4 On 1.000 650 813 533 (40)
6 Li 1.002 520 481 24 (26)
12 stopni 1
14 N 1.000 219 571 732 (17)
16 O 0,999 682 163 704 (20)
56 Fe 0,998 838 1346 (51)
210 pkt 0,999 918 4461 (59)
232 Th 1.000 164 0242 (66)
238 U 1.000 213 3905 (67)

Pomiar mas atomowych

Bezpośrednie porównanie i pomiar mas atomów uzyskuje się za pomocą spektrometrii mas .

Związek między masami atomowymi i molekularnymi

Podobne definicje odnoszą się do cząsteczek . Masę cząsteczkową związku można obliczyć, dodając masy atomowe (nie standardowe masy atomowe) jego atomów składowych. Odwrotnie, masa molowa jest zwykle obliczana na podstawie standardowych mas atomowych (nie mas atomowych lub nuklidów). Tak więc masa cząsteczkowa i masa molowa różnią się nieznacznie wartością liczbową i reprezentują różne koncepcje. Masa cząsteczkowa to masa cząsteczki, która jest sumą składowych mas atomowych. Masa molowa jest średnią mas cząsteczek składowych w chemicznie czystym, ale izotopowo niejednorodnym zespole. W obu przypadkach należy wziąć pod uwagę wielokrotność atomów (liczbę wystąpień), zwykle przez pomnożenie każdej niepowtarzalnej masy przez jej krotność.

Masa molowa CH 4
Standardowa masa atomowa Numer Całkowita masa molowa (g/mol)
lub masa cząsteczkowa (Da lub g/mol)
C 12.011 1 12.011
h 1.008 4 4.032
CH 4 16.043
Masa cząsteczkowa 12 C 1 H 4
Masa nuklidów Numer Całkowita masa cząsteczkowa (Da lub u)
12 stopni 12.00 1 12.00
1 godz 1.007825 4 4.0313
CH 4 16.0313

Historia

Pierwsze naukowcom określenia względnej masy atomowe John Dalton i Thomas Thomson pomiędzy 1803 i 1805 i Jöns Jakob Berzelius między 1808 i 1826. Względna masa atomowa ( masa atomowa ) został zdefiniowany w stosunku do najlżejszej elementu wodór, który wzięto jako 1,00, aw latach dwudziestych XIX wieku hipoteza Prouta głosiła, że ​​masy atomowe wszystkich pierwiastków okażą się dokładnymi wielokrotnościami masy wodoru. Wkrótce jednak Berzelius udowodnił, że nie jest to nawet w przybliżeniu prawdą, a dla niektórych pierwiastków, takich jak chlor, względna masa atomowa, wynosząca około 35,5, mieści się prawie dokładnie w połowie między dwiema całkowitymi wielokrotnościami masy wodoru. Jeszcze później wykazano, że jest to w dużej mierze spowodowane mieszanką izotopów, a masy atomowe czystych izotopów lub nuklidów są wielokrotnościami masy wodoru, z dokładnością do około 1%.

W latach 60. XIX wieku Stanislao Cannizzaro udoskonalił względne masy atomowe, stosując prawo Avogadro (zwłaszcza na Kongresie w Karlsruhe w 1860 r.). Sformułował prawo do określania względnych mas atomowych pierwiastków: różne ilości tego samego pierwiastka zawarte w różnych cząsteczkach są całkowitymi wielokrotnościami masy atomowej i określił względne masy atomowe i masy cząsteczkowe poprzez porównanie gęstości pary zbioru gazów z cząsteczki zawierające co najmniej jeden z omawianych pierwiastków chemicznych.

W XX wieku do lat 60. chemicy i fizycy używali dwóch różnych skal mas atomowych. Chemicy używali skali „jednostki masy atomowej” (amu), tak że naturalna mieszanina izotopów tlenu miała masę atomową 16, podczas gdy fizycy przypisali tę samą liczbę 16 tylko masie atomowej najpowszechniejszego izotopu tlenu ( 16 O, zawierające osiem protonów i osiem neutronów). Jednakże, ponieważ tlen-17 i tlen-18 są również obecne w naturalnym tlenie, doprowadziło to do powstania dwóch różnych tabel mas atomowych. Ujednolicona skala oparta na węglu-12, 12 C, zaspokoiła potrzebę fizyków, aby oprzeć skalę na czystym izotopie, będąc numerycznie zbliżoną do skali chemików. Zostało to przyjęte jako „ujednolicona jednostka masy atomowej”. Obecnie głównym zaleceniem Międzynarodowego Układu Jednostek Miar (SI) dla nazwy tej jednostki jest dalton i symbol „Da”. Nazwa „ujednolicona jednostka masy atomowej” i symbol „u” są rozpoznawanymi nazwami i symbolami tej samej jednostki.

Termin masa atomowa jest stopniowo wycofywany i zastępowany względną masą atomową , w większości obecnych zastosowań. Ta zmiana w nomenklaturze sięga lat 60. XX wieku i była źródłem wielu debat w środowisku naukowym, które zostały wywołane przyjęciem ujednoliconej jednostki masy atomowej i uświadomieniem sobie, że waga była pod pewnymi względami nieodpowiednim terminem. Argumentem za utrzymaniem terminu „masa atomowa” było przede wszystkim to, że był to termin dobrze rozumiany przez specjalistów, że termin „masa atomowa” był już używany (tak jak jest to obecnie definiowane) oraz że termin „względny atom masa” może być łatwo pomylona ze względną masą izotopową (masa pojedynczego atomu danego nuklidu, wyrażona bezwymiarowo w stosunku do 1/12 masy węgla-12; patrz sekcja powyżej).

W 1979 r. jako kompromis wprowadzono termin „względna masa atomowa” jako drugorzędny synonim masy atomowej. Dwadzieścia lat później prymat tych synonimów został odwrócony, a termin „względna masa atomowa” jest obecnie preferowanym terminem.

Jednak termin „ standardowe masy atomowe” (odnoszący się do znormalizowanych przewidywanych mas atomowych różnych próbek) nie został zmieniony, ponieważ proste zastąpienie „masy atomowej” „względną masą atomową” spowodowałoby powstanie terminu „standardowa względna masa atomowa”. masa."

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki