Masa atomowa: definicja, jednostka u, izotopy i masa względna

Masa atomowa: definicja, jednostka u, izotopy i masa względna — proste wyjaśnienie, przykłady i obliczenia. Poznaj różnice między masą atomową, izotopową i masą względną.

Masa atomowa (symbol: _ma) jest masą pojedynczego atomu pierwiastka chemicznego. Obejmuje ona masy trzech podstawowych subatomowych cząstek tworzących atom: protonów, neutronów i elektronów. Masa atomowa pojedynczego atomu może być wyrażona w gramach, lecz ze względu na bardzo małe wartości wygodniej jest stosować zunifikowaną jednostkę masy atomowej.

Jednostka masy atomowej (u)

Zunifikowana jednostka masy atomowej (symbol: u) jest zdefiniowana jako 1/12 masy atomu węgla-12. Wartość tej jednostki w układzie SI wynosi:

• 1 u = 1,660 539 066 60(50) × 10^-27 kg (równoważnie ≈ 1,660 539 × 10^-24 g).

Atom węgla-12 ma masę dokładnie 12 u. Ponieważ elektrony mają bardzo małą masę w porównaniu z nukleonami, przybliżenie, że każdy proton i neutron ma masę około 1 u, jest często używane do szybkich szacunków.

Różnica między masą atomową, liczbą masową i masą izotopową

Liczba masowa (symbol: A) jest sumą liczby protonów i liczby neutronów w jądrze i jest zawsze liczbą całkowitą (bez jednostek). Masa izotopowa to rzeczywista masa danego izotopu wyrażona w jednostkach u. Masa izotopowa zwykle jest bardzo bliska liczbie masowej, ale nie jest z nią tożsama z uwagi na różne masy protonów, neutronów, elektronów oraz na efekt defektu masy (opisany niżej).

Izotopy i względna masa izotopowa

Większość pierwiastków występuje naturalnie jako mieszanina izotopów — atomów tego samego pierwiastka posiadających taką samą liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów. Atom pierwiastka o określonej liczbie neutronów nazywamy izotopem. Na przykład chlor ma dwa powszechne izotopy: chlor‑35 i chlor‑37. Oba mają 17 protonów; chlor‑35 ma 18 neutronów, a chlor‑37 — 20 neutronów. Każdy izotop ma własną masę izotopową (około 35 u i 37 u w tym przykładzie).

Względna masa izotopowa to masa izotopu podana jako stosunek do 1/12 masy atomu węgla‑12. Innymi słowy, mówi ile razy izotop jest cięższy niż jedna dwunasta masy atomu węgla‑12. Warto zauważyć, że jeśli masę izotopową wyrazimy w jednostkach u, jej wartość liczbowo równa jest względnej masie izotopowej, ale względna masa nie ma jednostek.

Względna masa atomowa (masa atomowa stosunkowa)

Względna masa atomowa (symbol: _Ar) jest wartością bezwymiarową określającą średnią masę atomów pierwiastka w danej próbce względem 1/12 masy atomu węgla‑12. Dla próbek zawierających mieszaninę izotopów oblicza się ją jako średnią ważoną mas izotopowych przy uwzględnieniu ich względnych obfitości naturalnych:

Ar = Σ (fi × mi)

gdzie fi to ułamek obfitości danego izotopu (suma wszystkich fi = 1), a mi to względna masa (lub masa w u) tego izotopu.

Przykład: jeśli w próbce chloru znajduje się 75% chloru‑35 i 25% chloru‑37, to względna masa atomowa próbki wynosi:

• Ar(Cl) = 0,75 × 35 + 0,25 × 37 = 35,5

W praktyce naturalne obfitości izotopów mogą się różnić w zależności od źródła, dlatego wartości standardowe podawane w tablicach (tzw. standardowe masy atomowe) często są uśrednieniami i mogą być przedstawione jako liczby z dokładnością lub jako zakresy.

Masa a mol i masa molowa

Wartość liczby względnej masy atomowej (Ar) jest numerycznie równa masie molowej pierwiastka wyrażonej w g·mol^-1. Oznacza to, że jeśli Ar dla pierwiastka wynosi 12,011, to jego masa molowa wynosi ≈ 12,011 g·mol^-1. Zależność ta wynika z definicji jednostki u i stałej Avogadra.

Defekt masy i energia wiązania

Sumaryczna masa wolnych nukleonów (protonów i neutronów) jest nieco większa niż rzeczywista masa jądra atomowego. Różnicę tę nazywa się defektem masy. Energia związana z tą różnicą via E = mc² jest energią wiązania jądra i odpowiada za stabilność jądra. Dlatego masa izotopu ≠ (Z × masa protonu) + (N × masa neutronu) dokładnie — zawsze trzeba uwzględnić defekt masy.

Przybliżone masy cząstek

• Proton: ≈ 1,0073 u
• Neutron: ≈ 1,0087 u
• Elektron: ≈ 0,00055 u (około 1/1836 masy protonu)

Z tego wynika, że masa atomowa przybliżona przez sumę protonów i neutronów (liczba masowa) jest zwykle dokładna na poziomie około 0,1–0,01 u, ale dla dokładnych obliczeń należy uwzględnić rzeczywiste masy nukleonów oraz defekt masy.

Pomiary i standardy

Masę izotopową i względne masy atomowe wyznacza się metodami spektrometrii mas (np. spektrometry czasu przelotu, pułapki Penninga). Tablice chemiczne podają zazwyczaj wartość względnej masy atomowej (czasem nazywanej masą atomową lub standardową masą atomową), która odzwierciedla naturalne obfitości izotopów. Dla niektórych pierwiastków, których skład izotopowy w przyrodzie jest zmienny, podawany jest zakres wartości.

Zastosowania

• Obliczenia stechiometrii w chemii — masa atomowa (Ar) służy do obliczania mas molowych związków.
• Analizy izotopowe w geologii, biochemii i medycynie — różnice w obfitościach izotopów dostarczają informacji o procesach naturalnych.
• Badania jądrowe — defekt masy i energia wiązania są istotne przy reakcjach jądrowych.

Podsumowanie

• Masa atomowa — rzeczywista masa pojedynczego atomu (można wyrazić w u lub w kg/g).
• Liczba masowa (A) — całkowita liczba protonów i neutronów w jądrze (liczba całkowita, bez jednostek).
• Masa izotopowa — masa konkretnego izotopu (w u).
• Względna masa izotopowa — stosunek masy izotopu do 1/12 masy węgla‑12 (bez jednostek, numerycznie równa masie w u).
• Względna masa atomowa (Ar) — średnia ważona mas izotopowych dla pierwiastka w próbce, bez jednostek; wartość ta jest używana w tablicach jako „masa atomowa”.

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest masa atomowa?

P: Jak wyraża się masę atomową?

P: Jaką masę ma atom węgla-12?

P: Co decyduje o tym, jakim pierwiastkiem jest atom?

P: Co to są izotopy?

P: Jaka jest różnica między masą atomową a jego liczbą masową?

Szukaj według litery