Μονάδα Ατομικής Μάζας – Ορισμός, Παραδείγματα και Ιστορία.
Ποιος είναι ο ορισμός της μονάδας ατομικής μάζας; Η ατομική μάζα ενός στοιχείου καθορίζει τη μονάδα ατομικής μάζας του. Τόσο η ατομική όσο και η μοριακή μάζα εκφράζονται από το AMU. Ονομάζεται επίσης μονάδα ενοποιημένης ατομικής μάζας ή dalton. Ο ορισμός της μονάδας ατομικής μάζας είναι ότι είναι το ένα δωδέκατο της μάζας ενός ατόμου άνθρακα-12, το οποίο είναι το πιο άφθονο ισότοπο άνθρακα που βρίσκεται στη φύση. Αντιπροσωπεύει περισσότερο από το 98% του άνθρακα που βρίσκεται στη φύση, με AMU 12.
Ατομική μάζα και μονάδα ατομικής μάζας
Τα άτομα είναι τα συστατικά κάθε στοιχείου του περιοδικού πίνακα, καθένα από τα οποία έχει μοναδικό ατομικό αριθμό και μάζα. Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα ενός ατόμου καθορίζει τον ατομικό του αριθμό, ενώ η ατομική μάζα ορίζεται ως ο συνδυασμός του συνολικού αριθμού νετρονίων και πρωτονίων. Εκφράζεται με όρους Dalton ή AMU, όπου ένα AMU είναι ο μέσος όρος του νετρονίου και της μάζας ηρεμίας πρωτονίων. Ακολουθεί ο τρόπος έκφρασης:
μία μονάδα ατομικής μάζας είναι ίση με =1,67376 x 10 κιλά =1,67376 x 10 γραμμάρια
Όλοι οι υπολογισμοί ατομικής μάζας εκτελούνται λαμβάνοντας υπόψη τον άνθρακα-12 ως αναφορά. Επομένως, η μάζα του ισοτόπου οποιουδήποτε στοιχείου εκφράζεται ως το πρότυπο της μονάδας ατομικής μάζας του ισοτόπου άνθρακα 12.
Υπάρχουν έξι πρωτόνια και νετρόνια στον πυρήνα ενός ατόμου άνθρακα 12 για να δώσουν ατομική μάζα 12 AMU. Καθώς τα ηλεκτρόνια έχουν μικρή μάζα, πιθανώς έχουν αμελητέα επίδραση. Ο πυρήνας, κατά συνέπεια, αποτελεί ολόκληρο το βάρος του ατόμου οποιουδήποτε στοιχείου, που σημαίνει ότι η μάζα ενός μοναδικού πρωτονίου ή νετρονίου είναι περίπου μία μονάδα ατομικής μάζας. Η λέξη περίπου είναι σημαντική εδώ καθώς οι μάζες των μεμονωμένων ατόμων σε στοιχεία εκτός από τον άνθρακα δεν είναι ακέραιοι αριθμοί. Ο λόγος για αυτό είναι ότι η μάζα επηρεάζεται από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων στον πυρήνα. Αν και η μάζα των ηλεκτρονίων είναι αμελητέα, λαμβάνεται υπόψη όταν υπολογίζεται η μάζα ενός ατόμου.
Ιστορία της μονάδας ατομικής μάζας
Ο John Dalton 1802 πρότεινε μια μέθοδο για τον ορισμό των μονάδων ατομικής μάζας σε όρους πρωτίου (υδρογόνο-1). Αργότερα, ένας άλλος επιστήμονας ονόματι Wilhelm Ostwald πρότεινε ότι μπορούμε να εκφράσουμε τη σχετική μάζα ενός ατόμου ως το 1/16 της μάζας του οξυγόνου. Ωστόσο, όταν συνέβη η ανακάλυψη ισοτόπων όπως τα ισότοπα του οξυγόνου, δημιουργήθηκε σύγχυση σχετικά με τον τρόπο έκφρασης της σχετικής ατομικής μάζας άλλων στοιχείων.
Ως αποτέλεσμα όλων αυτών, η μέθοδος για τον καθορισμό της μονάδας ατομικής μάζας αποκλίνει, με αρκετούς επιστήμονες να προτιμούν να την εκφράζουν με βάση το φυσικό οξυγόνο. Αντίθετα, κάποιοι άλλοι προσπάθησαν να το εκφράσουν με βάση το ισότοπο οξυγόνου-16 του οξυγόνου. Το τελευταίο χρησιμοποιήθηκε ευρέως για να εκφράσει μονάδες ατομικής μάζας μέχρι το 1961, όταν μπήκε στο παιχνίδι ένας τρόπος για την εξάλειψη της σύγχυσης. Ο άνθρακας-12 προτάθηκε να χρησιμοποιηθεί ως βάση για την έκφραση μονάδων ατομικής μάζας αντί του οξυγόνου-16. Σε αυτό το σύστημα δόθηκε το σύμβολο Da και u. Το σύμβολο AMU, ωστόσο, δεν έπαψε να υπάρχει εντελώς, με τους επιστήμονες να συνεχίζουν να το χρησιμοποιούν ακόμα και μετά τη μετάβαση στον άνθρακα-12.
Σήμερα, οι μονάδες ατομικής μάζας εκφράζονται και με τα τρία σύμβολα — u, AMU και Da.
Επομένως, μια μονάδα ατομικής μάζας είναι ίση με =1 u =1 Da
Ενοποιημένη μονάδα ατομικής μάζας
Ποιος είναι ο ορισμός της ενοποιημένης μονάδας ατομικής μάζας; Μια ενοποιημένη μονάδα ατομικής μάζας θεωρείται συνήθως συνώνυμο της μονάδας ατομικής μάζας. Ως φυσική σταθερά, είναι αποδεκτή για το σύστημα μέτρησης SI. Αν και αυτές τις μέρες ο όρος AMU χρησιμοποιείται πιο συχνά, είναι ο ίδιος με την ενοποιημένη AMU.
Ο αριθμός NA του Avogadro καθορίζει τη σχέση μεταξύ της ενοποιημένης μονάδας ατομικής μάζας και του SI της μάζας. Η μάζα ενός ατόμου άνθρακα-12 σε ηρεμία καθώς και σε κατάσταση εδάφους είναι ίση με 0,012 kg σύμφωνα με τον ορισμό του NA.
Επομένως, μία μονάδα ατομικής μάζας είναι ίση με AMU =1,6604 x 10 kg
Διαφοροποίηση ισοτόπων με μονάδα ατομικής μάζας
Τα ισότοπα μπορούν να διαφοροποιηθούν αποτελεσματικά με τη βοήθεια μονάδων ατομικής μάζας εκφράζοντας τις σχετικές μάζες τους. Περιλαμβάνει πολλά στοιχεία που έχουν παρόμοιους ατομικούς αριθμούς, αλλά οι ατομικοί τους αριθμοί είναι διαφορετικοί. Αυτό συμβαίνει επειδή ο αριθμός των πρωτονίων σε αυτά είναι ο ίδιος, ενώ ο αριθμός των νετρονίων είναι διαφορετικός.
Παράδειγμα 1
Η AMU ενός ατόμου ουρανίου-235 είναι περίπου 235. Ένα άλλο ισότοπο, το ουράνιο-238, το οποίο έχει τιμή μονάδας ατομικής μάζας 238, είναι ελαφρώς μεγαλύτερο και έχει μεγαλύτερη μάζα. Η διαφορά στην ατομική μάζα οφείλεται στο I-238, το πιο άφθονο ισότοπο ουρανίου που βρίσκεται στη φύση και έχει τρία πλεονάζοντα νετρόνια στα άτομά του σε σύγκριση με το U-235, το οποίο χρησιμοποιείται σε πυρηνικές αντιδράσεις για την παραγωγή πυρηνικής ενέργειας μέσω της πυρηνικής σχάσης. Είναι επίσης ένα από τα κύρια συστατικά των ατομικών βομβών.
Παράδειγμα 2
| Ισότοπο | Αριθμός νετρονίων | Αριθμός πρωτονίων | Αριθμός ηλεκτρονίων | Μονάδα ατομικής μάζας (νετρόνια + πρωτόνια) |
| Carbon-12 | 6 | 6 | 6 | 12 |
| Carbon-13 | 7 | 6 | 6 | 13 |
| Carbon-14 | 8 | 6 | 6 | 14 |
Τι είναι το ατομικό βάρος;
Το ατομικό βάρος αναφέρεται επίσης ως τιμή μονάδας σχετικής ατομικής μάζας. Είναι ο λόγος της μέσης μάζας των ατόμων ενός στοιχείου σε σύγκριση με κάποιο πρότυπο. Αν και υπάρχει η εναλλακτική χρήση των όρων ατομική μάζα και ατομικό βάρος, οι έννοιές τους διαφέρουν. Το ατομικό βάρος αναφέρεται στη δύναμη που ασκεί ένα βαρυτικό πεδίο, ενώ η ατομική μάζα όχι. Πιο συγκεκριμένα, το ατομικό βάρος ενός στοιχείου θεωρείται ως ο μέσος όρος των ατομικών μαζών των ισοτόπων του.
Παράδειγμα
Ο άνθρακας βρίσκεται συνήθως σε δύο ισοτοπικές μορφές — άνθρακα 12 και άνθρακα 13. Η μονάδα ατομικής μάζας του άνθρακα 12 είναι 12, ενώ του άνθρακα 13 είναι 13. Η διαθεσιμότητα του ισοτόπου άνθρακα 12 στη φύση είναι 98,89%, ενώ του άνθρακα 13 είναι 1,11%. Η μέση ατομική μάζα του άνθρακα 13 και του άνθρακα 12 είναι (98,89 / 100) x 12) + ((1,11 / 100) x 13) =12,011 AMU
Το ατομικό βάρος του άνθρακα =12,011 AMU
Το παράδειγμα που δίνεται παραπάνω δείχνει πώς το ατομικό βάρος ενός στοιχείου ποικίλλει από την ατομική μάζα των ισοτόπων του. Αυτός είναι ο λόγος που το ατομικό βάρος δεν είναι το ίδιο με την ατομική μάζα. Αντίθετα, το να το ονομάσουμε σχετική ατομική μάζα είναι πιο ακριβές.
Οι αριθμητικές σχέσεις μεταξύ των ατόμων επηρεάζουν τις περισσότερες χημικές αντιδράσεις. Επομένως, το ατομικό βάρος είναι μια βασική έννοια στη Χημεία. Ωστόσο, όταν τα αντιδρώντα και τα προϊόντα μετρώνται από χημικούς, τα μεμονωμένα άτομα δεν υπολογίζονται. Αντίθετα, τα ατομικά βάρη υπολογίζονται για να καθοδηγούν τις αποφάσεις.
Ακολουθεί ένας πίνακας που δείχνει την ατομική μάζα:
| Στοιχεία | Ατομική μάζα |
| Ήλιο | 4.00260 |
| Βόριο | 10.81 |
| Άζωτο | 14.0067 |
| Φθόριο | 18.998403 |
| Νάτριο | 22.98977 |
| Αλουμίνιο | 26.98154 |
| Φώσφορος | 30,97376 |
| Χλώριο | 35.453 |
| Αργόν | 39.948 |
| Σκάνδιο | 44,9559 |
| Βανάδιο | 50,9415 |
| Chromium | 51.996 |
| Σίδερο | 55.847 |
| Κοβάλτιο | 58,9332 |
| Ψευδάργυρος | 65,38 |
| Γερμάνιο | 72,59 |
| Σελήνιο | 78,96 |
| Κρυπτόν | 83,80 |
| Στρόντιο | 87,62 |
Όταν συνδυάζεται με την έννοια του mole, η έννοια της ατομικής μάζας είναι ένα ζωτικό μέρος της Χημείας. Όταν η μονάδα ατομικής μάζας ενός στοιχείου προσδιορίζεται ποσοτικά σε AMU (όπως η μονάδα ατομικής μάζας του άνθρακα), έχει την ίδια τιμή με τη μάζα ενός mole ενός στοιχείου σε γραμμάρια. Επομένως, καθώς η ατομική μάζα του σιδήρου είναι 55,847 amu, το ένα mole του θα ζύγιζε 55,847 γραμμάρια. Οι ιοντικές ενώσεις και τα μόρια λειτουργούν με την ίδια έννοια. Η ατομική μάζα μιας μονάδας τύπου NaCl είναι περίπου 58,44 amu. Επομένως, ένα mole NaCl θα ζύγιζε περίπου 58,44 γραμμάρια. Το βάρος ενός μορίου νερού θα ήταν 18,02 amu και αυτό ενός μορίου μορίου νερού θα ήταν περίπου 18,02 γραμμάρια.
Συμπέρασμα
Η έννοια της ατομικής μάζας, καθώς και η μονάδα ατομικής μάζας, είναι αναπόσπαστο μέρος τόσο της Φυσικής όσο και της Χημείας. Επομένως, είναι σημαντικό να έχουμε μια θεμελιώδη κατανόηση των εννοιών τους. Ελπίζουμε ότι αυτό το θέμα σας βοήθησε να αποκτήσετε γνώσεις για διαφορετικά θέματα της μονάδας ατομικής μάζας, όπως ενοποιημένη ατομική μάζα, διαφοροποίηση ισοτόπων με τη μονάδα ατομικής μάζας, πώς να ορίσετε τη μονάδα ατομικής μάζας και την ιστορία της μονάδας ατομικής μάζας.
Συχνές ερωτήσεις
Ε) Γιατί χρειάζεται η ατομική μάζα;
Α) Η ατομική μάζα ενός ατόμου ενός μορίου χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της μέσης μάζας μορίων και στοιχείων και για την επίλυση προβλημάτων στοιχειομετρίας.
Ε) Μπορεί η ατομική μάζα να αλλάξει;
Α) Αν και ο ατομικός αριθμός δεν αλλάζει, η ατομική μάζα ενός στοιχείου ποικίλλει μεταξύ των διαφορετικών ισοτόπων του. Καθώς η ατομική μάζα είναι το άθροισμα των νετρονίων και των πρωτονίων που υπάρχουν σε έναν πυρήνα, υπάρχουν περισσότερα νετρόνια σε ένα ισότοπο από πρωτόνια, με αποτέλεσμα η μάζα του στοιχείου να είναι μεγαλύτερη από τους σταθερούς πυρήνες.
Q) Δώστε μερικά παραδείγματα των τιμών μονάδας ατομικής μάζας ατόμων διαφορετικών στοιχείων.
- 4.0026 AMU είναι η μάζα ενός ατόμου ηλίου.
- 31.972 AMU είναι η μάζα ενός ατόμου θείου.
- 1.007 AMU είναι η μάζα ενός ατόμου υδρογόνου.
- 3 x 106 AMU είναι η μάζα ενός ατόμου τιτίνης (της μεγαλύτερης γνωστής πρωτεΐνης).
