Atominė masė: apibrėžimas, atominės masės vienetas (u) ir izotopai

Atominė masė (simbolis _ma) – tai cheminio elemento vieno atomo masė. Ją sudaro trijų atomo sudarančių subatominių dalelių – protonų, neutronų ir elektronų – masės. Atominė masė yra fundamentali savybė, kurią nustatome eksperimentais (dažniausiai masių spektrometrija) ir kuri nusako, kiek tiksliai konkretus atomas sveria palyginus su standartu (anglies‑12).

Atominės masės vienetas (u)

Atomo masę galima išreikšti gramais, tačiau pavienio atomo masės dydis yra labai mažas, todėl praktiškesnis yra suvienodintas atominės masės vienetas (vieneto simbolis: u). Vienas atominės masės vienetas apibrėžiamas kaip 1/12 vieno anglies‑12 atomo masės. Pagal CODATA reikšmę:

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

Anglies‑12 atomo masė yra lygiai 12 u. Elektronų masė yra palyginti labai maža (apie 0,00054858 u kiekvienas elektronas), todėl branduolio (protonų ir neutronų) masės dominavo apytikslėse skaičiuotėse.

Masės skaičius ir masės defektas

Masės skaičius (simbolis: A) yra protonų ir neutronų skaičiaus suma branduolyje – tai visada sveikasis skaičius be vienetų. Tačiau svarbu suprasti, kad atomo atominė masė nėra visiškai lygi masės skaičiui: dėl masės defekto (branduolio susiejimo energijos) tikroji izotopo masė dažnai mažesnė už protonų ir neutronų masių sumą. Dėl to izotopų masės nėra tiksliai sveikieji skaičiai.

Izotopai ir izotopinė masė

Daugumos cheminių elementų natūroje randami atomai su skirtingu neutronų skaičiumi. Tokie atomai to paties elemento, bet su skirtingu neutronų skaičiumi, vadinami izotopais. Pavyzdžiui, chloras natūroje egzistuoja daugiausia kaip du izotopai: chloras‑35 ir chloras‑37. Abu turi 17 protonų, bet chloras‑37 turi 20 neutronų (t. y. 2 neutronais daugiau nei chloras‑35, kuris turi 18 neutronų).

Kiekvienas izotopas turi savo atominę masę – šią vadiname izotopine mase. Realiai izotopinė masė nėra lygus sveikajam skaičiui: pvz., atomo masės tikslinės vertės yra maždaug chloro‑35 ≈ 34.96885 u ir chloro‑37 ≈ 36.96590 u, o ne tiksliai 35 ir 37 u. Šis skirtumas kyla dėl masės defekto ir elektronų masės.

Santykinė izotopinė masė ir santykinė atominė masė (Ar)

Santykinė izotopinė masė – tai izotopo masė, išreikšta kaip santykis su 1/12 anglies‑12 atomo mase. Kitaip tariant, tai bevienetė reikšmė, rodanti, kelis kartus izotopas sunkesnis už tą vieną dvyliktąją anglies‑12 dalį. Kai izotopinė masė išreiškiama atominės masės vienetais (u), jos skaitinė vertė sutampa su santykinės izotopinės masės skaitine verte, tačiau santykinė izotopinė masė formaliai neturi vienetų.

Analoginiu principu veikia ir santykinė atominė masė (simbolis: Ar) – tai vidutinės tam tikro mėginio elemento atomo masės ir 1/12 anglies‑12 atomo masės santykis. Santykinė atominė masė apskaičiuojama kaip izotopų santykinių masių (Ar izotopų) gausumo svertinis vidurkis. Tai reiškia, kad mėginio (pvz., natūralaus elemento) vidutinė atominė masė priklauso nuo to, kokių izotopų ir kokiomis proporcijomis jame yra.

Pavyzdžiai skaičiavimui

Pavyzdžiui, jei chloro mėginyje būtų tiksliai 75 % chloro‑35 ir 25 % chloro‑37, santykinė atominė masė (Ar) pagal apytikslinius visų izotopų masių sveikuosius skaičius būtų:

• Ar = 0,75×35 + 0,25×37 = 26,25 + 9,25 = 35,50 (vienetų nėra, bet skaitinė vertė atitinka u).

Naudojant tikslines izotopines mases ir realias natūralias gausumas vertės šiek tiek skiriasi: realios chloro izotopų gausumos (~75,77 % 35Cl ir ~24,23 % 37Cl) ir tikslios izotopinės masės duoda standartinę chloro atominę masę apie 35,45 (kartais rašoma 35,453). IUPAC skelbia standartines elementų atomines mases (arba elementų atominio svorio intervalus), nes natūralūs gausumai gali mažai skirtis priklausomai nuo šaltinio.

Kiti svarbūs pastebėjimai

• Atominė masė ≠ masės skaičius: masės skaičius A yra sveikas skaičius (protonai + neutronai), o atominė/izotopinė masė – reali masė, dažnai išreikšta u ir gali turėti trupmeninę dalį dėl masės defekto.
• Santykinės masės be vienetų: tiek santykinė izotopinė masė, tiek santykinė atominė masė (Ar) yra bevienetės reikšmės (skaičių santykiai), tačiau jų skaitinės vertės atitinka izotopinių masių arba atominės masės vienetų reikšmes.
• Molerinė masė: skaičius gramų vienam moliui (g·mol⁻¹) numeriškai sutampa su santykinia atominė mase (Ar). Pvz., jei Ar(C) ≈ 12,011, tai molinė anglies masė ≈ 12,011 g·mol⁻¹.
• Matuojama metodais: izotopinės ir atominės masės nustatomos masių spektrometrijos metodais bei tarptautiniais standartais (pvz., anglies‑12 standartas).

Apibendrinant: atominė masė nusako, kiek sveria vienas atomas ir išreiškiama atominės masės vienetais (u). Izotopai to paties elemento gali turėti skirtingas mases, todėl elementų atominė masė, kaip nurodo lentelės, paprastai yra vidutinė vertė, priklausanti nuo izotopų gausumo mėginyje.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra atomo masė?

K: Kaip išreiškiama atomo masė?

K: Kokios masės yra anglies-12 atomas?

K: Kas lemia, koks elementas yra atomas?

K: Kas yra izotopai?

K: Kuo skiriasi atomo masė nuo jo masės skaičiaus ?

Paieška pagal raidę