원자량은 통상의 물리적 단위 또는 원자 질량 단위 (UMA OU)로 표현 될 수있는 원자에 존재하는 물질의 양이다. 원자는 거의 모든 구조에서 비어 있습니다. 궤도를 찾을 확률이있는 궤도라는 영역에서 확산되는 전자와 그 핵.
원자핵에는 양성자와 중성자가 있습니다. 전자는 양전하를, 후자는 중성 전하를가집니다. 이 두 개의 아 원자 입자는 전자보다 훨씬 더 큰 질량을 가지고 있습니다. 따라서 원자의 질량은 진공이나 전자가 아닌 핵에 의해 지배됩니다.
주요 아 원자 입자와 핵의 질량. 출처 : Gabriel Bolívar.
전자의 질량은 약 9.1 · 10 -31 kg이고 양성자 의 질량은 1.67 · 10 -27 kg이며 질량 비율은 1,800입니다. 즉, 양성자는 전자보다 1,800 배 더 무겁습니다. 마찬가지로 중성자와 전자의 질량도 마찬가지입니다. 이것이 일반적인 목적에 대한 전자의 질량 기여가 무시할 수있는 것으로 간주되는 이유입니다.
이 때문에 일반적으로 원자의 질량 또는 원자 질량은 핵의 질량에만 의존한다고 가정합니다. 이는 차례로 중성자와 양성자의 물질의 합으로 구성됩니다. 이 추론에서 두 가지 개념이 등장합니다 : 질량 수와 원자 질량, 둘 다 밀접하게 관련되어 있습니다.
원자에 너무 많은 "공극"이 있고 그 질량은 거의 전적으로 핵의 기능이므로 후자는 매우 조밀 할 것으로 예상됩니다.
우리가 어떤 몸이나 물체에서 상기 공극을 제거하면 그 크기가 급격히 줄어들 것입니다. 또한 원자핵 (전자없이)을 기반으로 작은 물체를 만들 수 있다면 질량은 수백만 톤이 될 것입니다.
반면에 원자 질량은 같은 원소의 다른 원자를 구별하는 데 도움이됩니다. 이것이 동위 원소입니다. 다른 것보다 동위 원소가 더 많기 때문에 주어진 원소에 대해 원자 질량의 평균을 추정해야합니다. 평균은 행성마다 다르거 나 우주 지역마다 다를 수 있습니다.
정의 및 개념
정의에 따라 원자 질량은 uma 또는 u로 표현되는 양성자와 중성자의 질량의 합입니다. 결과 숫자 (때때로 질량 숫자라고도 함)는 핵종에 사용되는 표기법의 왼쪽 상단 모서리에 차원없이 배치됩니다. 예를 들어 원소 15 X의 원자 질량은 15uma 또는 15u입니다.
원자 질량은이 원소 X의 실제 정체에 대해 많은 것을 말할 수 없습니다. 대신 X의 핵에있는 양성자에 해당하는 원자 번호가 사용됩니다.이 숫자가 7이면 차이 ( 15-7)은 8과 같습니다. 즉, X는 7 개의 양성자와 8 개의 중성자를 가지며, 그 합계는 15입니다.
이미지로 돌아가서, 핵은 5 개의 중성자와 4 개의 양성자를 가지고 있으므로 질량 수는 9입니다. 그리고 차례로 9 amu는 원자의 질량입니다. 4 개의 양성자를 갖고 주기율표를 보면이 핵이 베릴륨 원소 인 Be (또는 9 Be)의 핵과 일치 함을 알 수있다 .
원자 질량 단위
원자는 너무 작아서 기존의 방법이나 평범한 저울로 질량을 측정 할 수 없습니다. 이것이 바로 uma, uo Da (색맹)가 발명 된 이유입니다. 원자를 위해 고안된 이러한 단위를 사용하면 한 원소의 원자가 서로 얼마나 큰지 알 수 있습니다.
그러나 우마는 정확히 무엇을 상징합니까? 대중 관계를 확립하기위한 참조가 있어야합니다. 이를 위해 12 C 원자가 참조로 사용되었으며 이는 탄소에 대해 가장 풍부하고 안정적인 동위 원소입니다. 6 개의 양성자 (원자 번호 Z)와 6 개의 중성자를 가지므로 원자 질량은 12입니다.
양성자와 중성자는 같은 질량을 가지므로 각각 1amu에 기여한다고 가정합니다. 원자 질량 단위는 탄소 -12 원자 질량의 12 분의 1 (1/12)로 정의됩니다. 이것은 양성자 또는 중성자의 질량입니다.
그램 단위의 등가
이제 다음과 같은 질문이 생깁니다. 1 amu는 몇 그램입니까? 처음에는 그것을 측정 할 수있는 충분히 진보 된 기술이 없었기 때문에, 화학자들은 모든 질량을 amu로 표현하는 데 안주해야했습니다. 그러나 이것은 단점이 아니라 장점이었습니다.
왜? 아 원자 입자는 매우 작기 때문에 그램 단위로 표시되는 질량도 마찬가지로 작아야합니다. 사실, 1 AMU는 1.6605 · 10과 동일 -24 그램. 또한, 몰이라는 개념을 사용하여 원소와 동위 원소의 질량을 amu로 작업하는 것은 그러한 단위가 g / mol로 변경 될 수 있다는 것을 알고있는 문제가 아니 었습니다.
예를 들어, 15 X와 9 Be 로 돌아 가면 원자 질량은 각각 15 amu와 9 amu입니다. 이 단위는 너무 작아서 조작하기 위해 얼마나 많은 물질이 "무게를 가야"하는지 직접적으로 알려주지 않기 때문에, 각각의 몰 질량으로 변환됩니다 : 15g / mol 및 9g / mol (몰과 아보가드로 수의 개념 소개).
평균 원자 질량
같은 원소의 모든 원자가 같은 질량을 가지는 것은 아닙니다. 이것은 그들이 핵에 더 많은 아 원자 입자를 가지고 있어야 함을 의미합니다. 동일한 원소이기 때문에 원자 번호 또는 양성자의 수는 일정하게 유지되어야합니다. 따라서 그들이 소유하는 중성자의 양에는 차이가 있습니다.
이것이 동위 원소의 정의에서 나타나는 방식입니다 : 동일한 원소이지만 원자 질량이 다른 원자. 예를 들어, 베릴륨은 거의 전적으로 동위 원소 9 Be 로 구성 되며 미량 10 Be가 있습니다. 그러나이 예는 평균 원자 질량의 개념을 이해하는 데별로 도움이되지 않습니다. 더 많은 동위 원소가 필요합니다.
예
88 J의 원소가 존재한다고 가정 해 보겠습니다 . 이것은 풍부도가 60 % 인 J의 주요 동위 원소입니다. J는 또한 두 개의 다른 동위 원소를 가지고 있습니다 : 86 J (풍부도 20 %) 및 90 J (풍부도 20 %). 이 방법은 100 개 J 원자의 우리는 이들 중 60, 지구에 수집 한 88 의 혼합물 J, 그리고 나머지 40 86 J 및 90 J.을
J의 세 동위 원소는 각각 자체 원자 질량을 가지고 있습니다. 즉, 중성자와 양성자의 합입니다. 그러나 J에 대한 원자 질량을 보유하려면이 질량을 평균해야합니다. 여기 지구에는 86 J 의 풍부도가 60 %가 아니라 56 % 인 우주의 다른 지역이있을 수 있습니다 .
J의 평균 원자 질량을 계산하려면 동위 원소 질량의 가중 평균을 얻어야합니다. 즉, 각각에 대한 풍요의 비율을 고려합니다. 따라서 우리는 :
평균 질량 (J) = (86 amu) (0.60) + (88 amu) (0.20) + (90 amu) (0.20)
= 87.2amu
즉, J의 평균 원자 질량 (원자량이라고도 함)은 87.2 amu입니다. 한편, 그 몰 질량은 87.2g / mol입니다. 87.2는 86보다 88에 더 가깝고 90에서 멀리 떨어져 있습니다.
절대 원자 질량
절대 원자 질량은 그램으로 표시되는 원자 질량입니다. 가상 소자 J의 실시 예로부터 시작하여, 우리는 절대 원자 질량을 계산할 수있다 (그 평균치)는 각각 AMU 1.6605 · 10에 상당 아는 -24 g :
절대 원자량 (J) = 87.2 AMU의 (* 1.6605 * 10 -24 g / AMU)
= 1.447956 · 10 -22 g / J 원자
이것은 평균적으로 J 원자의 절대 질량이 1.447956 · 10 -22 g 임을 의미합니다 .
상대 원자 질량
상대 원자 질량은 수치 적으로 주어진 원소의 평균 원자 질량과 동일합니다. 그러나 두 번째와 달리 첫 번째는 통일성이 부족합니다. 따라서 차원이 없습니다. 예를 들어, 베릴륨의 평균 원자 질량은 9.012182 u입니다. 상대 원자 질량은 단순히 9.012182입니다.
그렇기 때문에 이러한 개념은 매우 유사하고 그 차이가 미묘하기 때문에 종종 동의어로 잘못 해석됩니다. 그러나이 질량은 무엇과 관련이 있습니까? 12C 질량의 12 분의 1을 기준으로합니다 .
따라서 상대 원자 질량이 77 인 원소는 질량이 12 ° C의 1/12 보다 77 배 더 크다는 것을 의미합니다 .
주기율표의 원소를 살펴본 사람들은 그들의 질량이 상대적으로 표현된다는 것을 알게 될 것입니다. 그들은 AMU 단위가없는 한 것처럼 해석한다 : 철 원자 55,846 질량, 그것의 1/12 부의 질량보다 55,846 배 이상의 질량임을 의미 갖는다 12 C를, 또한 55,846 AMU 또는 표현 될 수 있다는 55.846g / 몰.
원자 질량 계산 방법
수학적으로 요소 J의 예를 사용하여 계산하는 방법에 대한 예가 제공되었습니다. 일반적으로 다음과 같은 가중 평균 공식을 적용해야합니다.
P = Σ (동위 원소 원자 질량) (소 수량)
즉, 주어진 원소에 대한 각 동위 원소 (일반적으로 자연)의 원자 질량 (중성자 + 양성자)과 각각의 육상 풍부도 (또는 고려한 영역)를 가지면 가중 평균을 계산할 수 있습니다.
그리고 왜 산술 평균이 아닌가? 예를 들어, J의 평균 원자 질량은 87.2 amu입니다. 이 질량을 다시 계산하지만 산술적으로 계산하면 다음과 같이됩니다.
평균 질량 (J) = (88 amu + 86 amu + 90 amu) / 3
= 88 amu
88과 87.2 사이에는 중요한 차이가 있습니다. 이것은 산술 평균이 모든 동위 원소의 존재 비가 동일하다고 가정하기 때문입니다. J에는 3 개의 동위 원소가 있으므로 각각 100/3 (33.33 %)의 풍부도를 가져야합니다. 그러나 실제로는 그렇지 않습니다. 다른 동위 원소보다 훨씬 더 많은 동위 원소가 있습니다.
이것이 하나의 동위 원소가 다른 동위 원소에 대해 얼마나 풍부한 지 고려하기 때문에 가중 평균이 계산되는 이유입니다.
예
탄소
탄소의 평균 원자 질량을 계산하려면 각각의 존재비를 가진 천연 동위 원소가 필요합니다. 탄소의 경우, 이들은 : 12 C (98.89 %) 및 13 C (1.11 %). 그들의 상대 원자 질량은 각각 12와 13이며, 차례로 12 amu와 13 amu와 같습니다. 해결 :
평균 원자 질량 (C) = (12 amu) (0.9889) + (13 amu) (0.0111)
= 12.0111 amu
따라서 탄소 원자의 질량은 평균 12.01 amu입니다. 미량의이 있기 때문에 14 C는,이 평균에 거의 영향을 미치지 않는다.
나트륨
모든 지상 나트륨 원자는 23 개의 Na 동위 원소로 구성되어 있으므로 그 존재비는 100 %입니다. 그렇기 때문에 일반적인 계산에서 질량은 단순히 23amu 또는 23g / mol로 가정 할 수 있습니다. 그러나 정확한 질량은 22.98976928 amu입니다.
산소
각각의 존재비와 산소의 동위 원소는 세 : 16 O (99.762 %), 17 O (0.038 %)과 18 O (0.2 %). 평균 원자 질량을 계산하기위한 모든 것이 있습니다.
평균 원자 질량 (O) = (16 amu) (0.99762) + (17 amu) (0.00038) + (18 amu) (0.002)
= 16.00438 amu
보고 된 정확한 질량은 실제로 15.9994 amu입니다.
질소
산소와 같은 단계를 반복 우리가 : 14 N (99.634 %)과 15 N (0.366 %)를. 그래서:
평균 원자 질량 (N) = (14amu) (0.99634) + (15amu) (0.00366)
= 14.00366 amu
보고 된 질소 질량은 14.0067 amu로 우리가 계산 한 것보다 약간 높습니다.
염소
염소의 동위 원소는 각각 존재 비가 35 Cl (75.77 %) 및 37 Cl (24.23 %)입니다. 평균 원자 질량 계산 :
평균 원자 질량 (Cl) = (35 amu) (0.7577) + (37 amu) (0.2423)
= 35.4846 amu
보고 된 것과 매우 유사합니다 (35,453 amu).
디스프로슘
그리고 마지막으로 많은 천연 동위 원소를 가진 원소의 평균 질량이 계산됩니다 : 디스프로슘. 이들과 각각의 존재비는 156 Dy (0.06 %), 158 Dy (0.10 %), 160 Dy (2.34 %), 161 Dy (18.91 %), 162 Dy (25.51 %), 163 Dy (24.90 %) 및 164 Dy (28.18 %).
이 금속의 원자 질량을 계산하기 위해 이전 예에서와 같이 진행합니다.
평균 원자 질량 (Dy) = (156 amu) (0.0006 %) + (158 amu) (0.0010) + (160 amu) (0.0234) + (161 amu) (0.1891) + (162 amu) (0.2551) + (163amu) (0.2490) + (164amu) (0.2818)
= 162.5691 amu
보고 된 질량은 162,500 amu입니다. 156 Dy, 158 Dy 및 160 Dy 동위 원소 가 거의 없기 때문에이 평균은 162에서 163 사이입니다 . 우세한 것은 162 Dy, 163 Dy 및 164 Dy입니다.
참고 문헌
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). 화학 (8 판). CENGAGE 학습.
- Wikipedia. (2019). 원자 질량. 출처 : en.wikipedia.org
- 크리스토퍼 마시. (sf). 원자 질량. 출처 : wsc.mass.edu
- 나탈리 볼 초버. (2017 년 9 월 12 일). 원자의 무게를 어떻게 측정합니까? 라이브 과학. 출처 : livescience.com
- 화학 LibreTexts. (2019 년 6 월 5 일). 원자 질량 계산. 출처 : chem.libretexts.orgs
- Edward Wichers와 H. Steffen Peiser. (2017 년 12 월 15 일). 원자량. 브리태니커 백과 사전. 출처 : britannica.com