Atomska masa in relativna atomska masa: definicija, enote in izotopi

Atomska masa (simbol: _ma) je masa enega samega atoma določene kemijske elementa. V maso atoma prispevajo trije glavni subatomski delci: protoni, nevtroni in elektroni. Čeprav elektroni prispevajo k masi, je njihov prispevek zelo majhen v primerjavi z delci v jedru.

Enote atomske mase

Atomsko maso lahko izrazimo v gramih, a je zaradi zelo majhnih vrednosti to nepraktično. Zato se v kemiji in fiziki uporablja enota enotne atomske mase (simbol: u). Ena enota atomske mase je opredeljena kot 1/12 mase enega atoma ogljika-12. Vrednost 1 u je 1,660 539 066 60(50) × 10-27 kg. Atom ogljika-12 ima po definiciji maso točno 12 u.

Izotopi in izotopska masa

Število protonov v atomu določa, kateri element je atom. Večina elementov v naravi se pojavlja v obliki več izotopov, torej jeder z enakim številom protonov, a različnim številom nevtronov. Vsak izotop ima svojo atomsko (izotopsko) maso, imenovano izotopska masa.

Na primer, element klor ima pogosta izotopa klor-35 in klor-37. Obe jedri imata 17 protonov, a klor-35 ima 18 nevtronov, klor-37 pa 20. Tako imata izotopa približno 35 u oziroma 37 u.

Masno število (A) in zakaj se atomska masa ne ujema vedno z njim

Masno število (simbol: A) je cela števila, enaka vsoti protonov in nevtronov v jedru. Masno število je vedno celo število in nima enot. Atomska masa pa je natančna fizikalna masa atoma in običajno ni natanko enaka masnemu številu, ker upošteva:

• masa posameznih delcev (protonov, nevtronov in elektronov), ki niso točno 1 u;
• vezavno energijo jedra (masa vezave) — zaradi ekvivalence mase in energije (E=mc2) je masa jedra nekoliko manjša od vsote mas posameznih nukleonov;
• masni prispevek elektronov (majhen, a merljiv pri zelo natančnih meritvah).

Zato so atomske mase izotopov običajno za nekaj stotink oziroma desetink u različne od celih števil.

Relativna izotopska masa in relativna atomska masa

Relativna izotopska masa je masa izotopa izražena glede na 1/12 mase atoma ogljika-12. Gre za brezdimenzijsko število, ki pove, kolikokrat je izotop težji od ene dvanajstine atoma ogljika-12. Če je izotopska masa izražena v atomskih masnih enotah (u), ima relativna izotopska masa enako številčno vrednost, vendar brez enote.

Relativna atomska masa (simbol: _Ar) je povprečna masa atomov elementa v danem vzorcu, izražena glede na 1/12 mase atoma ogljika-12. To je prav tako brezdimenzijsko razmerje. Dobimo jo kot tehtano povprečje relativnih izotopskih mas glede na naravno ali dano razmerje izotopov v vzorcu:

Ar(vzorca) = Σ fi · mi, kjer je fi delež (občutek) i-tega izotopa v vzorcu (v decimalni obliki) in mi relativna izotopska masa tega izotopa.

Primer: izračun relativne atomske mase za klor

Če imamo vzorec klora, v katerem je 75 % klora-35 in 25 % klora-37, izračunamo relativno atomsko maso:

Ar = 0,75 × 35 + 0,25 × 37 = 26,25 + 9,25 = 35,50

To pomeni, da je relativna atomska masa tega vzorca klora 35,50 (brez enote). Vendar je pri naravnem kloru zaradi dejanskih abundanc in variacij standardna vrednost približno 35,45 (IUPAC), ker se deleži izotopov lahko razlikujejo v različnih vzorcih in regijah.

Pomen in uporaba

• Relativna atomska masa je osnova za računanje molarne mase: števčna vrednost relativne atomske mase (Ar) je enaka molarni masi v g·mol−1. Na primer, če je Ar klora ≈ 35,45, potem je molarna masa klora ≈ 35,45 g·mol−1.
• V kemičnih izračunih (stehiometrija, priprave reagentov, analize) se uporablja povprečna (relativna) atomska masa in molarne mase, ne posamezne izotopske mase, razen kadar delamo s čiščenimi izotopi.
• Za natančne znanstvene meritve (npr. geokemija, jedrska kemija) pa so pomembne posamezne izotopske mase in prepoznavanje izotopnih razmerij.

Kako se določa atomska masa?

Atomske in izotopske mase se natančno merijo z masnimi spektrometri, ki ločijo ione glede na razmerje masa/električni naboj (m/z). Meritve upoštevajo tudi vezavno energijo in elektronsko maso ter vključujejo kalibracijo glede na standard (ogljik-12).

Povzetek

• Atomska masa je dejanska masa atoma (izražena v u ali kg); masno število A je celo število, vsota protonov in nevtronov.
• Relativna izotopska masa in relativna atomska masa sta brezdimenzijska razmerja glede na 1/12 mase ogljika-12; ko relativne mase izrazimo v u, imajo iste številčne vrednosti kot atomske mase v u, vendar relativne vrednosti nimajo enot.
• Molarna masa (g·mol−1) se numerično ujema z relativno atomsko maso.

Če želite, lahko dodam: primer izračuna molarne mase z realnimi vrednostmi, razlago masnega defekta ali navodila za uporabo masnega spektrometra pri določanju izotopnih razmerij.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je atomska masa?

V: Kako se izraža atomska masa?

V: Kakšno maso ima atom ogljika-12?

V: Kaj določa, kateri element je atom?

V: Kaj so izotopi?

V: Kakšna je razlika med atomsko maso in masnim številom?

Išči po črki