Relativna atomska masa (atomska teža): definicija in izotopi

Relativna atomska masa (imenovana tudi atomska teža; simbol: A_r) je merilo, kako težki so atomi v primerjavi z izbranim standardom. Formalno je relativna atomska masa definirana kot razmerje povprečne mase atoma elementa v določenem vzorcu in 1/12 mase atoma ogljika-12. Z drugimi besedami, relativna atomska masa pove, kolikokrat je povprečni atom elementa iz danega vzorca težji od ene dvanajstine atoma ogljika‑12. Beseda relativna poudarja, da gre za vrednost glede na ta reference; vrednosti so razmerja in zato brezdimenzijske. Izraz je enakovreden starejšemu izrazu atomska masa.

Izotopi in izotopske mase

Atom elementa je določen s številom protonov, a mnogi elementi v naravi obstajajo kot mešanica atomov z različnim številom nevtronov. Takšni različni jedri istega elementa imenujemo izotopi. Vsak izotop ima svojo natančno maso (izotopska masa). Relativna izotopska masa izraža maso posameznega izotopa glede na 1/12 mase atoma ogljika-12 in je približno enaka njegovemu masnemu številu (vsoti protonov in nevtronov), vendar so majhne razlike posledica vezavne energije v jedru.

Na primer, element talij ima običajno dva stabilna izotopa: talij‑203 in talij‑205. Oba imata 81 protonov, vendar talij‑205 vsebuje 124 nevtronov, medtem ko talij‑203 vsebuje 122. Vsak izotop torej prispeva svojo izotopsko maso k povprečni (relativni) atomski masi vzorca.

Izračun relativne atomske mase vzorca

Relativno atomsko maso določenega vzorca elementa izračunamo kot tehtano povprečje relativnih izotopskih mas, pri čemer tehtamo z relativnimi obilji izotopov v vzorcu. Če je na primer vzorec talija sestavljen iz 30 % talija‑203 in 70 % talija‑205, dobimo:

A r = ( 203 × 30 ) + ( 205 × 70 ) 100 = ( 6090 ) + ( 14350 ) 100 = 20440 100 = 204,4 {\displaystyle A_{r}={\frac {(203\krat 30)+(205\krat 70)}{100}}={\frac {(6090)+(14350)}{100}}={\frac {20440}{100}}=204,4}

Zaradi naravnih razlik v izotopskih deležih lahko relativne atomske mase vzorcev istega elementa, zbranih na različnih mestih na Zemlji ali iz različnih virov, rahlo odstopajo ena od druge.

Standardna atomska masa in IUPAC

Standardna atomska masa je IUPAC‑ova priporočena srednja vrednost relativnih atomskih mas, izračunana na podlagi razpoložljivih običajnih zemeljskih vzorcev elementa. Te vrednosti in pripadajoče negotovosti redno objavlja Komisija za izotopske količine in atomske mase pri Mednarodni zvezi za čisto in uporabno kemijo (IUPAC) in so navedene v sodobnih različicah periodnega sistema. V praksi se v mnogih kemijskih tabelah kot «atomska masa» uporablja prav ta standardna vrednost.

Pogosto se izraz «relativna atomska masa» uporablja z enakim pomenom kot »standardna atomska masa«. To ni povsem natančno: relativna atomska masa se nanaša na posamezen vzorec (lahko se razlikuje zaradi lokalnih izotopskih variacij), medtem ko standardna atomska masa predstavlja priporočeno referenčno srednjo vrednost za zemeljske vzorce.

Meritve, enote in povezave s hitro rabo

Relativne izotopske in atomske mase se običajno določajo z masno spektrometrijo. Čeprav je A_r brezdimenzijska, se v praksi pogosto povezuje z enoto unified atomic mass unit (simbol u ali Da — dalton), kjer je 1 u enako natančno 1/12 mase ogljika‑12 in znaša približno 1,660 539 066 60×10⁻²⁷ kg. Pomembno je tudi, da je numerična vrednost relativne atomske mase elementa približno enaka njegovi molarni masi v g·mol⁻¹ (npr. A_r O ≈ 16 ⇒ molarna masa O ≈ 16 g·mol⁻¹), kar kemikom omogoča enostavno pretvorbo med atomskimi vrednostmi in količinami snovi.

Pogoste zamenjave — relativna atomska masa ni isto kot:

• Masno število (A): masno število je celo število, enako vsoti protonov in nevtronov v jedru posameznega izotopa. Ni tehtano povprečje in nima decimalnih mest kot relativna atomska masa.
• Izotopska (atomna) masa: masa posameznega izotopa (izražena glede na 1/12 ogljika‑12 ali v enemotski enoti u). Relativna atomska masa vzorca pa je tehtano povprečje izotopskih mas glede na obilja.
• Unifizirana atomska masa (u, Da): enota za maso (1 u = 1/12 mase ogljika‑12). Relativna atomska masa sama nima enote — zanjo velja razmerje.
• Molarna masa (g·mol⁻¹): molarna masa numerično ustreza relativni atomski masi, vendar ima enoto g·mol⁻¹ in predstavlja maso enega mola atomov elementa.
• Relativna molekulska masa (M_r): tehtano povprečje mas atomov v molekuli (brez enot). To je analogna količina za molekule, ne za posamezne elemente.

Uporaba in pomen

Relativne atomske mase so temeljni podatek v kemiji in fiziki: uporabljajo se pri izračunih molarnih mas, stehiometrije, interpretaciji masnih spektrov, izračunih termokemijskih količin in pri razumevanju izotopskih razmer v geologiji, meteorologiji in biologiji. Zaradi naravnih variacij izotopov so tudi raziskave izotopskih razmer uporabno orodje pri sledenju izvora snovi in pri paleo‑klimatskih študijah.

Viri podatkov in priporočene številčne vrednosti (z negotovostmi) najdete v najnovejših izdajah IUPAC‑ove zbirke standardnih atomskih mas in v večini sodobnih periodnih tabel.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je relativna atomska masa?

V: Kaj pomeni "relativna" v besedi relativna atomska masa?

V: Kako se izotopi med seboj razlikujejo?

V: Kako lahko izračunamo relativno atomsko maso vzorca?

V: Kaj je standardna atomska masa?

V: Kako se lahko vzorci, odvzeti na različnih lokacijah, razlikujejo po relativnih atomskih masah?

Išči po črki