Относителна атомна маса: дефиниция, изчисление и стандартни стойности

Относителна атомна маса: ясна дефиниция, практическо изчисление и таблица с точни стандартни стойности за изотопи — бърза справка за студенти и специалисти.

Относителната атомна маса (наричана още атомно тегло; символ: _Ar) е мярка за това колко тежки са атомите. Тя се дефинира като съотношението между средната маса на един атом от даден елемент от определена проба и 1/12 от масата на атом на въглерод-12. С други думи, относителната атомна маса показва колко пъти средният атом на елемент е по-тежък от една дванадесета от атом на въглерод-12. Думата "относителна" произлиза от това сравнение спрямо въглерод-12. Стойностите на относителната атомна маса са числено съотношение и по същество са безразмерни величини. По-старият, но все още често използван термин е атомно тегло.

Изотопи и относителна изотопна маса

Атомите на един и същ елемент имат един и същ брой протони в ядрото; този брой определя елемента. В природата обаче много елементи съществуват като смеси от атоми с различен брой неутрони. Всеки вариант се нарича изотоп и има своя собствена маса (изотопна маса). Например, елементът талий има два често срещани изотопа: талий-203 и талий-205. И двата имат 81 протона, но талий-205 има 124 неутрона, а талий-203 — 122.

Относителната изотопна маса на даден изотоп е масата му, изразена спрямо 1/12 от масата на атома на въглерод-12. Тази стойност е почти равна на масовото число (сума от протоните и неутроните), но се различава с малка величина заради енергията на свързване и масата на електроните. Подобно на относителната атомна маса, относителната изотопна маса е без единици.

Как се изчислява относителната атомна маса

За да се определи относителната атомна маса на проба от елемент, се пресмята среднопретеглената стойност на относителните изотопни маси, като се вземат предвид относителните изобили (дялът на всеки изотоп в пробата). Формулата е:

Ar(проба) = Σ (фракция_i × Ar(изотоп_i))

Например, ако проба от талий съдържа 30 % талий-203 и 70 % талий-205, тогава:

A r = ( 203 × 30 ) + ( 205 × 70 ) 100 = ( 6090 ) + ( 14350 ) 100 = 20440 100 = 204.4 {\displaystyle A_{r}={\frac {(203\times 30)+(205\times 70)}{100}}={\frac {(6090)+(14350)}{100}}={\frac {20440}{100}}=204.4}

В практиката относителните изобили се определят чрез масспектрометрия или други аналитични методи, които измерват съотношението между изотопите в конкретната проба.

Стандартна атомна маса и природни вариации

Стандартната атомна маса (или стандартното атомно тегло) е препоръчителна средна стойност, изчислена от Комисията по изотопни съдържания и атомни тегла на Международния съюз по чиста и приложна химия (IUPAC), въз основа на анализ на множество нормални земни проби. Тези стандартни стойности се публикуват и обновяват периодично и обикновено са изброени в периодичната таблица.

Важно е да се разбере, че стандартната стойност е усреднена за нормални земни проби; отделни проби могат да имат малко по-различни относителни атомни маси поради местни вариации в изотопния състав. По тази причина IUPAC в някои случаи посочва стандартни стойности като интервали, когато природната вариабилност е значима.

Практически бележки и приложения

• Относителната атомна маса е основна величина в стехиометрията и се използва при изчисления на моларни количества и реакции.
• Моларната маса на елемента (изразена в g·mol−1) е числено равна на относителната атомна маса; например Ar(Fe) ≈ 55.85 → molarна маса на желязото ≈ 55.85 g·mol−1. Това се дължи на дефиницията на моля и избора на въглерод-12 като стандарта.
• Атомната единица маса (1 u или 1 amu) е дефинирана като 1/12 от масата на атома на въглерод-12 и е приблизително 1.66053906660×10−27 kg. Чрез тази връзка можем да превръщаме относителни маси в абсолютни маси в килограми.
• Относителните маси и изотопните състави са ключови в геохимията, климатологията, медицинската диагностика (радиоактивни изотопи) и при изследванията на произхода на материали (изотопна проследяемост).

Често срещани недоразумения:

Относителната атомна маса не е същото като:

• Атомно число (Z) — това е броят на протоните в ядрото и определя кой елемент е това. То не дава информация за масата на атома.
• Масово число (A) — цяло число, равно на сумата от протоните и неутроните в ядрото за един изотоп; масовото число е приблизителна стойност за изотопната маса, но не отчита свързващата енергия и масата на електроните.
• Изотопна маса (в единици u) — това е абсолютната маса на конкретен изотоп, изразена в атомни единици маса (u). Относителната изотопна маса е число без единици, равно на тази маса спрямо 1/12 от масата на C-12.
• Моларна маса (g·mol−1) — макар да е числено равна на Ar, моларната маса има единици (грама на мол) и описва масата на един 몰 от атомите.
• Абсолютна маса в килограми — за да се превърне относителната атомна маса в килограми, трябва да се умножи по атомната единица маса (1 u ≈ 1.66053906660×10−27 kg).

В заключение, относителната атомна маса е удобен и широко използван размер за сравнение на масите на атомите и за извършване на химични изчисления, но винаги трябва да се има предвид дали се отнася за конкретна проба (Ar на проба) или за стандартна усреднена стойност, публикувана от IUPAC (стандартното атомно тегло).

Въпроси и отговори

В: Какво е относителна атомна маса?

Въпрос: Какво означава "относителна" в "относителна атомна маса"?

В: По какво се различават изотопите един от друг?

Въпрос: Как можем да изчислим относителната атомна маса на дадена проба?

В: Какво е стандартна атомна маса?

Въпрос: Как могат пробите, взети от различни места, да се различават по отношение на относителните си атомни маси?

Търсене по буква