Атомная масса

Атомы — и протоны, нейтроны и электроны, которые их составляют — очень малы. Например, атом углерода весит менее 2 × 10⁻²³ г. При описании свойств мелких объектов, таких как атомы, мы используем соответствующие малые единицы измерения, такие как единицы атомной массы (amu). amu изначально определялась на основе водорода, самого легкого элемента, затем в терминах кислорода. С 1961 года она определена в отношении наиболее обильного изотопа углерода, атомам которого присваиваются массы ровно 12 amu. Таким образом, один amu составляет ровно ¹/₁₂ массы одного атома углерода-12: 1 amu = 1.6605 × 10⁻²⁴ г. Дальтон (Da) и унифицированная единица атомной массы (u) являются альтернативными единицами, эквивалентными amu.  

Поскольку каждый протон и каждый нейтрон вносят примерно одну amu в массу атома, а каждый электрон вносит гораздо меньше, атомная масса одного атома приблизительно равна его массовому числу (целая сумма протонов и нейтронов в атоме). Например, масса одного атома азота составляет 14 (7 протонов + 7 нейтронов). Однако средние массы атомов большинства элементов не являются целыми числами, поскольку большинство элементов существуют естественным образом как смеси двух или более изотопов. Изотопы — это атомы одного и того же элемента с одним и тем же числом протонов, но разным числом нейтронов. Масса элемента, показанного в периодической таблице или внесенного в таблицу атомных масс, представляет собой взвешенную среднюю массу всех изотопов, присутствующих в образце естественного происхождения этого элемента. Средняя масса равна сумме массы каждого отдельного изотопа, умноженной на ее относительное содержание..

Например, элемент хлор (атомный номер 17) состоит из двух изотопов:³⁵Cl и хлор ³⁷Cl. Около 75.78% всех атомов хлора составляют ³⁵Cl с массой 34.969 amu, а остальные 24.22% — ³⁷Cl с массой 36.966 amu. Средняя атомная масса для хлора рассчитывается следующим образом:

Важно понимать, что ни один атом хлора не весит ровно 35.45 amu; это значение является средней массой всех атомов хлора, а отдельные атомы хлора весят примерно 35 amu или 37 amu. Кроме того, поскольку естественный хлор содержит болmit ^{35 атомов} CL, чем атомов ³⁷Cl, взвешенная средняя масса хлора ближе к 35 amu, чем к 37 amu.

Возникновение и естественное содержание изотопов можно экспериментально определить с помощью инструмента, называемого масс-спектрометром. Масс-спектрометрия (МС) широко используется в химии, криминалистике, медицине, экологии и многих других областях для анализа и определения веществ в образце материала. В типичном масс-спектрометре образец испаряется и подвергается воздействию высокоэнергетического электронного пучка, который вызывает электрический заряд атомов или молекул образца, обычно теряя один или несколько электронов. Затем эти катионы проходят через переменное магнитное поле, которое отклоняет путь каждого катиона в зависимости как от его массы, так и от заряда. Наконец, обнаруживаются ионы, и создается график относительного числа ионов, генерируемых в сравнении с их отношением массы к заряду, спектр массы. Высота каждого вертикального элемента или пика в масс-спектре пропорциональна доле катионов с указанным отношением массы к заряду. С момента своего первого использования в ходе разработки современной атомной теории, MS превратилась в мощный инструмент химического анализа в широком диапазоне применений.

Текст, адаптированный из Openstax Химия 2e, раздел 2.3: Атомная структура и обозначения.