الكتلة الذرية: التعريف ، الأنواع ، كيفية حسابها ، الأمثلة - كيمياء - 2026

و الكتلة الذرية هي كمية الوقت الحاضر المادي في الذرة، والتي يمكن التعبير عنها في وحدات البدنية العادية أو في وحدات الكتلة الذرية (اتحاد المغرب العربي أوو). الذرة فارغة في كل بنيتها تقريبًا ؛ الإلكترونات المنتشرة في مناطق تسمى المدارات ، حيث يوجد احتمال معين لإيجادها ونواتها.

في نواة الذرة توجد البروتونات والنيوترونات. الأول بشحنات موجبة ، بينما الأخير بشحنة محايدة. وهذان الجسيمان دون الذريان لهما كتلة أكبر بكثير من كتلة الإلكترون ؛ لذلك فإن كتلة الذرة تحكمها نواتها وليس الفراغ ولا الإلكترونات.

الجسيمات دون الذرية الرئيسية وكتلة النواة. المصدر: غابرييل بوليفار.

تبلغ كتلة الإلكترون حوالي 9.1 · 10 ^-31 كجم ، بينما تبلغ كتلة البروتون 1.67 · 10 ^-27 كجم ، ونسبة الكتلة 1800 ؛ أي أن البروتون "يزن" 1800 مرة أكثر من الإلكترون. وبالمثل ، يحدث الشيء نفسه مع كتل النيوترون والإلكترون. هذا هو السبب في أن المساهمة الكتلية للإلكترون للأغراض العادية تعتبر ضئيلة.

لهذا السبب ، يُفترض عادةً أن كتلة الذرة ، أو الكتلة الذرية ، تعتمد فقط على كتلة النواة ؛ والتي بدورها تتكون من مجموع مادة النيوترونات والبروتونات. ينشأ مفهومان من هذا المنطق: عدد الكتلة والكتلة الذرية ، وكلاهما مرتبطان ارتباطًا وثيقًا.

مع وجود الكثير من "الفراغ" في الذرات ، وبما أن كتلتها تقريبًا هي وظيفة من وظائف النواة ، فمن المتوقع أن تكون الأخيرة كثيفة بشكل غير عادي.

إذا أزلنا الفراغ المذكور من أي جسم أو شيء ، فإن أبعاده ستتقلص بشكل كبير. أيضًا ، إذا تمكنا من بناء جسم صغير استنادًا إلى نوى ذرية (بدون إلكترونات) ، فستكون كتلته ملايين الأطنان.

من ناحية أخرى ، تساعد الكتل الذرية على تمييز الذرات المختلفة لنفس العنصر ؛ هذه هي النظائر. نظرًا لوجود نظائر أكثر وفرة من غيرها ، يجب تقدير متوسط ​​كتل الذرات لعنصر معين ؛ متوسط ​​يمكن أن يختلف من كوكب إلى كوكب ، أو من منطقة فضائية إلى أخرى.

التعريف والمفهوم

بحكم التعريف ، الكتلة الذرية هي مجموع كتل البروتونات والنيوترونات معبرًا عنها بالأومي أو ش. يتم وضع الرقم الناتج (يُطلق عليه أحيانًا رقم الكتلة) بلا أبعاد في الزاوية اليسرى العليا في التدوين المستخدم للنويدات. على سبيل المثال ، بالنسبة للعنصر ¹⁵ X كتلته الذرية هي 15uma أو 15u.

لا يمكن للكتلة الذرية أن تخبرنا الكثير عن الهوية الحقيقية لهذا العنصر X. وبدلاً من ذلك ، يتم استخدام العدد الذري ، الذي يتوافق مع البروتونات في نواة X. إذا كان هذا الرقم هو 7 ، فإن الفرق (15-7) ستساوي 8 ؛ أي أن X بها 7 بروتونات و 8 نيوترونات ، مجموعها 15.

بالعودة إلى الصورة ، تحتوي النواة على 5 نيوترونات و 4 بروتونات ، وبالتالي فإن عددها الكتلي هو 9 ؛ و 9 amu هي بدورها كتلة ذرتها. من خلال الحصول على 4 بروتونات ، والاطلاع على الجدول الدوري ، يمكن ملاحظة أن هذه النواة تتوافق مع نواة عنصر البريليوم ، Be (أو ⁹ Be).

وحدة كتلة ذرية

الذرات أصغر من أن تتمكن من قياس كتلتها بالطرق التقليدية أو الموازين العادية. ولهذا السبب تم اختراع أوما ، أو دا (عمى الألوان). تسمح لك هذه الوحدات المصممة للذرات بالحصول على فكرة عن مدى كتلة ذرات عنصر ما بالنسبة لبعضها البعض.

ولكن ما الذي يمثله الأوما بالضبط؟ يجب أن تكون هناك إشارة لتأسيس العلاقات الجماهيرية. لهذا الغرض ، تم استخدام ذرة C ¹² كمرجع ، وهو النظير الأكثر وفرة وثباتًا للكربون. بوجود 6 بروتونات (عددها الذري Z) ، و 6 نيوترونات ، فإن كتلتها الذرية تساوي 12.

تم افتراض أن البروتونات والنيوترونات لها نفس الكتلة ، بحيث يساهم كل منهما بمقدار 1 amu. ثم يتم تعريف وحدة الكتلة الذرية على أنها واحد على اثني عشر (1/12) من كتلة ذرة كربون -12 ؛ هذه هي كتلة البروتون أو النيوترون.

المعادلة بالجرام

والآن يطرح السؤال التالي: كم جرام يساوي 1 amu؟ نظرًا لعدم وجود تقنيات متقدمة بما فيه الكفاية في البداية لقياسها ، كان على الكيميائيين أن يكتفوا بالتعبير عن جميع الجماهير باستخدام amu ؛ ومع ذلك ، كانت هذه ميزة وليس عيبًا.

لماذا ا؟ نظرًا لأن الجسيمات دون الذرية صغيرة جدًا ، يجب أن تكون كتلتها ، معبرًا عنها بالجرام ، صغيرة جدًا. في الواقع ، 1 amu يساوي 1.6605 · 10 ^-24 جرام. علاوة على ذلك ، مع استخدام مفهوم الخلد ، لم يكن هناك مشكلة في العمل على كتل العناصر ونظائرها مع العلم أن هذه الوحدات يمكن تعديلها إلى جم / مول.

على سبيل المثال ، بالعودة إلى ¹⁵ X و ⁹ Be ، نجد أن كتلتيهما الذرية هي 15 amu و 9 amu على التوالي. نظرًا لأن هذه الوحدات صغيرة جدًا ولا تخبر بشكل مباشر مقدار المادة التي يجب "وزنها" للتلاعب بها ، يتم تحويلها إلى كتلها المولية: 15 جم / مول و 9 جم / مول (تقديم مفاهيم المولات وعدد أفوجادرو).

متوسط ​​الكتلة الذرية

ليست كل ذرات نفس العنصر لها نفس الكتلة. هذا يعني أنه يجب أن يكون لديهم المزيد من الجسيمات دون الذرية في النواة. لكونه نفس العنصر ، يجب أن يظل العدد الذري أو عدد البروتونات ثابتًا ؛ لذلك ، هناك اختلاف فقط في كميات النيوترونات التي يمتلكونها.

هذا ما يظهر من تعريف النظائر: ذرات من نفس العنصر ولكن ذات كتل ذرية مختلفة. على سبيل المثال ، يتكون البريليوم بالكامل تقريبًا من النظير ⁹ Be ، بكميات ضئيلة تبلغ ¹⁰ Be. ومع ذلك ، فإن هذا المثال ليس مفيدًا جدًا في فهم مفهوم متوسط ​​الكتلة الذرية ؛ نحن بحاجة إلى واحد مع المزيد من النظائر.

مثال

افترض أن العنصر ⁸⁸ J موجود ، وهذا هو النظير الرئيسي لـ J بكثرة 60٪. لدى J أيضًا نظيران آخران: ⁸⁶ J ، بكثرة 20٪ ، و ⁹⁰ J ، مع وفرة أيضًا بنسبة 20٪. هذا يعني أنه من بين 100 ذرة J التي نجمعها على الأرض ، 60 منها ⁸⁸ J ، والباقي 40 ذرة خليط من ⁸⁶ J و ⁹⁰ J.

كل من النظائر الثلاثة لـ J له كتلته الذرية ؛ أي مجموع النيوترونات والبروتونات. ومع ذلك ، يجب حساب متوسط ​​هذه الكتل من أجل الحصول على كتلة ذرية لـ J في متناول اليد ؛ هنا على الأرض ، حيث قد تكون هناك مناطق أخرى في الكون حيث تكون وفرة ⁸⁶ J هي 56٪ وليس 60٪.

لحساب متوسط ​​الكتلة الذرية لـ J ، يجب الحصول على المتوسط ​​المرجح لكتل ​​نظائرها ؛ أي مع مراعاة نسبة الوفرة لكل منها. وهكذا لدينا:

متوسط ​​الكتلة (J) = (86 amu) (0.60) + (88 amu) (0.20) + (90 amu) (0.20)

= 87.2 وحدة دولية

أي أن متوسط ​​الكتلة الذرية (المعروف أيضًا باسم الوزن الذري) لـ J هو 87.2 amu. وفي الوقت نفسه ، كتلته المولية هي 87.2 جم / مول. لاحظ أن 87.2 أقرب إلى 88 منه إلى 86 ، كما أنه بعيد عن 90.

الكتلة الذرية المطلقة

الكتلة الذرية المطلقة هي الكتلة الذرية معبرًا عنها بالجرام. بدءًا من مثال العنصر الافتراضي J ، يمكننا حساب كتلته الذرية المطلقة (كتلة المتوسط) مع العلم أن كل amu يعادل 1.6605 · 10 ^-24 جرامًا:

الكتلة الذرية المطلقة (J) = 87.2 amu * (1.6605 · 10 ^-24 g / amu)

= 1.447956 · 10 ^-22 جم / جول ذرة

وهذا يعني أن متوسط ​​كتلة ذرات J هي 1.447956 · 10 ^-22 جم.

الكتلة الذرية النسبية

تتطابق الكتلة الذرية النسبية عدديًا مع متوسط ​​الكتلة الذرية لعنصر معين ؛ ومع ذلك ، على عكس الثاني ، يفتقر الأول إلى الوحدة. لذلك ، فهي بلا أبعاد. على سبيل المثال ، متوسط ​​الكتلة الذرية للبريليوم هو 9.012182 ش ؛ بينما كتلته الذرية النسبية هي ببساطة 9.012182.

هذا هو السبب في أن هذه المفاهيم غالبًا ما يُساء تفسيرها على أنها مترادفات ، لأنها متشابهة جدًا والاختلافات بينهما دقيقة. ولكن ما هي نسبة هذه الجماهير؟ بالنسبة إلى واحد على ¹² من كتلة ^{12 درجة} مئوية.

وبالتالي ، فإن عنصر كتلته الذرية النسبية 77 يعني أن كتلته أكبر بـ 77 مرة من ^1/12 من ^{12 درجة} مئوية.

أولئك الذين ألقوا نظرة على العناصر في الجدول الدوري سيرون أن كتلهم معبر عنها نسبيًا. ليس لديهم وحدات من amu ، ويتم تفسيرها على النحو التالي: يحتوي الحديد على كتلة ذرية تبلغ 55846 ، مما يعني أنه يزيد بمقدار 55846 مرة عن كتلة 1/12 جزء من ¹² درجة مئوية ، ويمكن أيضًا التعبير عنه على أنه 55846 amu أو 55.846 جم / مول.

كيف تحسب الكتلة الذرية

رياضياً ، تم إعطاء مثال عن كيفية حسابه مع مثال العنصر J. بشكل عام ، يجب تطبيق صيغة المتوسط ​​المرجح ، والتي ستكون:

P = Σ (الكتلة الذرية النظيرية) (الوفرة في الكسور العشرية)

بمعنى آخر ، وجود الكتل الذرية (النيوترونات + البروتونات) لكل نظير (طبيعي عادةً) لعنصر معين ، بالإضافة إلى وفرة كل منها على الأرض (أو أيًا كانت المنطقة المعتبرة) ، ثم يمكن حساب المتوسط ​​المرجح.

ولماذا ليس فقط المتوسط ​​الحسابي؟ على سبيل المثال ، متوسط ​​الكتلة الذرية لـ J هو 87.2 amu. إذا قمنا بحساب هذه الكتلة مرة أخرى ولكن حسابيا سيكون لدينا:

متوسط ​​الكتلة (J) = (88 amu + 86 amu + 90 amu) / 3

= 88 وحدة دولية

لاحظ أن هناك فرقًا مهمًا بين 88 و 87.2. وذلك لأن المتوسط ​​الحسابي يفترض أن وفرة جميع النظائر هي نفسها ؛ نظرًا لوجود ثلاثة نظائر لـ J ، يجب أن يكون لكل منها وفرة 100/3 (33.33٪). لكن هذا ليس هو الحال في الواقع: هناك نظائر أكثر وفرة من غيرها.

هذا هو السبب في حساب المتوسط ​​المرجح ، لأنه يأخذ في الاعتبار مدى وفرة أحد النظائر بالنسبة إلى نظير آخر.

أمثلة

كربون

لحساب متوسط ​​الكتلة الذرية للكربون ، نحتاج إلى نظائره الطبيعية مع وفرة كل منها. في حالة الكربون ، هذه هي: ¹² درجة مئوية (98.89٪) و ¹³ درجة مئوية (1.11٪). كتلتها الذرية النسبية هي 12 و 13 ، على التوالي ، والتي بدورها تساوي 12 وحدة دولية و 13 وحدة دولية. حل:

متوسط ​​الكتلة الذرية (C) = (12 amu) (0.9889) + (13 amu) (0.0111)

= 12.0111 وحدة دولية

لذلك ، تبلغ كتلة ذرة الكربون في المتوسط ​​12.01 amu. نظرًا لوجود كميات ضئيلة من ¹⁴ درجة مئوية ، فليس لها أي تأثير تقريبًا على هذا المتوسط.

صوديوم

تتكون جميع ذرات الصوديوم الأرضية من نظير ²³ Na ، لذا فإن وفرتها تبلغ 100٪. هذا هو السبب في الحسابات العادية يمكن افتراض أن كتلتها هي 23 amu أو 23 g / mol. ومع ذلك ، فإن كتلته بالضبط هي 22.98976928 amu.

الأكسجين

نظائر الأكسجين الثلاثة مع وفرتها هي: ¹⁶ O (99.762٪) ، ¹⁷ O (0.038٪) و ¹⁸ O (0.2٪). لدينا كل شيء لحساب متوسط ​​كتلته الذرية:

متوسط ​​الكتلة الذرية (O) = (16 amu) (0.99762) + (17 amu) (0.00038) + (18 amu) (0.002)

= 16.00438 وحدة دولية

على الرغم من أن كتلته الدقيقة المبلغ عنها هي في الواقع 15.9994 amu.

نتروجين

بتكرار نفس الخطوات بالأكسجين لدينا: ¹⁴ N (99.634٪) و ¹⁵ N (0.366٪). وبالتالي:

متوسط ​​الكتلة الذرية (N) = (14 amu) (0.99634) + (15 amu) (0.00366)

= 14.00366 وحدة دولية

لاحظ أن كتلة النيتروجين المبلغ عنها هي 14.0067 amu ، وهي أعلى قليلاً مما حسبناه.

الكلور

نظائر الكلور مع وفرتها هي: ³⁵ Cl (75.77٪) و ³⁷ Cl (24.23٪). بحساب متوسط ​​كتلته الذرية لدينا:

متوسط ​​الكتلة الذرية (Cl) = (35 amu) (0.7577) + (37 amu) (0.2423)

= 35.4846 وحدة دولية

تشبه إلى حد بعيد تلك المذكورة (35453 وحدة دولية).

الديسبروسيوم

وأخيرًا ، سيتم حساب متوسط ​​كتلة العنصر الذي يحتوي على العديد من النظائر الطبيعية: الديسبروسيوم. هذه وفرة كل منها هي: ¹⁵⁶ دي (0.06٪) ، ¹⁵⁸ دي (0.10٪) ، ¹⁶⁰ دي (2.34٪) ، ¹⁶¹ دي (18.91٪) ، ¹⁶² دي (25.51) ٪) ، ¹⁶³ داي (24.90٪) ، ¹⁶⁴ دى (28.18٪).

نواصل كما في الأمثلة السابقة لحساب الكتلة الذرية لهذا المعدن:

متوسط ​​الكتلة الذرية (Dy) = (156 amu) (0.0006٪) + (158 amu) (0.0010) + (160 amu) (0.0234) + (161 amu) (0.1891) + (162) amu) (0.2551) + (163 amu) (0.2490) + (164 amu) (0.2818)

= 162.5691 وحدة دولية

الكتلة المبلغ عنها هي 162،500 amu. لاحظ أن هذا المتوسط ​​يتراوح بين 162 و 163 ، نظرًا لأن نظائر ¹⁵⁶ Dy و ¹⁵⁸ Dy و ¹⁶⁰ Dy قليلة ؛ بينما تلك التي تسود هي ¹⁶² Dy و ¹⁶³ Dy و ¹⁶⁴ Dy.

المراجع

1. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. (2008). كيمياء (الطبعة الثامنة). سينجاج ليرنينج.
2. ويكيبيديا. (2019). الكتلة الذرية. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
3. كريستوفر ماسي. (سادس). الكتلة الذرية. تم الاسترجاع من: wsc.mass.edu
4. ناتالي ولتشوفر. (12 سبتمبر 2017). كيف تزن الذرة؟ العلوم الحية. تم الاسترجاع من: Livescience.com
5. الكيمياء LibreTexts. (05 يونيو 2019). حساب الكتل الذرية. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.orgs
6. إدوارد ويتشرز وه. ستيفن بيسر. (15 ديسمبر 2017). الوزن الذري. Encyclopædia Britannica. تم الاسترجاع من: britannica.com