3 วิธีในการคำนวณมวลอะตอม

2024 ผู้เขียน: Jason Gerald | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-19 22:14

มวลอะตอม คือผลรวมของโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนทั้งหมดในอะตอมหรือโมเลกุลเดี่ยว มวลของอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากจนไม่สามารถละเลยได้ แม้ว่าในทางเทคนิคจะไม่ถูกต้อง คำว่ามวลอะตอมมักใช้เพื่ออ้างถึงมวลอะตอมเฉลี่ยของไอโซโทปทั้งหมดของธาตุ คำนิยามที่สองนี้เป็นมวลอะตอมสัมพัทธ์ ซึ่งเรียกอีกอย่างว่า น้ำหนักอะตอม องค์ประกอบ น้ำหนักอะตอมพิจารณามวลเฉลี่ยของไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติของธาตุเดียวกัน นักเคมีต้องแยกความแตกต่างระหว่างมวลอะตอมทั้งสองประเภทนี้เพื่อเป็นแนวทางในการทำงาน ตัวอย่างเช่น ค่ามวลอะตอมที่ไม่ถูกต้องอาจทำให้การคำนวณผลการทดลองไม่ถูกต้อง

ขั้นตอน

วิธีที่ 1 จาก 3: การอ่านมวลอะตอมในตารางธาตุ

ขั้นตอนที่ 1 ทำความเข้าใจวิธีการแสดงมวลอะตอม

มวลอะตอมคือมวลของอะตอมหรือโมเลกุล มวลอะตอมสามารถแสดงเป็นหน่วยมวล SI มาตรฐานได้ เช่น กรัม กิโลกรัม เป็นต้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมวลอะตอมมีขนาดเล็กมากเมื่อแสดงในหน่วยเหล่านี้ มวลอะตอมจึงมักแสดงเป็นหน่วยมวลอะตอมผสม (โดยทั่วไปจะใช้ตัวย่อ u หรือ amu) มาตรฐานสำหรับหนึ่งหน่วยมวลอะตอมคือ 1/12 ของมวลของไอโซโทปคาร์บอน -12 มาตรฐาน

หน่วยมวลอะตอมแสดงมวลของหนึ่งโมลขององค์ประกอบหรือโมเลกุลในหน่วยกรัม นี่เป็นคุณสมบัติที่มีประโยชน์มากในการคำนวณเชิงปฏิบัติ เนื่องจากหน่วยนี้ทำให้ง่ายต่อการแปลงระหว่างมวลและโมลของปริมาณอะตอมหรือโมเลกุลชนิดเดียวกัน

ขั้นตอนที่ 2 ค้นหามวลอะตอมในตารางธาตุ

ตารางธาตุส่วนใหญ่จะแสดงรายการมวลอะตอมสัมพัทธ์ (น้ำหนักอะตอม) ของแต่ละธาตุ มวลนี้มักจะแสดงเป็นตัวเลขที่ด้านล่างของตารางธาตุในตาราง ใต้สัญลักษณ์ทางเคมีที่อ่านตัวอักษรหรือสองตัว ตัวเลขนี้มักจะแสดงเป็นทศนิยมแทนที่จะเป็นจำนวนเต็ม

• โปรดทราบว่ามวลอะตอมสัมพัทธ์ที่แสดงในตารางธาตุเป็นค่าเฉลี่ยของธาตุที่เกี่ยวข้อง องค์ประกอบทางเคมีมีไอโซโทปที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นรูปแบบทางเคมีที่มีมวลต่างกันเนื่องจากการบวกหรือการลบนิวตรอนหนึ่งหรือหลายนิวเคลียสจากนิวเคลียสของอะตอม ดังนั้น มวลอะตอมสัมพัทธ์ที่แสดงในตารางธาตุจึงสามารถใช้เป็นค่าเฉลี่ยของอะตอมของธาตุใดธาตุหนึ่งได้ แต่ ไม่ เป็นมวลของอะตอมเดียวของธาตุ
• มวลอะตอมสัมพัทธ์ เช่นที่พบในตารางธาตุ ใช้เพื่อคำนวณมวลโมลาร์ของอะตอมและโมเลกุล มวลอะตอม เมื่อแสดงเป็น amu เหมือนในตารางธาตุ ในทางเทคนิคแล้วไม่มีหน่วย อย่างไรก็ตาม การคูณมวลอะตอมด้วย 1 g/mol ทำให้เราได้ปริมาณที่ใช้สำหรับมวลโมลาร์ของธาตุนั้น นั่นคือมวล (เป็นกรัม) ของหนึ่งโมลของอะตอมของธาตุ

ขั้นตอนที่ 3 ทำความเข้าใจว่าค่าในตารางธาตุเป็นมวลอะตอมเฉลี่ยของธาตุ

ตามที่อธิบายไว้แล้ว มวลอะตอมสัมพัทธ์ที่แสดงไว้สำหรับแต่ละองค์ประกอบในตารางธาตุคือค่าเฉลี่ยของไอโซโทปทั้งหมดของอะตอม ค่าเฉลี่ยนี้มีความสำคัญสำหรับการคำนวณในทางปฏิบัติหลายอย่าง เช่น การคำนวณมวลโมลาร์ของโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมหลายอะตอม อย่างไรก็ตาม เมื่อทำงานกับแต่ละอะตอม ตัวเลขนี้ในบางครั้งอาจไม่เพียงพอ

• ค่าในตารางธาตุไม่ใช่ค่าที่แน่นอนสำหรับมวลอะตอมเดี่ยวใดๆ เนื่องจากเป็นค่าเฉลี่ยของไอโซโทปประเภทต่างๆ
• มวลอะตอมของแต่ละอะตอมจะต้องคำนวณโดยคำนึงถึงจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่แน่นอนในอะตอมเดียว

วิธีที่ 2 จาก 3: การคำนวณมวลอะตอมสำหรับอะตอมแต่ละตัว

ขั้นตอนที่ 1 ค้นหาเลขอะตอมของธาตุหรือไอโซโทป

เลขอะตอมคือจำนวนโปรตอนในองค์ประกอบและไม่มีจำนวนที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น อะตอมไฮโดรเจนทั้งหมด และอะตอมไฮโดรเจนเท่านั้น มีโปรตอนหนึ่งตัว โซเดียมมีเลขอะตอมเท่ากับ 11 เนื่องจากนิวเคลียสของมันมีโปรตอน 11 ตัว ในขณะที่ออกซิเจนมีเลขอะตอมเท่ากับ 8 เนื่องจากนิวเคลียสของมันมีแปดโปรตอน คุณสามารถหาเลขอะตอมของธาตุใดก็ได้ในตารางธาตุ – ในตารางธาตุมาตรฐานเกือบทุกตารางธาตุ เลขอะตอมคือตัวเลขที่อยู่เหนือสัญลักษณ์ทางเคมีที่อ่านตัวอักษรหนึ่งหรือสองตัว จำนวนนี้เป็นจำนวนเต็มบวกเสมอ

• สมมติว่าเรากำลังทำงานกับอะตอมของคาร์บอน คาร์บอนมีโปรตอนหกตัวเสมอ เรารู้ว่าเลขอะตอมของมันคือ 6 เรายังเห็นในตารางธาตุว่ากล่องคาร์บอน (C) มีเลข "6" อยู่ด้านบน ซึ่งบ่งชี้ว่าเลขอะตอมของคาร์บอนคือหก
• โปรดทราบว่าเลขอะตอมของธาตุไม่มีผลโดยตรงต่อมวลอะตอมสัมพัทธ์ตามที่เขียนไว้ในตารางธาตุ แม้ว่ามวลอะตอมของอะตอมจะมีจำนวนเป็นสองเท่าของเลขอะตอม (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในหมู่องค์ประกอบที่ด้านบนของตารางธาตุ) มวลอะตอมไม่เคยคำนวณโดยการคูณเลขอะตอมของธาตุด้วยสอง

ขั้นตอนที่ 2 หาจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส

จำนวนนิวตรอนอาจแตกต่างกันไปตามอะตอมของธาตุใดธาตุหนึ่ง แม้ว่าอะตอมสองอะตอมที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันและจำนวนนิวตรอนต่างกันจะเป็นธาตุเดียวกัน แต่ก็เป็นไอโซโทปของธาตุที่ต่างกัน ต่างจากจำนวนโปรตอนในองค์ประกอบที่ไม่เคยเปลี่ยนแปลง จำนวนนิวตรอนในอะตอมของธาตุที่กำหนดอาจแตกต่างกันไป ดังนั้นมวลอะตอมเฉลี่ยของธาตุจะต้องแสดงเป็นค่าทศนิยมระหว่างจำนวนเต็มสองจำนวน

• จำนวนนิวตรอนสามารถกำหนดได้โดยการกำหนดไอโซโทปของธาตุ ตัวอย่างเช่น คาร์บอน-14 เป็นไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติของคาร์บอน-12 คุณมักจะเห็นไอโซโทปกำหนดตัวเลขขนาดเล็กที่ด้านบน (ตัวยก) ก่อนสัญลักษณ์องค์ประกอบ: ¹⁴C. จำนวนนิวตรอนคำนวณโดยการลบจำนวนโปรตอนออกจากจำนวนไอโซโทป: 14 – 6 = 8 นิวตรอน
• สมมติว่าอะตอมของคาร์บอนที่เราทำงานด้วยมีหกนิวตรอน (¹²ค). เป็นไอโซโทปคาร์บอนที่พบมากที่สุด ซึ่งคิดเป็นเกือบ 99% ของอะตอมของคาร์บอนทั้งหมด อย่างไรก็ตาม อะตอมคาร์บอนประมาณ 1% มี 7 นิวตรอน (¹³ค). อะตอมของคาร์บอนประเภทอื่นๆ ซึ่งมีมากกว่าหรือน้อยกว่า 6 หรือ 7 นิวตรอน มีจำนวนน้อยมาก

ขั้นตอนที่ 3 เพิ่มจำนวนโปรตอนและนิวตรอน

นี่คือมวลอะตอมของอะตอม อย่ากังวลกับจำนวนอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียส เพราะมวลรวมนั้นมีขนาดเล็กมาก ซึ่งในกรณีส่วนใหญ่ มวลนี้จะไม่ส่งผลต่อคำตอบของคุณจริงๆ

• อะตอมของคาร์บอนของเรามี 6 โปรตอน + 6 นิวตรอน = 12 มวลอะตอมของอะตอมของคาร์บอนนี้คือ 12 อย่างไรก็ตาม ถ้าอะตอมเป็นไอโซโทปของคาร์บอน -13 เรารู้ว่าอะตอมมี 6 โปรตอน + 7 นิวตรอน = น้ำหนักอะตอม จาก 13
• น้ำหนักอะตอมที่แท้จริงของคาร์บอน -13 คือ 13,003355 และน้ำหนักนี้แม่นยำกว่าเพราะถูกกำหนดโดยการทดลอง
• มวลอะตอมเกือบเท่ากับจำนวนไอโซโทปของธาตุ สำหรับการคำนวณขั้นพื้นฐาน จำนวนไอโซโทปจะเท่ากับมวลอะตอม เมื่อพิจารณาจากการทดลองแล้ว มวลอะตอมจะมากกว่าจำนวนไอโซโทปเล็กน้อยเนื่องจากการมีส่วนร่วมของมวลอิเล็กตรอนเพียงเล็กน้อย

วิธีที่ 3 จาก 3: การคำนวณมวลอะตอมสัมพัทธ์ (น้ำหนักอะตอม) ขององค์ประกอบ

ขั้นตอนที่ 1 กำหนดไอโซโทปที่มีอยู่ในตัวอย่าง

นักเคมีมักจะกำหนดสัดส่วนไอโซโทปสัมพัทธ์ในตัวอย่างโดยใช้เครื่องมือพิเศษที่เรียกว่าแมสสเปกโตรมิเตอร์ อย่างไรก็ตาม ในบทเรียนเคมีสำหรับนักเรียนและนักศึกษา ข้อมูลนี้มักจะมอบให้คุณในการทดสอบของโรงเรียน ฯลฯ ในรูปแบบของเกรดที่กำหนดไว้ในวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์

สำหรับจุดประสงค์ของเรา สมมติว่าเรากำลังทำงานกับไอโซโทปคาร์บอน-12 และคาร์บอน-13

ขั้นตอนที่ 2 กำหนดปริมาณสัมพัทธ์ของแต่ละไอโซโทปในตัวอย่าง

ในองค์ประกอบที่กำหนด ไอโซโทปที่แตกต่างกันเกิดขึ้นในสัดส่วนที่ต่างกัน สัดส่วนนี้มักแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ ไอโซโทปบางชนิดมีสัดส่วนที่เหมือนกันมาก ในขณะที่ไอโซโทปชนิดอื่นๆ นั้นหายากมาก – บางครั้งก็หายากมากจนแทบมองไม่เห็นสัดส่วนเหล่านี้ ข้อมูลนี้สามารถกำหนดได้ผ่านแมสสเปกโตรเมตรีหรือจากหนังสืออ้างอิง

สมมติว่าความอุดมสมบูรณ์ของคาร์บอน-12 เป็น 99% และความอุดมสมบูรณ์ของคาร์บอน-13 คือ 1% ไอโซโทปคาร์บอนอื่น ๆ มีอยู่จริง แต่ในปริมาณที่น้อยจนสามารถละเลยได้ในปัญหาตัวอย่างนี้

ขั้นตอนที่ 3 คูณมวลอะตอมของไอโซโทปแต่ละตัวด้วยสัดส่วนของมันในตัวอย่าง

คูณมวลอะตอมของไอโซโทปแต่ละตัวด้วยเปอร์เซ็นต์ความอุดมสมบูรณ์ (เขียนเป็นทศนิยม) ในการแปลงเปอร์เซ็นต์เป็นทศนิยม ให้หารเปอร์เซ็นต์ด้วย 100 จำนวนเปอร์เซ็นต์ที่แปลงเป็นทศนิยมจะเป็น 1 เสมอ

• ตัวอย่างของเราประกอบด้วย carbon-12 และ carbon-13 หากคาร์บอน-12 คิดเป็น 99% ของตัวอย่างและคาร์บอน-13 รวมกันเป็น 1% ของตัวอย่าง ให้คูณ 12 (มวลอะตอมของคาร์บอน-12) ด้วย 0.99 และ 13 (มวลอะตอมของคาร์บอน-13) ด้วย 0.01
• หนังสืออ้างอิงจะให้สัดส่วนร้อยละตามจำนวนไอโซโทปของธาตุที่ทราบทั้งหมด หนังสือเรียนวิชาเคมีส่วนใหญ่จะรวมข้อมูลนี้ไว้ในตารางด้านหลังหนังสือ แมสสเปกโตรมิเตอร์ยังสามารถกำหนดสัดส่วนของตัวอย่างที่กำลังทดสอบได้อีกด้วย

ขั้นตอนที่ 4 เพิ่มผลลัพธ์

บวกผลคูณที่คุณทำในขั้นตอนก่อนหน้านี้ ผลลัพธ์ของผลรวมนี้คือมวลอะตอมสัมพัทธ์ของธาตุของคุณ – ค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของไอโซโทปของธาตุของคุณ เมื่อกล่าวถึงองค์ประกอบโดยทั่วไป ไม่ใช่ไอโซโทปเฉพาะของธาตุ ค่านี้จะถูกใช้

ในตัวอย่างของเรา 12 x 0.99 = 11.88 สำหรับคาร์บอน-12 ในขณะที่ 13 x 0.01 = 0.13 สำหรับคาร์บอน-13 มวลอะตอมสัมพัทธ์ของตัวอย่างของเราคือ 11.88 + 0.13 = 12, 01.