2.6: 원자 질량

원자와 이를 구성하는 양성자, 중성자, 전자는 매우 작습니다. 예를 들어, 탄소 원자의 무게는 2 × 10^−23 g 미만입니다. 따라서 원자와 같은 작은 물체의 특성을 설명할 때 우리는 원자 질량 단위(amu)와 같은 적절한 작은 측정 단위를 사용합니다. amu는 원래 가장 가벼운 원소인 수소를 기반으로 정의되었으며 나중에는 산소로 정의되었습니다. 1961년 이래로 가장 풍부한 탄소 동위원소에 대해 정의되었으며, 그 원자의 질량은 정확히 12 amu로 지정되었습니다. 따라서 1 amu는 정확히 탄소-12 원자 1개 질량의 ^1/^12입니다. 즉, 1 amu = 1.6605 × 10−24 g입니다. 돌턴(Da)과 통일 원자 질량 단위(u)는 amu와 동일한 대체 단위입니다.

각 양성자와 각 중성자는 원자 질량에 약 1 amu를 기여하고 각 전자는 훨씬 적게 기여하기 때문에 단일 원자의 원자 질량은 질량수(원자에 있는 양성자와 중성자의 정수 합계)와 거의 같습니다. ). 예를 들어, 단일 질소 원자의 질량수는 14(양성자 7개 + 중성자 7개)입니다. 그러나 대부분의 원소의 평균 원자 질량은 정수가 아닙니다. 왜냐하면 대부분의 원소는 두 개 이상의 동위원소의 혼합물로 자연적으로 존재하기 때문입니다. 동위원소는 양성자 수는 같지만 중성자 수가 다른 동일한 원소의 원자입니다. 주기율표에 표시되거나 원자 질량 표에 나열된 원소의 질량은 해당 원소의 자연적으로 발생하는 샘플에 존재하는 모든 동위원소의 가중 평균 질량입니다. 평균 질량은 각 개별 동위원소의 질량에 그 존재비를 곱한 값과 같습니다.

예를 들어, 염소(원자 번호 17)라는 원소는 ^35Cl과 염소 ^37Cl이라는 두 개의 동위원소로 구성됩니다. 전체 염소 원자의 약 75.78%는 질량이 34.969 amu인 ^35Cl이고, 나머지 24.22%는 질량이 36.966 amu인 ^37Cl입니다. 염소의 평균 원자 질량은 다음과 같이 계산됩니다.

단일 염소 원자의 무게가 정확히 35.45amu가 아니라는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 이 값은 모든 염소 원자의 평균 질량이며, 개별 염소 원자의 무게는 약 35amu 또는 37amu입니다. 또한 자연 발생 염소에는 37Cl 원자보다 ^35Cl 원자가 더 많이 포함되어 있기 때문에 염소의 가중 평균 질량은 ^37amu보다 35amu에 더 가깝습니다.

동위원소의 발생 및 자연적 존재비는 질량 분석기라는 장비를 사용하여 실험적으로 결정할 수 있습니다. 질량 분석기(MS)는 화학, 법의학, 의학, 환경 과학 및 기타 여러 분야에서 재료 샘플의 물질을 분석하고 식별하는 데 널리 사용됩니다. 일반적인 질량 분석기에서 샘플은 기화되어 고에너지 전자빔에 노출되며, 이로 인해 일반적으로 하나 이상의 전자를 잃어 샘플의 원자나 분자가 전기적으로 대전됩니다. 그런 다음 이러한 양이온은 질량과 전하에 따라 각 양이온의 경로를 편향시키는 가변 자기장을 통과합니다. 마지막으로 이온이 감지되고 생성된 이온의 상대적 수와 질량 대 전하 비율(질량 스펙트럼)에 대한 플롯이 작성됩니다. 질량 스펙트럼의 각 수직 특징 또는 피크의 높이는 지정된 질량 대 전하 비율을 갖는 양이온의 비율에 비례합니다. 현대 원자 이론이 개발되는 동안 처음 사용된 이후 MS는 광범위한 응용 분야에서 화학 분석을 위한 강력한 도구로 발전했습니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax Chemistry 2e, Section 2.3: Atomic Structure and Symbolism.

단일 원자의 질량은 매우 작기 때문에 그 질량을 그램이나 킬로그램으로 측정하는 것은 비현실적입니다 원자와 분자의 질량은 약칭 Da로 돌턴이라고 불리는 단위 또는 amu 또는 때로는 그냥 u로 표시하는 원자 질량 단위로 측정됩니다. amu 단위의 원자의 질량은 대체적으로 양성자의 수와 중성자의 수의 합과 같습니다. 하지만, 대부분의 원소들은 자연적으로 발생하는 몇 개의 동위원소를 가지고 있습니다.

이 동위원소마다 중성자의 수가 다르기 때문에 질량도 다릅니다. 각 원소의 평균 질량은 동위원소 질량에 지구에서의 자연적 분포 비율을 곱한 값을 합산하여 계산합니다. 원소에 대한 다양한 동위원소의 질량과 상대적 존재비는 질량 분광법을 사용하여 결정할 수 있습니다.

동위원소는 질량에 의해 분리되며 표본의 질량 스펙트럼은 동위원소의 상대적 존재비를 보여줍니다. 이러한 값을 사용하여 주기율표에 표시되는 평균 원자 질량을 계산합니다. 대표적인 붕소 표본의 질량 스펙트럼을 보면 이 표본의 19.9%가 질량이 10.0129 amu인 붕소-10입니다.

나머지는 질량이 11.0093 amu인 붕소-11입니다. 붕소-10과 붕소-11의 질량은 각각의 존재비로 곱해지는데 붕소-10인 경우 존재비는 19.9 퍼센트, 붕소-11인 경우는 80.1 퍼센트입니다. 그런 다음 이러한 값들을 합산하여 붕소의 평균 원자 질량을 구합니다.