2.6: Masa atomowa

Atomy – oraz tworzące je protony, neutrony i elektrony – są niezwykle małe. Na przykład atom węgla waży mniej niż 2 × 10-23 g. Opisując właściwości drobnych obiektów, takich jak atomy, posługujemy się odpowiednio małymi jednostkami miary, takimi jak jednostka masy atomowej (amu). Pierwotnie amu zdefiniowano w oparciu o wodór, najlżejszy pierwiastek, później w oparciu o tlen. Od 1961 roku definiuje się go w odniesieniu do najpowszechniej występującego izotopu węgla, którego atomom przypisuje się masy dokładnie 12 u. Zatem jeden amu stanowi dokładnie 1/12 masy jednego atomu węgla-12: 1 u = 1,6605 × 10-24 g. Dalton (Da) i ujednolicona jednostka masy atomowej (u) są alternatywnymi jednostkami równoważnymi amu.

Ponieważ każdy proton i każdy neutron wnoszą w przybliżeniu jeden amu do masy atomu, a każdy elektron wnosi znacznie mniej, masa atomowa pojedynczego atomu jest w przybliżeniu równa jego liczbie masowej (całkowita suma protonów i neutronów w atomie). Na przykład liczba masowa pojedynczego atomu azotu wynosi 14 (7 protonów + 7 neutronów). Jednak średnie masy atomów większości pierwiastków nie są liczbami całkowitymi, ponieważ większość pierwiastków występuje naturalnie jako mieszaniny dwóch lub więcej izotopów. Izotopy to atomy tego samego pierwiastka o tej samej liczbie protonów, ale różnej liczbie neutronów. Masa pierwiastka pokazana w układzie okresowym lub podana w tabeli mas atomowych jest średnią ważoną masą wszystkich izotopów występujących w naturalnie występującej próbce tego pierwiastka. Średnia masa jest równa sumie masy każdego pojedynczego izotopu pomnożonej przez jego ułamkową liczebność.

Na przykład pierwiastek chlor (liczba atomowa 17) składa się z dwóch izotopów: 35Cl i chloru 37Cl. Około 75,78% wszystkich atomów chloru to 35Cl o masie 34,969 amu, a pozostałe 24,22% to 37Cl o masie 36,966 amu. Oblicza się średnią masę atomową chloru:

Ważne jest, aby zrozumieć, że żaden pojedynczy atom chloru nie waży dokładnie 35,45 amu; wartość ta jest średnią masą wszystkich atomów chloru, a poszczególne atomy chloru ważą w przybliżeniu 35 amu lub 37 amu. Ponadto, ponieważ naturalnie występujący chlor zawiera więcej atomów 35Cl niż 37Cl, średnia ważona masa chloru jest bliższa 35 amu niż 37 amu.

Występowanie i naturalną liczebność izotopów można określić eksperymentalnie za pomocą instrumentu zwanego spektrometrem mas. Spektrometria mas (MS) jest szeroko stosowana w chemii, kryminalistyce, medycynie, naukach o środowisku i wielu innych dziedzinach do analizy i identyfikacji substancji w próbce materiału. W typowym spektrometrze mas próbka jest odparowywana i poddawana działaniu wiązki elektronów o wysokiej energii, która powoduje, że atomy lub cząsteczki próbki zostają naładowane elektrycznie, zazwyczaj poprzez utratę jednego lub większej liczby elektronów. Kationy te przechodzą następnie przez zmienne pole magnetyczne, które odchyla ścieżkę każdego kationu w stopniu zależnym zarówno od jego masy, jak i ładunku. Na koniec wykrywa się jony i sporządza się wykres względnej liczby wygenerowanych jonów w funkcji ich stosunku masy do ładunku, czyli widmo masowe. Wysokość każdej pionowej cechy lub piku w widmie masowym jest proporcjonalna do frakcji kationów o określonym stosunku masy do ładunku. Od czasu jego pierwszego zastosowania podczas rozwoju współczesnej teorii atomowej spektrometr mas ewoluował, stając się potężnym narzędziem do analizy chemicznej w szerokim zakresie zastosowań.

Masa pojedynczego atomu jest bardzo mała, więc mierzenie masy w gramach lub kilogramach nie jest praktyczne. Masa atomów i cząsteczek jest mierzona w jednostkach zwanych daltonami, w skrócie Da, czyli jednostkami masy atomowej, w skrócie amu, a czasem po prostu u.

Masa atomu w amu jest w przybliżeniu równa sumie liczby protonów i liczby neutronów, jednak większość pierwiastków ma kilka naturalnie występujących izotopów. Każdy z tych izotopów ma inną liczbę neutronów, a co za tym idzie, inną masę.

Dla każdego pierwiastka jego średnia masa jest obliczana przez zsumowanie mas izotopów pierwiastka, z których każdy jest pomnożony przez jego naturalną ułamkową obfitość na Ziemi. 

Masę i względną obfitość różnych izotopów pierwiastka można określić za pomocą spektrometrii mas. Izotopy są oddzielone masą, a widmo masowe próbki pokazuje względną obfitość izotopów.

Wartości te służą do obliczania średniej masy atomowej, która pojawia się w układzie okresowym pierwiastków.

Widmo masowe reprezentatywnej próbki boru pokazuje, że 19,9% tej próbki to bor-10 o masie 10,0129 amu. Reszta to bor-11 o masie 11,0093 amu. 

Masę boru-10 i boru-11 mnoży się przez ich ułamkową obfitość, 19,9 na 100 dla boru-10 i 80,1 na 100 (reszta) dla boru-11. Wartości te są następnie sumowane w celu znalezienia średniej masy atomowej boru.