2.6: Atomik Kütle

Atomlar ve onları oluşturan proton, nötron ve elektronlar son derece küçüktür. Örneğin bir karbon atomunun kütlesi 2 × 10⁻²³ g'dan daha azdır. Atomlar gibi küçük nesnelerin özelliklerini tanımlarken, atomik kütle birimi (amu) gibi uygun küçük ölçü birimlerini kullanırız. Amu başlangıçta en hafif element olan hidrojene ve daha sonra oksijene göre tanımlandı. 1961'den bu yana, atomları tam olarak 12 amu kütlelerine atanan en bol karbon izotopu referans alınarak tanımlanmıştır. Böylece 1 amu tam olarak bir karbon-12 atomunun kütlesinin ¹/₁₂'sine eşittir: 1 amu = 1,6605 × 10⁻²⁴ g. Dalton (Da) ve birleşik atomik kütle birimi (u), amu'ya eşdeğer alternatif birimlerdir.

Her proton ve her nötron bir atomun kütlesine yaklaşık bir amu katkıda bulunduğundan ve her elektron çok daha az katkıda bulunduğundan, tek bir atomun atom kütlesi yaklaşık olarak kütle sayısına eşittir (atomdaki proton ve nötronların tam sayı toplamı). Örneğin, tek bir azot atomunun kütle numarası 14'tür (7 proton + 7 nötron). Bununla birlikte, çoğu elementin atomlarının ortalama kütleleri tam sayı değildir, çünkü çoğu element doğal olarak iki veya daha fazla izotop karışımı olarak bulunur. İzotoplar, aynı proton sayısına sahip aynı elementin atomlarıdır, ancak farklı sayıda nötron içerirler. Periyodik tabloda gösterilen veya atomik kütleler tablosunda listelenen bir elementin kütlesi, bu elementin doğal olarak oluşan bir örneğinde bulunan tüm izotopların ağırlıklı ortalama kütlesidir. Ortalama kütle, her bir izotopun kütlesinin nispi bolluğu ile çarpılan toplamına eşittir.

Örneğin, klor elementi (atom numarası 17) iki izotoptan oluşur: ³⁵Cl ve klorin ³⁷Cl. Tüm klor atomlarının yaklaşık %75,78'i 34,969 amu kütleli ³⁵Cl'dir ve kalan %24,22'si 36,966 amu kütleli ³⁷Cl'dir. Klor için ortalama atom kütlesi şu şekilde hesaplanır:

Tek bir klor atomunun tam olarak 35,45 amu ağırlığında olmadığını anlamak önemlidir; bu değer tüm klor atomlarının ortalama kütlesidir ve bireysel klor atomları yaklaşık 35 amu veya 37 amu ağırlığındadır. Ayrıca, doğal olarak oluşan klor, ³⁷Cl atomlarından daha fazla ³⁵Cl atomu içerdiğinden, ağırlıklı ortalama klor kütlesi 35 amu'ya 37 amu'dan daha yakındır.

İzotopların oluşumu ve doğal bolluğu, kütle spektrometresi adı verilen bir cihaz kullanılarak deneysel olarak belirlenebilir. Kütle spektrometresi (MS), bir malzeme örneğindeki maddeleri analiz etmek ve tanımlamaya yardımcı olmak için kimya, adli tıp, tıp, çevre bilimleri ve diğer birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Tipik bir kütle spektrometresinde, numune buharlaştırılır ve numunenin atomlarının veya moleküllerinin tipik olarak bir veya daha fazla elektron kaybederek elektrik yüklü olmasına neden olan yüksek enerjili bir elektron ışınına maruz bırakılır. Bu katyonlar daha sonra her katyonun yolunu hem kütlesine hem de yüküne bağlı olan ölçüde saptıran değişken bir manyetik alandan geçer. Son olarak, iyonlar tespit edilir ve kütle-yük oranlarına, bir kütle spektrumuna karşı üretilen nispi iyon sayısının bir grafiği yapılır. Bir kütle spektrumundaki her dikey özelliğin veya zirvenin yüksekliği, belirtilen kütle-yük oranına sahip katyonların fraksiyonu ile orantılıdır. Modern atom teorisinin gelişimi sırasında ilk kullanımından bu yana, MS geniş bir uygulama yelpazesinde kimyasal analiz için güçlü bir araç haline gelmiştir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax Chemistry 2e, Section 2.3: Atomic Structure and Symbolism.

Tek bir atomun kütlesi çok küçük olduğundan, kütleyi gram veya kilogram olarak ölçmek pratik değildir. Atomların ve moleküllerin kütlesi, Dalton, kısaca Da, veya atomik kütle birimi, kısaca akb veya bazen sadece u olarak adlandırılan birimlerle ölçülür. Atomik kütle birimindeki bir atomun kütlesi yaklaşık olarak proton sayısı ve nötron sayısının toplamına eşittir;ancak, çoğu elementin doğal olarak oluşan birkaç izotopu vardır.

Bu izotopların her biri farklı sayıda nötron ve dolayısıyla farklı bir kütleye sahiptir. Her element için, ortalama kütlesi, elementin izotoplarının kütleleri toplanarak hesaplanır, her biri yeryüzündeki doğal fraksiyonel bolluğu ile çarpılır. Bir elementin çeşitli izotoplarının kütlesi ve nispi bolluğu, kütle spektrometresi kullanılarak belirlenebilir.

İzotoplar kütle ile ayrılır ve bir numunenin kütle spektrumu izotopların nispi bolluğunu gösterir. Bu değerler, periyodik tabloda görünen ortalama atomik kütleyi hesaplamak için kullanılır. Temsili bir bor numunesinin kütle spektrumu, bu numunenin 19, 9'unun 10, 0129 akb kütleli bor-10 olduğunu göstermektedir.

Gerisi ise 11, 0093 akb kütleli bor-11'dir. Bor-10 ve bor-11'in kütlelerinin her biri, nispi bollukları ile çarpılır, bor-10 için 100'de 19, 9 ve bor-11 için 100'de 80, 1. Bu değerler daha sonra borun ortalama atomik kütlesini bulmak için toplanır.