Атоми — це фундаментальні одиниці матерії, з яких складаються всі елементи у Всесвіті. Кожен атом характеризується своїм атомним номером і атомною масою, які є центральними для розуміння хімічних реакцій, властивостей елементів і структури періодичної системи. У цьому уроці буде розглянуто, що таке атомна маса та атомний номер, як вони визначаються та їхнє значення в контексті атомів.
Атомний номер атома визначається як кількість протонів, присутніх у ядрі атома. Позначається символом Z . Оскільки протони несуть позитивний заряд, атомний номер також вказує на загальний позитивний заряд ядра. Важливим аспектом атомного номера є те, що він унікально ідентифікує хімічний елемент. Наприклад, усі атоми з атомним номером 1 є атомами Гідрогену, а ті, що мають атомний номер 6, є атомами Карбону.
Крім того, у нейтральному атомі кількість електронів, що обертаються навколо ядра, дорівнює атомному номеру, зберігаючи загальну електричну нейтральність. Наприклад, атом кисню має атомний номер 8, що означає, що в його ядрі є 8 протонів, а в нейтральному стані — 8 електронів, що обертаються навколо ядра.
Атомна маса , також відома як атомна вага, — це середня маса атомів елемента, виміряна в атомних одиницях маси (amu). Він враховує масу як протонів, так і нейтронів у ядрі, оскільки маса електронів незначна порівняно з масою протонів і нейтронів. Атомну масу обчислюють, беручи середньозважену масу ізотопів елемента на основі їх природного поширення. Ізотоп визначається кількістю нейтронів у ядрі, що призводить до різної маси атомів одного елемента.
Приклад обчислення атомної маси можна побачити в хлорі. Хлор має два стабільні ізотопи: Хлор-35 (ізотопна маса приблизно 34,968 а.е.м. і поширеність 76%) і Хлор-37 (ізотопна маса приблизно 36,965 а.е.м. і поширеність 24%). Атомна маса хлору обчислюється так: \( \textrm{Атомна маса хлору} = (34.968 \times 0.76) + (36.965 \times 0.24) \approx 35.453 \textrm{ аму} \)
Поняття атомного номера та атомної маси важливі для розуміння поведінки та властивостей елементів. Атомний номер визначає положення елемента в періодичній системі та його хімічні властивості. Елементи в одному вертикальному стовпці або групі мають подібну хімічну поведінку через однакову кількість електронів у їхній зовнішній оболонці.
З іншого боку, атомна маса важлива для обчислення маси молекул і речовин. Це дозволяє хімікам визначати кількість елемента, необхідного для реакції, або вихід утвореного продукту. Цей розрахунок є фундаментальним для стехіометрії, яка включає кількісні аспекти хімічних реакцій.
Щоб глибше зрозуміти атомну масу та число, візуалізація атомної структури може бути корисною. У центрі атома лежить ядро, яке містить протони і нейтрони. Електрони обертаються навколо ядра на різних енергетичних рівнях або оболонках. Атомний номер ( \(Z\) ) пов'язаний з кількістю протонів у ядрі, яку можна легко уявити як визначальну характеристику елемента. Атомна маса є більш складною, оскільки вона включає не лише масу протонів ( \(1.007 amu\) кожного) і нейтронів ( \(1.008 amu\) кожного), але також враховує ізотопний склад елемента.
Розуміння атомної маси та числа можна застосувати багатьма практичними способами, наприклад, у галузі хімії та фізики. Наприклад, для визначення формули сполуки необхідно знати атомні маси елементів, що входять до її складу. Крім того, концепція ізотопів та їх застосування в радіовуглецевому датуванні, ядерній медицині та ядерних реакторах базується на варіаціях атомної маси.
Простий експеримент для демонстрації концепції ізотопів і атомної маси передбачає порівняння ваги повітряних куль, наповнених різними ізотопами одного газу. Наприклад, повітряні кульки, наповнені гелієм-3 і гелієм-4, будуть мати різну вагу, якщо їх точно виміряти. Ця різниця у вазі зумовлена додатковим нейтроном у гелії-4, що ілюструє, як зміна нейтронів впливає на атомну масу без зміни атомного номера.
Іншим освітнім застосуванням є використання ізотопного складу для визначення віку артефактів за допомогою радіовуглецевого датування. Цей метод вимірює розпад вуглецю-14, ізотопу вуглецю, щоб визначити вік органічних матеріалів. Це практична демонстрація того, як атомний номер і маса використовуються для вивчення історичних і геологічних подій.
Таким чином, атомний номер і атомна маса є вирішальними для розуміння фундаментальної структури матерії. Атомний номер ( \(Z\) ) визначає ідентичність елемента, диктуючи його положення в періодичній системі та його хімічні властивості. Атомна маса, міра середньої маси ізотопів елемента, впливає на фізичні властивості та поведінку елементів і сполук. Ці концепції складають основу багатьох наукових принципів і застосувань, від розрахунку молекулярної маси в хімії до датування археологічних знахідок за допомогою ізотопного аналізу.
Зрозумівши значення атомного номера та атомної маси, людина отримує уявлення про складний і захоплюючий світ атомів, що дозволяє глибше оцінити елементи, з яких складається наш Всесвіт.
