الكتلة الذرية

الذرات — والبروتونات، والنيوترونات، والإلكترونات التي تتكون منها — صغيرة للغاية. على سبيل المثال، تزن ذرة الكربون أقل من 2 &مرات; 10⁻²³ غ. عندما نصف خصائص الأجسام الدقيقة مثل الذرات، نستخدم وحدات قياس صغيرة مناسبة، مثل وحدة الكتلة الذرية (amu). تم تعريف amu في الأصل على أساس الهيدروجين، أخف عنصر، ثم فيما بعد على أساس الأكسجين. منذ عام 1961، تم تعريفه على أساس أكثر نظائر الكربون وفرة، ذرّات كتلتها الذرية بالضبط 12 وحدة دولية. وبالتالي، فإن وحدة amu هي بالضبط ¹ / ₁₂ من كتلة ذرة كربون -12 amu:1 amu = 1.6605 &مرات; 10^&مرات;24 غ.تعدّ وحدة الدالتون (Da) ووحدة الكتلة الذرّية الموحّدة (u) كوحدات بديلة مكافئة ل amu.  

نظرًا لأن كل بروتون وكل نيوترون يساهمان تقريبًا في كتلة ذرة واحدة، ويساهم كل إلكترون أقل بكثير، فإن الكتلة الذرية لذرة واحدة تساوي تقريبًا عدد كتلتها (مجموع عدد صحيح من البروتونات والنيوترونات في الذرة). على سبيل المثال، العدد الكتلي لذرة نيتروجين واحدة هو 14 (7 بروتونات + 7 نيوترونات). ومع ذلك، فإن متوسط ​​كتل ذرات معظم العناصر ليس أعدادًا صحيحة لأن معظم العناصر توجد بشكل طبيعي كمزيج من نظيرين أو أكثر. النظائر هي ذرات من نفس العنصر لها نفس عدد البروتون ولكن بعدد مختلف من النيوترونات. كتلة العنصر الموضح في الجدول الدوري أو المدرج في جدول الكتل الذريّة هي متوسط ​​الكتلة الموزونة لجميع النظائر الموجودة في عينة والتي تحدث بشكل طبيعي لهذا العنصر. متوسط ​​الكتلة يساوي مجموع كتلة كل نظير’s مضروبًا في وفرة الكسر.

على سبيل المثال ، يتكون عنصر الكلور (العدد الذري 17) من نظيرين: الكلور ³⁵ والكلور ³⁷ Cl. حوالي 75.78٪ من كل ذرات الكلور هي ³⁵ Cl مع كتلة 34.969 amu ، والباقي 24.22٪ ³⁷ Cl مع كتلة 36.966 amu. يُحسب متوسط ​​الكتلة الذرية للكلور على النحو التالي:

من المهم أن نفهم أنه لا توجد ذرة كلور تزن بالضبط 35.45 amu ؛ هذه القيمة هي متوسط ​​الكتلة لجميع ذرات الكلور، وتزن ذرات الكلور الفردية إما حوالي 35 amu أو 37 amu. أيضًا، نظرًا لأن الكلور الموجود بشكل طبيعي يحتوي على ذرات كلور ³⁵ أكثر من ذرات الكلور ³⁷ ، فإن متوسط ​​كتلة الكلور الموزونة أقرب إلى 35 amu منه إلى 37 amu.

يمكن تحديد التواجد والوفرة الطبيعية للنظائر بشكل تجريبي باستخدام أداة تسمى مطياف الكتلة. يستخدم مطياف الكتلة (MS) على نطاق واسع في الكيمياء والطب الشرعي والطب والعلوم البيئية والعديد من المجالات الأخرى لتحليل المواد في عينة من المواد والمساعدة في تحديدها. في مقياس طيف الكتلة النموذجي، يتم تبخير العينة وتعريضها لشعاع إلكتروني عالي الطاقة يتسبب في أن تصبح ذرات العينة’s أو جزيئاتها مشحونة كهربائيًا ، عادةً عن طريق فقدان إلكترون واحد أو أكثر. ثم تمر هذه الكاتيونات عبر مجال مغناطيسي متغير يحرف مسار كل كاتيون’s إلى الحد الذي يعتمد على كل من كتلته وشحنته. بالمحصّلة، يتم اكتشاف الأيونات، ويتم عمل مخطط للعدد النسبي للأيونات المتولدة مقابل نسب الكتلة إلى الشحن، وبذلك يتشكل طيف الكتلة. يتناسب ارتفاع كل استجابة عمودية أو ذروة في الطيف الكتلي مع جزء من الكاتيونات ذات نسبة محدّدة من الكتلة إلى الشحن. منذ استخدامه لأول مرة أثناء تطوير النظرية الذرية الحديثة، تطورت مطياف الكتلة ليصبح أداة قوية للتحليل الكيميائي في مجموعة واسعة من التطبيقات.

النص مقتبس من Openstax Chemistry 2e, Section 2.3: Atomic Structure and Symbolism.