Jak odróżnić liczbę masową od masy atomowej i co ma z tym wspólnego Einstein?
Jednym z zagadnień sprawiających największe trudności uczniom chemii jest zrozumienie czym jest liczba atomowa, liczba masowa i masa atomowa. Te pojęcia są pozornie proste, a jednak mnóstwo osób popełnia tutaj błędy. W tym artykule wytłumaczę Ci czym te pojęcia się różnią i na co warto zwrócić uwagę.
Czy liczba masowa i masa atomowa to to samo?
Oczywiście, że nie! Jednym z popularniejszych błędów już na początku nauki chemii jest nieprawidłowe pojmowanie liczby masowej i masy atomowej. Już tłumaczę różnicę między nimi i pokażę Ci jakie błędy w tym temacie zdarzają się najczęściej. Jednym z nich jest odczytywanie liczby masowej z układu okresowego.
Czym jest liczba masowa?
Liczba masowa, to liczba nukleonów (suma protonów i neutronów) znajdujących się w jądrze atomowym danego izotopu danego pierwiastka. Jest to liczba całkowita, ponieważ nie istnieje w przyrodzie pół neutronu czy 1,7 protonu. Ich suma zawsze daje nam liczbę całkowitą. Ponadto liczba masowa jest liczbą, czyli nie posiada jednostki.
Liczba masowa jest charakterystyczna dla danego izotopu danego pierwiastka. Oznacza to, że nie ma dwóch izotopów o takiej samej liczbie masowej.
Czym jest masa atomowa?
Masa atomowa natomiast jest masą konkretnego atomu danego pierwiastka wyrażoną w unitach [u].
Dlaczego konkretnego atomu? Chodzi o to, że niektóre pierwiastki występują w postaci izotopów, czyli mają swoje odmiany i każdy z nich ma inną masę atomową. Przykładowo brom jest pierwiastkiem, który występuje w postaci dwóch izotopów. Pierwszy ma masę 78,92 u, a drugi 80,92 u. Jak widzisz masa atomowa posiada jednostkę i jest nią unit [u]. Jednak nie zawsze masa atomowa jest liczbą całkowitą!
Masy atomowej nie odczytujemy z układu okresowego, a z tablic chemicznych. W układzie okresowym znajdziesz średnią masę atomową, która skrótowo nazwana jest masą atomową, choć nie jest to to samo i jest to dość mylące. O tym czym jest średnia masa atomowa napisałam dalej w tym artykule.
Pamiętając o tym, że bez większego błędu możemy założyć, że 99,9999% masy atomu stanowi jądro atomowe, w skład którego wchodzą protony i neutrony, a te ważą (w przybliżeniu) po 1 unicie, wydawać by się mogło, że liczba masowa ma tę samą wartość, co masa atomowa. Jednak tak nie jest! Dlaczego? Wynika to z tzw. deficytu masy.
Deficyt masy
Chodzi o to, że protony i neutrony, gdy wchodzą w skład jądra atomowego ważą mniej, niż gdy występują w przestrzeni pojedynczo. Nazywamy to deficytem masy. Ma to związek z zasadą równoważności masy i energii sformułowaną przez Einsteina.
Z pewnością kojarzysz ten wzór:
E=mc2
Chodzi w nim o to, że masa obiektu lub układu jest miarą zawartej w nim energii. Cząstki takie jak neutrony i protony utrzymują się blisko siebie w jądrze atomowym, ponieważ występują pomiędzy nimi przyciągające oddziaływania.
Jednak aby nukleony mogły się ze sobą łączyć i tworzyć jądro atomowe, musiały w tym procesie “uwolnić” trochę swojej energii. Energia uwolniona przez nukleony skutkuje utratą pewnej masy w przypadku każdego z nich. I właśnie dlatego jądro składające się z np. 5 protonów i 4 neutronów wcale nie waży 9u, tylko trochę mniej.
W związku z tym masa pojedynczego atomu nie jest idealnie równa jego liczbie atomowej.
Czym jest średnia masa atomowa?
Średnia masa atomowa to co innego, niż masa atomowa! Jest to średnia ważona wyliczona na podstawie mas atomowych i udziałów procentowych izotopów danego pierwiastka. Tak więc każdy izotop ma swoją własną masę atomową, lecz każdy pierwiastek ma średnią masę atomową.
Jak już pisałam w układzie współrzędnych średnia masa atomowa jest nazywana masą atomową, co może być mylące. Jednak jeśli zastanowisz się nad kontekstem (układ okresowy opisuje pierwiastki, a nie ich izotopy), to taki skrót staje się nieco bardziej zrozumiały i w zasadzie – ma sens.
Czym jest liczba atomowa?
Liczba atomowa często myli się z liczbą masową lub masą atomową – nie jest jednak żadną z nich! Jest ona równa liczbie protonów znajdujących się w jądrze danego pierwiastka i możemy ją łatwo odczytać z układu okresowego pierwiastków.
Pamiętaj, że są to 4 zupełnie różne pojęcia, odpowiadające na różne pytania:
Masa atomowa – ile waży jeden atom danego izotopu?
Średnia masa atomowa – uśredniona masa danego pierwiastka?
Liczba masowa – ile protonów i neutronów znajduje się w jądrze danego izotopu danego pierwiastka?
Liczba atomowa – ile protonów znajduje się w jądrze danego pierwiastka?
Jak obliczyć liczbę masową?
Bardzo często w internecie widzę pytanie “Jak obliczyć liczbę masową?”. Wystarczy zsumować liczbę protonów i neutronów danego izotopu danego pierwiastka i gotowe.
Jednak o ile z liczbą protonów nie ma problemu – odczytujemy ją z układu okresowego (liczba atomowa informuje o liczbie protonów w atomie), o tyle liczby neutronów dla danego izotopu niestety w większości przypadków nie jesteśmy w stanie odczytać z układu okresowego (musi być ona podana w zadaniu)!
Dlaczego w większości, a nie we wszystkich przypadkach? Otóż istnieją pierwiastki, które nie mają swoich odmian, a więc każdy z ich atomów posiada dokładnie tyle samo neutronów (występują w postaci jednego nuklidu).
W związku z tym ich masa atomowa (zawarta w układzie okresowym) jest co do wartości równa liczbie masowej. Do takich pierwiastków należy np. Na, Be, Al, F, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi.
Najczęstsze błędy maturalne – liczba masowa i masa atomowa
1. Zaokrąglanie masy atomowej
W zadaniach maturalnych masy atomowe poszczególnych izotopów danego pierwiastka prawdopodobnie będziesz mieć podane w informacji wstępnej (lub trzeba będzie je obliczyć na podstawie podanych danych).
Pamiętaj, aby ich nie zaokrąglać w przypadku obliczania średniej masy atomowej danego pierwiastka. Może być też sytuacja, że w zadaniu będą podane liczby atomowe danych izotopów – wtedy możesz ich spokojnie użyć do obliczenia np. średniej masy atomowej.
Średnia masa atomowa jest średnią ważoną uwzględniającą liczność każdego izotopu w próbce pierwiastka oraz jego masę atomową, a nie liczbę masową! To jest spora różnica.
2. Odczytywanie liczby masowej z układu okresowego
Nie odczytuj liczby masowej z układu okresowego, który dostaniesz na maturze. W tym układzie okresowym nie ma podanych liczb masowych, tylko średnie masy atomowe, co w sposób mylący jest zwykle zapisywane w legendzie jako “Masa atomowa”.
Liczbę masową możesz obliczyć mając informację o składzie jądra atomowego.
3. Masa atomowa to nie to samo, co liczba atomowa
Bardzo częstym błędem jest zaokrąglanie średniej masy atomowej z układu okresowego do liczb całkowitych i uznawanie jej za liczbę atomową.
Weźmy przykładowo miedź, która ma średnią masę atomową równą 63,55 u. Jeśli zaokrąglimy ją do liczby całkowitej to otrzymamy 64. Problem w tym, że miedź składa się z dwóch izotopów. Pierwszy ma liczbę masową równą 63, a drugi 65. Zatem otrzymana liczba 64 nie reprezentuje żadnego z nich. Jest ona totalnie pozbawiona fizycznego sensu.
Mam nadzieję, że załapałeś różnicę pomiędzy liczbą masową, a masą atomową. Jeśli masz ochotę na więcej chemicznych informacji sprawdź mój maturalny kurs chemii online Matura w Probówce!
