Suhteellinen atomimassa (Ar) — määritelmä, laskeminen ja vakioatomipaino

Suhteellinen atomimassa (Ar) — selkeä määritelmä, vaiheittainen laskentakaava, esimerkit ja vakioatomipainot. Opas isotooppien vaikutuksesta Ar-arvoihin.

Suhteellinen atomimassa (myös atomipaino; symboli: _Ar) on atomien painon mitta. Se ilmaisee tietyn näytteen alkuaineen keskimääräisen atomikohtaisen massan suhteen 1/12 hiili-12-atomin massaan. Toisin sanoen suhteellinen atomimassa kertoo, kuinka monta kertaa tietyn näytteen alkuaineen keskimääräinen atomi on raskaampi kuin yksi kahdestoistaosa hiili-12:n atomista. Sana suhteellinen viittaa nimenomaan tähän skaalaukseen hiili-12:een. Ar-arvot ovat suhdelukuja, eli ne ovat dimensiottomia suureita. Termi atomipaino on historiallinen nimi, jota käytetään yhä toisinaan.

Atomin protonien lukumäärä määrittää alkuaineen kemiallisen identiteetin. Suurin osa luonnon alkuaineista esiintyy kuitenkin seoksina eri isotooppeja, eli saman alkuaineen atomeja, joilla on eri määrä neutroneita. Jokaisella isotoopilla on oma massa, jota kutsutaan isotooppimassaksi. Suhteellinen isotooppimassa tarkoittaa isotoopin massaa suhteessa 1/12 hiili-12-atomin massaan ja on suurin piirtein yhtä suuri kuin isotoopin massaluku (protonien + neutronien lukumäärä). Kuten suhteelliset atomimassat, myös suhteelliset isotooppimassat ovat ilman yksikköä olevia lukuarvoja.

Alkuaineen näytteen suhteellinen atomimassa lasketaan yleensä isotooppien suhteellisten isotooppimassojen runsauspainotettuna keskiarvona. Esimerkiksi, jos talliuminäyte koostuu 30 % tallium-203:sta ja 70 % tallium-205:stä, saadaan:

A r = ( 203 × 30 ) + ( 205 × 70 ) 100 = ( 6090 ) + ( 14350 ) 100 = 20440 100 = 204.4 {\displaystyle A_{r}={\frac {(203\times 30)+(205\times 70)}{100}}={\frac {(6090)+(14350)}{100}}={\frac {(6090)+(14350)}{100}}={{\frac {20440}{100}}=204.4}}

Laskentakaava yleisesti

Yleinen kaava näytteen suhteellisen atomimassan laskemiseksi on

Ar(sample) = Σ (fi × Ar(isotooppi)i),

missä fi on isotoopin i suhteellinen osuus näytteessä (esim. mooliosuus tai prosentti jaettuna sadalla) ja Ar(isotooppi)i on kyseisen isotoopin suhteellinen isotooppimassa. Kaavan mukainen keskiarvo antaa näytteen keskimääräisen atomimassan suhteessa hiili-12:een.

Mittaaminen ja standardiarvot

Suhteelliset isotooppimassat ja isotooppijakaumat määritetään tyypillisesti massaspektrometrialla. Koska eri lähteistä peräisin olevien näytteiden isotooppikoostumukset voivat vaihdella, myös näytteiden Ar-arvot voivat poiketa toisistaan. Tästä syystä on olemassa standardiatomipaino (engl. standard atomic weight): se on alkuaineen tavallisista luonnonnäytteistä laskettu tilastollinen keskiarvo tai IUPAC:n määrittelemä suositusarvo.

Kansainvälinen puhtaan ja soveltavan kemian liitto (IUPAC) ylläpitää ja julkaisee säännöllisesti päivitettyjä taulukoita alkuaineiden vakioatomipainoista. Nämä vakioarvot löytyvät myös jaksollisesta järjestelmästä ja niitä käytetään laajasti laboratoriotyössä, laskuissa ja opetuksessa.

Luonnollinen vaihtelu ja epätarkkuus

Joillakin alkuaineilla luonnollinen isotooppikoostumus vaihtelee niin paljon eri näytteissä, että IUPAC antaa niiden vakioatomipainoksi usein väliarvon tai merkintätavan, joka ilmaisee vaihtelun. Esimerkkejä ovat kloori (noin 35.45, mutta paikallisesti vaihtelee) ja epämetallit, joiden isotooppien runsaus riippuu lähteestä tai geologisesta prosessista. Tämän takia on hyvä erottaa yksittäisen näytteen suhteellinen atomimassa ja alkuaineen standardiatomipaino.

Mihin Aria käytetään

• Stökiometria ja kemialliset laskelmat (muuntaminen grammoista moolimääriin ja päinvastoin).
• Moolimassan likiarvon arviointi yksinkertaisille yhdisteille (summa kunkin alkuaineen Ar-arvosta kertoimella).
• Isotooppitutkimukset ja geokemialliset sovellukset, joissa tarkat Ar-arvot kertovat isotooppisesta koostumuksesta.

Suhteellinen atomimassa ei ole sama kuin:

• Massaluku (A) — kokonaisluku, joka kertoo protonien ja neutronien lukumäärän ytimessä. Massaluku on isotoopille yksittäinen kokonaisarvo, kun taas Ar on usein keskiarvo, ei välttämättä kokonaisluku.
• Atomimassayksikkö (u, amu) — yksikkö, joka vastaa 1/12 hiili-12-atomin massaa. Yksittäisen atomin massa voidaan ilmaista u-yksiköissä, mutta Ar on kyseisen massan suhdeluku tähän 1/12-referenssiin (eli itse asiassa Ar on numeerisesti yhtä suuri kuin atomin massa u-yksiköissä, mutta Ar on dimensioton suhdeluku).
• Moolimassa (g·mol⁻¹) — moolimassa kertoo yhden moolin aineen massan grammoina. Moolimassan numeerinen arvo on sama kuin aineen keskimääräinen atomimassa tai molekyylin massa (ilmaistuna u-yksiköissä), mutta moolimassalla on yksikkö g·mol⁻¹, kun taas Ar on yksikötön.
• Isotooppien suhteellinen isotooppimassa — tämä koskee yksittäisiä isotooppeja, kun taas Ar (yleisesti) kuvaa koko näytteen tai luonnonkoostumuksen keskiarvoa.

Huomioita käytännöstä

Kun teet kemiallisia laskuja, käytä yleensä IUPAC:n ilmoittamaa vakioatomipainoa, ellei tehtävässä pyydetä käyttää tietyn näytteen mitattua isotooppikoostumusta. Jos tarvitset erittäin tarkkoja arvoja (esim. isotooppitutkimuksissa), käytä mitattuja isotooppiosuuksia ja suhteellisia isotooppimassoja sekä huomioi mittausten epävarmuudet.

Yhteenvetona: suhteellinen atomimassa (_Ar) on hyödyllinen ja laajasti käytetty käsite kemian laskuissa. Se perustuu hiili-12-referenssiin, on dimensioton ja useimmiten esitetty IUPAC:n vakioarvona, mutta voi poiketa näytteen mukaan, jos isotooppikoostumus vaihtelee.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on suhteellinen atomimassa?

K: Mitä tarkoittaa "suhteellinen" suhteellisessa atomimassassa?

K: Miten isotoopit eroavat toisistaan?

Kysymys: Miten voimme laskea näytteen suhteellisen atomimassan?

Kysymys: Mikä on vakioatomipaino?

Kysymys: Miten eri paikoista otettujen näytteiden suhteelliset atomimassat voivat vaihdella?

Hae kirjaimella