Relativní atomová hmotnost: definice, výpočet a role izotopů

Relativní atomová hmotnost: jasná definice, praktický výpočet a role izotopů v určování průměrné hmotnosti prvků — s příklady a postupy krok za krokem.

Relativní atomová hmotnost (nazývaná také atomová hmotnost; symbol: _Ar) je mírou toho, jak jsou atomy těžké. Je to poměr průměrné hmotnosti jednoho atomu prvku z daného vzorku k 1/12 hmotnosti atomu uhlíku 12. Jinými slovy, relativní atomová hmotnost udává, kolikrát je průměrný atom prvku z daného vzorku těžší než jedna dvanáctina atomu uhlíku-12. Slovo relativní ve slově relativní atomová hmotnost odkazuje na toto škálování vzhledem k uhlíku-12. Hodnoty relativní atomové hmotnosti jsou poměry; relativní atomová hmotnost je bezrozměrná veličina. Relativní atomová hmotnost je stejná jako atomová hmotnost, což je starší termín.

Počet protonů v atomu určuje, o jaký prvek se jedná. Většina prvků v přírodě se však skládá z atomů s různým počtem neutronů. Atom prvku s určitým počtem neutronů se nazývá izotop. Například prvek thallium má dva běžné izotopy: thallium-203 a thallium-205. Oba izotopy thalia mají 81 protonů, ale thallium-205 má 124 neutronů, o 2 více než thallium-203, které jich má 122. Každý izotop má svou vlastní hmotnost, která se nazývá izotopová hmotnost. Relativní izotopová hmotnost je hmotnost izotopu vztažená k 1/12 hmotnosti atomu uhlíku-12. Relativní izotopová hmotnost izotopu je zhruba stejná jako jeho hmotnostní číslo, což je počet protonů a neutronů v jádře. Stejně jako relativní hodnoty atomové hmotnosti jsou i relativní hodnoty izotopové hmotnosti poměry bez jednotek.

Relativní atomovou hmotnost vzorku prvku můžeme zjistit tak, že vypočítáme vážený průměr relativních izotopových hmotností. Například pokud se vzorek thalia skládá z 30 % z thalia-203 a ze 70 % z thalia-205,

A r = ( 203 × 30 ) + ( 205 × 70 ) 100 = ( 6090 ) + ( 14350 ) 100 = 20440 100 = 204,4 {\displaystyle A_{r}={\frac {(203\krát 30)+(205\krát 70)}{100}}={\frac {(6090)+(14350)}{100}}={\frac {20440}{100}}=204,4}

Očekává se, že dva vzorky prvku, který se skládá z více než jednoho izotopu, odebrané ze dvou od sebe vzdálených zdrojů na Zemi, budou mít mírně odlišné relativní atomové hmotnosti. Důvodem je, že v různých místech jsou poměry jednotlivých izotopů mírně odlišné.

Standardní atomová hmotnost je střední hodnota relativních atomových hmotností určitého počtu normálních vzorků daného prvku. Hodnoty standardních atomových hmotností pravidelně zveřejňuje Komise pro izotopické zastoupení a atomové hmotnosti Mezinárodní unie pro čistou a užitou chemii (IUPAC). Standardní atomová hmotnost každého prvku je uvedena v periodické tabulce.

Termín relativní atomová hmotnost se často používá ve významu standardní atomová hmotnost. To není zcela správné, protože relativní atomová hmotnost je méně specifický termín, který se vztahuje na jednotlivé vzorky. Jednotlivé vzorky prvku mohou mít relativní atomovou hmotnost odlišnou od standardní atomové hmotnosti pro daný prvek. Například vzorek z jiné planety může mít relativní atomovou hmotnost velmi odlišnou od standardní pozemské hodnoty.

Relativní atomová hmotnost není totéž co:

• atomové číslo (Z) — počet protonů v jádře; určuje, o jaký prvek jde, ale neudává hmotnost (např. uhlík má Z = 6).
• hmotnostní číslo (A) — celé číslo rovné součtu protonů a neutronů v jádře (počítá se jako orientační „hmotnost“ jádra); izotopy mají různé A, ale relativní izotopová hmotnost se jim pouze velmi přibližuje (kvůli hmotnostnímu defektu a vazbové energii není izotopová hmotnost přesně celé číslo).
• relativní izotopová hmotnost — hmotnost konkrétního izotopu vztažená k 1/12 hmotnosti atomu uhlíku‑12 (je to hodnota pro jeden izotop), zatímco relativní atomová hmotnost může být váženým průměrem více izotopů ve vzorku.
• molární hmotnost — hmotnost jednoho molu částic (jednotky g·mol⁻¹); numericky se často shoduje s hodnotou relativní atomové hmotnosti, ale molární hmotnost má jednotku a jde o hmotnost v gramech na mol.

Jak se relativní atomová hmotnost měří a proč je důležitá

Relativní izotopové hmotnosti a izotopické zastoupení se obvykle určují hmotnostní spektrometrií. Přesná měření vyžadují kalibraci vůči standardům a korekce na izobarické interferenční signály. IUPAC na základě dostupných dat publikuje doporučené standardní (referenční) hodnoty a u některých prvků i intervaly nebo nejistoty, které odrážejí přírodní variabilitu izotopového složení.

Relativní atomová hmotnost je prakticky důležitá v chemii i fyzice: slouží ke stanovení moli látek a k přepočtu mezi hmotností vzorku a počtem částic, je nezbytná při výpočtech stechiometrie, určení molárních hmotností sloučenin a v geochemii či nukleární fyzice (sledování izotopových poměrů, radiometrické datování apod.).

Další poznámky a užitečné vztahy

• Relativní atomová hmotnost je bezrozměrná, protože je to poměr k 1/12 hmotnosti atomu 12C. Molarita a molární hmotnost ovšem jednotky mají (mol, g·mol⁻¹).
• Numericky: molární hmotnost v gramech na mol je přibližně stejná číslice jako relativní atomová hmotnost (např. Ar kyslíku ≈ 15,999 → molární hmotnost ≈ 15,999 g·mol⁻¹), ale jde o odlišné fyzikální veličiny.
• Izotopová hmotnost není celá kvůli jadernému hmotnostnímu defektu — skutečná hmotnost jádra je menší než součet hmotností jednotlivých nukleonů o energii vazby dělenou c².
• IUPAC pravidelně aktualizuje doporučené hodnoty standardních atomových hmotností, proto je dobré při přesných výpočtech použít nejnovější tabulky.

Stručně: relativní atomová hmotnost popisuje „průměrnou“ hmotnost atomů prvku ve vzorku vzhledem k 1/12 atomu uhlíku‑12, závisí na izotopovém složení vzorku, je bezrozměrná a slouží jako základní veličina pro chemické a fyzikální výpočty.

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to relativní atomová hmotnost?

Otázka: Co znamená slovo "relativní" ve slově relativní atomová hmotnost?

Otázka: Jak se od sebe liší izotopy?

Otázka: Jak můžeme vypočítat relativní atomovou hmotnost vzorku?

Otázka: Co je to standardní atomová hmotnost?

Otázka: Jak se mohou lišit relativní atomové hmotnosti vzorků odebraných z různých míst?

Hledání podle dopisu