Какво е атомна единица за маса или AMU?

Единицата за атомна маса (amu), наричана още унифицирана единица за атомна маса или далтон (Da), е много малка единица за маса, използвана за изразяване на масата на атомите по отношение на масата на атом от изотопа на въглерод 12. Дефинира се като една дванадесета от масата на атома въглерод-12, когато не е свързан с друг атом.

Дефиницията на единицата за атомна маса приписва на атома въглерод-12 маса точно 12 amu. Използвайки тази единица, масата на всички други атоми се изразява като кратно или подкратно на масата на атома въглерод-12. Поради тази причина, по време на създаването си, единицата за атомна маса е просто друга относителна скала на атомната маса, подобна на други, които вече са били постулирани дотогава. Въпреки това, когато действителната маса на въглеродния атом беше определена и по този начин можеше да се установи абсолютната стойност на единицата за атомна маса, аму се превърна в абсолютна скала за маса по същия начин като грам, паунд и тон.

Стойността на единицата за атомна маса

Концепцията и стойността на единицата за атомна маса е свързана с оригиналната концепция, предложена от Авогадро за бенката. Той дефинира един мол като броя на частиците в точно 12 грама от 100% чиста проба от изотопа въглерод-12. По онова време това число не беше известно, но днес е; неговата стойност се нарича числото на Авогадро и е приблизително 6 022,10 ²³ (приетата в момента стойност за това число е точно 6 0221367,10 ²³ частици на мол).

След като се определи числото на Авогадро, може да се знае масата на един атом въглерод 12. Разделянето на тази стойност на 12 дава стойността на единицата за атомна маса. Връзката е много проста:

Ако по дефиниция един мол атоми въглерод-12 тежи точно 12 грама и ние знаем, че има 6,0221367.10 ²³ атома в 1 мол, тогава всеки атом въглерод-12 тежи:

Сега, използвайки дефиницията на единицата за атомна маса, получаваме:

Следователно единицата за атомна маса има стойност 1,660540,10 ^-27 kg

Защо да използвате uma?

Всяка маса, включително тази на атом, може да бъде изразена във всяка единица за маса, от грамове, паундове и унции до метрични тонове; някои обаче са по-удобни от други в зависимост от случая. Например обичайно е да представяме собственото си тегло в паундове или килограми, но не и в тонове. Нито бихме изразили масата на Боинг 747 в грамове или милиграми; вероятно ще го направим в тонове.

Използвайки същата логика и като се има предвид, че атомите са изключително малки, не е удобно да се използва никоя от тези единици за изразяване на атомна маса. Ето защо съществува единицата за атомна маса, тъй като позволява масата на атомите да бъде представена по по-удобен начин.

Тъй като атомите са много малки, може да се очаква единицата за атомна маса да бъде еднакво малка.

Единицата за атомна маса и масовото число

Щастливо и неудачно съвпадение е, че дефиницията на единицата за атомна маса кара изразените маси на атомите да имат числена стойност, много подобна на известното масово число. Последният показва общия брой нуклони, тоест протони и неутрони, които присъстват в ядрото на атома. Всъщност, в случая на атома въглерод-12, 12 показва точно масовото число и само за този атом това число съвпада точно с масата на атома, изразена в amu.

Тъй като ядрото въглерод-12 съдържа 6 протона и 6 неутрона, единицата за атомна маса представлява по някакъв начин средна маса между двата нуклона. Поради тази причина за повечето атоми масовото число е много подобно на тяхната атомна маса, изразена в amu. Те обаче не са еднакви, нито дори се отнасят до едни и същи физически величини. Масовото число не е маса, въпреки че името му го подсказва.

Атомната маса спрямо моларната маса на атома

И накрая, струва си да направим допълнително пояснение относно термините атомно тегло, атомна маса и моларна маса на атома. Когато говорим за атомно тегло или атомна маса, имаме предвид теглото или масата на един атом. Например, изразена в далтони, атомната маса на въглерод-12 е 12 amu, както видяхме преди.

Въпреки това е обичайно много студенти да казват погрешно, че атомната маса на въглерода е 12 g или по-лошо, 12 g/mol. Първата грешка е доста сериозна, тъй като се твърди, че единичен въглероден атом, нещо толкова малко, че може да се види само през най-модерните микроскопи в света, има маса от 12 g, което може да е еквивалентно на голяма лъжица захар.

Втората грешка е много по-често срещана, толкова много, че много професионални химици я допускат: те бъркат атомната маса (т.е. масата на един атом) с моларната маса на атом (т.е. масата на един мол на атоми). Объркването възниква от факта, че поради дефиницията на единицата за атомна маса и мола, моларната маса в g/mol е числено равна на атомната маса в amu.

Примери за използване на единицата за атомна маса

• Масата на атом въглерод-13 в единици за атомна маса е 13,003355 amu.
• Средната атомна маса на елемента въглерод (не на конкретен атом въглерод) е 12,0107 amu (това се състои от среднопретеглената стойност на масите на естествено срещащите се изотопи на въглерода, C-12 и C-13).
• Полимерът PG5 е най-голямата молекула, създавана някога от човека, и има маса от повече от 200 милиона далтона или аму. Следното изображение показва структурата на мономера, който го съставлява.

• ДНК молекулата на човешкия геном има приблизително 3,3 милиарда базови двойки и маса приблизително 2.2.10 ¹² amu.

• Масата на човек, който тежи 75 kg в атомни единици за маса, е 4417,10 ²⁸ amu.

Препратки

• Чанг, Р., Манзо, А. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Химия (10-то издание). Ню Йорк, Ню Йорк: MCGRAW-HILL.
• Интегрирани ДНК технологии (nd). Молекулярни факти и цифри . Извлечено от https://sfvideo.blob.core.windows.net/sitefinity/docs/default-source/biotech-basics/molecular-facts-and-figures.pdf?sfvrsn=4563407_4
• Лазалде, А. (2011). PG5, най-голямата молекула, създавана някога . Възстановено от https://hipertextual.com/2011/01/pg5-la-molecula-mas-grande-jamas-creada
• Марин-Бесера, Армандо и Морено-Еспарза, Рафаел. (2010). Относителни маси и бенката: проста демонстрация на трудна концепция . Химическо образование ,  21 (4), 287-290. Извлечено на 13 юли 2021 г. от http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0187-893X2010000400005&lng=es&tlng=es .
• Veldhiuis, D. (2011). Дървовидният гигант е най-голямата молекула, правена някога (2011 г.). Нов учен . Извлечено от https://www.newscientist.com/article/dn19931-tree-like-giant-is-largest-molecule-ever-made/