شیمی دان نمونه 3

[~ MoOn ~]

در مطلب قبل به بحث وزن اتمی و ایزوتوپ ها رسیدیم و چند سوال مطرح شد. حال برای این که آموخته های خود را بیازمایید، با چند سوال دیگر این بحث را شروع می کنیم و راجع به میانگین وزن اتمی بیش تر خواهیم آموخت.

سوال 1:
فرض کنید دانشمندان تصمیم می گیرند تا سیستم جدید وزن اتمی را طراحی کنند که در آن یک اتم ¹²C دیگر [color=#ff0080 dir=ltr]12 amu [/color] وزن ندارد بلکه[color=#0080c0 dir=ltr]1.00 amu [/color] است. وزن یک اتم ¹⁶O در این سیستم چه قدر خواهد بود؟

جواب: [color=#800040 dir=ltr]16/12 = 1.33 amu [/color]

سوال 2:
کربن موجود در طبیعت دارای 99% ایزوتوپ ¹²C و 1% ایزوتوپ ¹³C است. اگر 99 اتم ¹²C و یک اتم ¹³C داشتید، جرم 99 تا اتم ¹²C و 1 اتم ¹³C چه قدر خواهد بود؟

الف) 1188 amu و 13 amu
ب) 99 amu و 1 amu
ج) 1000 amu و 10 amu

جواب: گزینه الف صحیح است. 99 اتم ¹²C دارای جرم
99 x 12.00 = 1188 amu
خواهد بود و جرم یک اتم ¹³C خواهد بود:

[color=#be2777 dir=ltr]1 x 13 = 13 amu [/color]




سوال3:
جرم میانگین 100 اتم موجود در سوال 2 را تعیین کنید.

جرم کل این صد اتم : [align=CENTER]
[color=#800040 dir=ltr]1188 + 13 = 1201 amu [/color]
[align=CENTER]
میانگین جرم آن ها خواهد بود:[align=CENTER]

[align=CENTER]1201 amu/100 اتم = [align=CENTER] 12.01 amu ( برای هر اتم)


اگر نگاه گذرا به جدول تناوبی داشته باشید، متوجه خواهید شد جرم اتمی کربن 12.01 نوشته شده است. همچنین توجه کنید که برای جرم اتمی، واحدی وجود ندارد. شما در جدول تناوبی متوسط جرم اتمی برای تعداد زیادی ایزوتوپ را مشاهده می کنید.

سوال 4:
جرم اتمی آرگون که دارای 3 ایزوتوپ طبیعی ³⁸Ar, ³⁶Ar و ⁴⁰Ar است، چقدر است؟ درصد این ایزوتوپ ها در طبیعت به ترتیب 0.34%، 0.07% و 99.58% است.
راهنمایی: بدون استفاده از ماشین حساب می توانید جواب را پیدا کنید و بایستی از متوسط وزنی استفاده کنید.

الف) 33.33 ب) 38.00 ج) 39.98

جواب الف اشتباه است. این گزینه، درصد متوسط را نشان می دهد: [align=CENTER]
[color=#31997c dir=ltr](0.34 + 0.07 + 99.58)/3 [/color]
[align=CENTER][color=#31997c dir=ltr][/color]
جواب ب نادرست است زیرا متوسط جرم های سه ایزوتوپ را در حالتی که وزن هر سه مساوی است، نشان می دهد.


جواب ج صحیح است. می توانید از درصدهای کم ایزوتوپ هایی با عدد جرمی 36 و 38 این نکته را بفهمید. یعنی جرم باید به عدد 40 خیلی نزدیک باشد. در محاسبه، ایزوتوپ ها بایستی بر اساس درصدشان وزن شوند:

[align=CENTER]
[color=#cb2939 dir=ltr][b]0.0034 x 36.00 + 0.0007 x 38.00 + 0.9958 x 40.00 = 39.98 [/color]

[/b]
سوال 5:
کلر دارای دو ایزوتوپ ³⁵Cl با جرم 34.97 و ³⁷Cl با جرم 36.95 است. وزن اتمی کلر 35.453 است. درصد هر ایزوتوپ چقدر است؟

جواب:

در این سوال وزن اتمی مشخص است و وزن متوسط جرم های دو ایزوتوپ است اما درصد ایزوتوپ ها را نمی دانید. به نظر می رسد دو مجهول دارید. در واقع جمع درصد دو ایزوتوپ باید 100باشد و برای همین اگر درصد ³⁵Cl را x بگیریم، درصد ³⁷Cl خواهد بود: 100 – x

اگر درصد ها را برداریم و با اعداد آن ها محاسبات را ادامه دهیم، خواهیم داشت:

[b]34.97x + 36.95(1 - x) = 35.453

x = 75.6%

توجه کنید که این مسئله نشان دهنده این است که ما نمی توانیم فرض کنیم جرم یک ایزوتوپ می تواند با ضرب کردن تعداد نوکلئون ها در 1.00 به دست بیاید. [b]به این دلیل که جرم پروتون و نوترون دقیقا مساوی با 1.00000 نیست.[/b]

[align=RIGHT]حال [b]دو معنی متفاوت از جرم اتمی داریم: [align=RIGHT]
1) جرم اتمی نشان دهنده جرم متوسط اتم یک عنصر با واحد amu است و به طور قراردادی، جرم ¹²C دقیقا
12 amu
فرض می شود.
2) جرم اتمی نشان دهنده ترکیب نسبی یک عنصر است.


شماره 2 این تعبیر به این معناست که اگر بخواهیم از کربن و اکسیژن، ماده مرکب دی اکسید کربن را بسازیم، باید در ابتدا فرمول این ترکیب را بدانیم: [b]CO₂[/b]

زیر نویس 2 بعد از نماد شیمیایی عنصر، نسبت اتم های موجود در ترکیب را به ما نشان می دهد. در مورد CO₂ یعنی دو اتم اکسیژن به ازای یک اتم کربن در این ماده وجود دارند.


حال احتیاج به جرم اتمی کربن و اکسیژن داریم: یعنی به ترتیب 12 و 16. اگر فرمول ترکیب CO بود، باید 12 گرم کربن را با 16 گرم اکسیژن ترکیب می کردیم. یا 1.2 گرم کربن را با 1.6 گرم اکسیژن و هر واحد وزنی که دلخواه شماست. اما در مورد CO₂ دو اتم اکسیژن نیاز داریم. بنابراین به ازای مصرف 12 گرم کربن باید [color=#f06d42 dir=ltr]2 ×16 = 32 g[/color] اکسیژن استفاده کنیم. اگر 4 گرم کربن در دسترس است، باید [color=#004040 dir=ltr]4 × (16/12) × 2 = 10.7 g[/color] اکسیژن مصرف کنیم تا به CO₂ دست یابیم.

[b]توجه کنید که نسبت جرم اتمی و تعداد اتم های هر عنصر همیشه در محاسبات نقش مهم دارد.[/b]


سوال 6:
اگر SO₂ شامل 32 گرم گوگرد باشد، چند گرم اکسیژن در این ماده وجود دارد؟

الف) 16 ب) 32 ج) 64


گزینه ب درست است. در این ماده دو اتم اکسیژن وجود دارد و وزن اتمی گوگرد 32 است ولی وزن اتمی اکسیژن 16 است. پس اگر 32 گرم گوگرد برای این ماده وجود داشته باشد، 32 گرم اکسیژن مورد نیاز است.

سوال 7:
اگر ماده NH₃ دارای 6 هیدروژن باشد، چند گرم نیتروژن در آن وجود دارد؟

جواب:

نسبت وزن اتمی نیتروژن به هیدروژن، 14 به 1 است. این ترکیب شامل سه اتم هیدروژن برای هر اتم نیتروژن است. 6 گرم از هیدروژن برای 3 اتم هیدروژن است. برای همین هر هیدروژن 2 گرم خود را در ترکیب شرکت می دهد و نیتروژن باید
[color=#ff6ab5 dir=ltr]14 x 2 = 28 [/color] گرم شرکت داشته باشد.

سوال 8:
چند گرم هیدروژن ، تعداد اتم یکسان با کربن که مقدار آن 12.01 گرم است، دارد؟

جواب:
متوسط وزنی اتم هیدروژن به کربن
1.008/12.01
است. برای همین اگر 1.008 گرم هیدروژن داشته باشیم، تعداد یکسان از اتم های کربن با جرم 12.01 خواهیم داشت.

حال مشخص شد که وزن اتمی در جدول تناوبی برای تعیین نسبت تعداد اتم ها در مقادیر متفاوت و گوناگون عناصر به کار می رود.[b]جرم ها (وزن ها) متوسط جرم اتم متعلق به عنصر را در واحد جرم اتمی amu نشان می دهند.[/b]