Was ist die durchschnittliche Atommasse?
Der im Periodensystem unter jedem Element angezeigte Atommassewert ist nicht die Masse eines einzelnen Atoms, sondern der mit den natürlichen Häufigkeitsanteilen gewichtete Durchschnitt der Massen aller natürlich vorkommenden Isotope. Deshalb sind die Werte im Periodensystem fast nie ganze Zahlen.
Das Konzept der Isotope und ihre Entdeckung
Isotope sind Atome mit gleicher Protonenzahl (und damit gleicher Ordnungszahl und chemischer Identität), aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Der Begriff wurde 1913 vom britischen Chemiker Frederick Soddy bei der Untersuchung radioaktiver Zerfallsreihen geprägt; der Name "Isotop" leitet sich von den griechischen Wörtern "isos" (gleich) und "topos" (Ort) ab, da Isotope im Periodensystem denselben Platz einnehmen. Soddy erhielt für diese Arbeit 1921 den Nobelpreis für Chemie. Das Massenspektrometer, das den Massenunterschied von Isotopen direkt misst, wurde von Francis Aston entwickelt, der 1922 ebenfalls den Nobelpreis für Chemie erhielt.
Die Formel für den gewichteten Durchschnitt
Die durchschnittliche Atommasse wird mit der Formel Σ(Isotopmasse × Häufigkeitsanteil) berechnet, wobei der Häufigkeitsanteil der durch 100 geteilte Prozentwert ist. Chlor hat zum Beispiel zwei natürliche Isotope: Chlor-35 (Masse 34,969 u, Häufigkeit 75,77 %) und Chlor-37 (Masse 36,966 u, Häufigkeit 24,23 %). Gewichteter Durchschnitt: 34,969 × 0,7577 + 36,966 × 0,2423 ≈ 35,45 u — genau der Wert aus dem Periodensystem.
Warum haben manche Elemente eine fast ganzzahlige Atommasse?
Elemente wie Fluor (18,998 u) oder Aluminium (26,982 u) haben eine Atommasse sehr nahe an einer ganzen Zahl, weil sie in der Natur nur ein einziges stabiles Isotop haben (bei Fluor nur Fluor-19). Elemente wie Bor (10,81 u) haben dagegen mehrere Isotope in ähnlichen Anteilen, wodurch der Nachkommaanteil deutlicher ausgeprägt ist.
Massenspektrometrie: Messmethode für Isotopenhäufigkeit
Die Massen und natürlichen Häufigkeitsanteile von Isotopen werden experimentell mit einem Gerät namens Massenspektrometer gemessen. Dieses Gerät ionisiert Atome und trennt sie beim Durchgang durch elektrische und magnetische Felder nach ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis; die Signalstärke jedes Isotops gibt seine relative Häufigkeit an. Diese Technologie wird heute nicht nur zur Isotopenanalyse, sondern auch in der Arzneimittelentwicklung, Forensik und archäologischen Datierung (Radiokarbonmethode) in einem sehr breiten Bereich eingesetzt.
Häufig gestellte Fragen
Was ist die durchschnittliche Atommasse?
Die durchschnittliche Atommasse ist der mit den natürlichen Häufigkeiten gewichtete Durchschnitt der Massen aller natürlich vorkommenden Isotope eines Elements. Dieser Wert steht im Periodensystem unter jedem Element.
Wie wird die durchschnittliche Atommasse berechnet?
Die Masse jedes Isotops wird mit seinem natürlichen Häufigkeitsanteil (Prozent/100) multipliziert; die Summe dieser Produkte ergibt den gewichteten Durchschnitt: Durchschnitt = Σ(Isotopmasse × Häufigkeitsanteil).
Was ist ein Isotop?
Isotope sind Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl (und damit unterschiedlicher Massenzahl). Da sie die gleiche Protonenzahl haben, sind ihre chemischen Eigenschaften identisch, ihre Massen jedoch unterschiedlich.
Warum ist die Atommasse keine ganze Zahl?
Die Atommassen im Periodensystem sind fast nie ganze Zahlen, weil sie der gewichtete Durchschnitt mehrerer Isotope sind. Chlor hat zum Beispiel eine Atommasse von 35,45 u, weil in der Natur sowohl Chlor-35 als auch Chlor-37 in unterschiedlichen Anteilen vorkommen.
Verwandte Tools
Um von Masse zu Stoffmenge zu wechseln, siehe Chemische Verbindungen, für das Periodensystem siehe Periodensystem.
Quellen
Isotopmassen und natürliche Häufigkeitsanteile basieren auf der IUPAC-Tabelle der Standardatomgewichte.