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Chemie

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Allgemeine Chemie

Relative Atommasen


 

Allgemeines:
Wie bereits im Kapitel Atomaufbau erläutert wurde, wird die hauptsächliche Masse eines Atoms durch die Nukleonen (= Kernteilchen, Protonen und Neutronen) bestimmt. Sieht man aber im Periodensystem nach der Masse des jeweiligen Elementes, so ergeben sich teilweise auffällige Abweichungen von der theoretischen Atommasse (Summe der Masse der Kernbausteine), selbst wenn man die Masse der Elektronen mit einberechnen würde. Dies hat zwei Gründe, erstens den Massendefekt und zweitens sind im Periodensystem nur relative Atommassen angegeben. Nachfolgend soll nun auf diese beiden Gründe eingegangen werden.
 

Der Massendefekt:
Bestimmt man für ein Isotop die Summe der Masse der Kernbausteine, stimmt diese nicht mit der (genauen) Atommasse überein. Grund hierfür ist der Massendefekt, der sich auf Grundlage der berühmten Formel E = m · c² von Albert Einstein erklären lässt. Diese Formel findet sich in Lehrbüchern auch unter: "Äquivalenz von Masse und Energie" und besagt, dass Masse und Energie voneinander nicht unabhängig sind, d.h wird Energie freigesetzt, nimmt auch die Masse ab (dies allerdings nur im atomaren Bereich und nicht makroskopischen Bereich) 

So kann man als Faustregel annehmen, dass Atomkerne aufgrund der "Bindungsenergie"  ca. 1 % masseärmer sind als die Summe der ungebundenen Kernbausteine.
Dies kann man sich z.B. für das Chlor-Isotop Cl-35 betrachten, rechnet man die Summe der Masse der einzelnen Kernbausteine erhält man als Ergebnis ca. 35,00 u. Sieht man in einem Tabellenwerk nach, so lässt sich ein Wert von 34,97 u finden.
 
 
 

Angabe von relativen Atommassen im Periodensystem
Die Atommasse "1u" ist so definiert, dass das Kohlenstoffisotop C-12 eine relative Atommasse von 12 u hat. Sieht man im Periodensystem nach der Masse von Kohlenstoff, findet man 12,011 u (Kohlenstoff hat 6 Elektronen und ein Elektron hat ca. die Masse 1/2000 u, somit kann die zusätzliche Masse nicht von den Elektronen stammen). Die Erklärung ist relativ einfach, im Periodensystem sind keine Atommassen von Isotopen angegeben, sondern relative Atommassen von Elementen. Ein natürliches Element besteht immer aus einer Mischung mehrerer Isotope, daher berechnet sich die relative Atommasse im Periodensystem aus den prozentualen Anteilen der einzelnen Isotope des jeweiligen Elementes:

relative Masse = Summe aus (relative Atommasse Isotop · Häufigkeit des Isotopes im natürlichen Element) : 100

Ein Beispiel, an dem sich dies verdeutlichen lässt ist das Element Chlor.
Chlor besteht aus den Isotopen Cl-35 und Cl-37. Aus Tabellenwerken (wie Wikipedia.de) findet man die Angaben der relativen Häufigkeit der Isotope. 
Danach beträgt die Häufigkeit von Cl-35 ca. 75,77% und von Cl-37 ca. 24,23%. 
Als Ergebnis für die Berechnung der Isotopenmassen erhält man für Cl-35 ca. 34,97 u und für Cl-37 ca. 36,97 u. 
Setzt man nun diese Werte in die obige Formel ein erhält man als Ergebnis:

M = (75,77 · 34,97 u  +  24,23 · 36,97 u) : 100 = 35,45 u

Sieht man nun nach der Masse von Chlor im Periodensystem nach, stimmt das Ergebnis aus der vorangegangenen Rechnung mit dem Wert überein.
 

Anmerkung:
Die Isotopenverteilung ist durch die physikalische Entstehung der Elemente bedingt und daher einheitlich auf der Erde (die relative Atommasse ist somit eine Konstante, sofern das Element nicht künstlich verändert wurde).