Массы атомов и молекул очень малы. Поэтому логично было ввести новые единицы измерения массы в химии, выбрав в качестве эталона массу одного из элементов. В современной физике и химии в качестве единицы атомной массы выбрана 112 массы атома углерода 12C. Новая единица получила название атомной единицы массы.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Атомная единица массы (а.е.м.) - внесистемная единица, применяемая для выражения масс атомов, молекул, атомных ядер и элементарных частиц. Определяется как 112 массы атома углерода 12C в основном состоянии.
1 а.е.м. = 1,660539040⋅10−27 кг ≈ 1,66⋅10−27 кг
Массы всех атомов и молекул, таким образом, могут быть выражены в атомных единицах массы. В таких случаях говорят об абсолютной атомной массе (A) или абсолютной молекулярной массе (молMмол). Эти величины имеют размерность [а.е.м.].
Довольно удобно выражать атомные массы всех элементов относительно массы эталонной единицы. Масса атома, рассчитанная относительно 1 а.е.м., получила название относительной атомной массы.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительная атомная масса элемента Ar - отношение массы атома к 112 массе атома углерода 12C:
Ar(X)=m(X)112m(12C)
Относительная атомная масса - величина безразмерная!
Относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса данного атома больше 112 массы атома углерода. Например, Ar(H)=1, т.е. один атом водорода имеет такую же массу, как 112 атома углерода; а запись Ar(Mg)=24 означает, что атом магния в 24 раза тяжелее, чем 112 атома углерода.
Изначально (в XIX веке) атомные веса элементов относили к массе водорода, приняв по предложению Джона Дальтона последнюю за единицу, так как водород - самый легкий элемент. Затем в качестве эталона использовали массу кислорода, принятую за 16, поскольку при расчете массы элементов в основном использовались их кислородные соединения. Отношение массы кислорода к массе водорода принималось как 16 к 1. Однако у кислорода существует три изотопа: 16O, 17O, 18O, поэтому 1/16 веса природного кислорода характеризовала лишь среднее значение массы всех известных изотопов кислорода. В результате оформили две шкалы: физическая (основанная на массе 16O) и химическая (основанная на среднем значении массы природного кислорода), что создавало определенные трудности. Поэтому в 1961 году за единицу массы была принята 1/12 веса атома углерода 12C.
Атомные массы многих элементов были установлены в XIX веке опытным путем. Так, например, было известно, что медь реагирует с серой с образованием сульфида меди состава CuS, где на один атом меди приходится один атом серы. Рассчитав массы вступивших
в реакцию серы и меди, заметили, что масса прореагировавшей серы в два раза меньше массы прореагировавшей меди, а следовательно, каждый атом меди в 2 раза тяжелее атома серы. Аналогичным образом были установлены атомные массы других элементов по реакциям образования их соединений с кислородом - оксидов.
Численные значения абсолютных масс атомов, выраженные в а.е.м., совпадают со значениями относительных атомных масс.
Значения относительных атомных масс элементов приведены в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. В случае, если у элемента есть несколько изотопов, в качестве атомной массы в периодической таблице указывается среднее значение массы всех изотопов.
При решении расчетных задач атомная масса округляется по правилам арифметики, до ближайшего целого числа .
Например: Ar(P)=31, Ar(Ge)=73, Ar(Zn)=65
Исключением является хлор, атомная масса которого округляется до десятых:
Однако, в большинстве экзаменационных заданий и задач базового уровня масса меди округляется до целого числа: Ar(Cu)=64.
РАСЧЁТ СРЕДНЕЙ АТОМНОЙ МАССЫ ЭЛЕМЕНТА
Атомные массы элементов, приведённые в таблице Менделеева, имеют дробные значения. Это связано с тем, что в данном случае речь идёт о средней относительной атомной массе элемента. Она рассчитывается с учётом распространённости изотопов элемента в земной коре:
Ar(X)=Ar(aX)⋅ω(aX)+Ar(bX)⋅ω(bX)+…,
где Ar - средняя относительная атомная масса элемента X,
Ar(aX),Ar(bX) - относительные атомные массы изотопов элемента X,
ω(aX),ω(bX) - массовые доли соответствующих изотопов элемента X по отношению к общей массе всех атомов данного элемента в природе.
Например, хлор имеет два природных изотопа - 35Cl (75,78% по массе) и 37Cl (24,22%). Относительная атомная масса элемента хлора равна:
Ar(Cl)=Ar(35Cl)⋅ω(35Cl)+Ar(37Cl)⋅ω(37Cl)
Ar(Cl)=35⋅0,7578+37⋅0,2422=26,523+8,9614=35,4844≈35,5
Для измерения массы атома используется относительная атомная масса, которая выражается в атомных единицах массы (а. е. м.). Относительная молекулярная масса складывается из относительных атомных масс веществ.
Понятия
Для осознания, что такое относительная атомная масса в химии, следует понимать, что абсолютная масса атома слишком мала, чтобы выражать её в граммах, а тем более в килограммах. Поэтому в современной химии за атомную единицу массы (а. е. м.) взята 1/12 часть массы углерода. Относительная атомная масса равна отношению абсолютной массы к 1/12 абсолютной массы углерода. Другими словами относительная масса отражает, во сколько раз масса атома конкретного вещества превышает 1/12 массы атома углерода. Например, относительная масса азота - 14, т.е. атом азота содержит 14 а. е. м. или в 14 раз больше, чем 1/12 часть атома углерода.
Рис. 1. Атомы и молекулы.
Среди всех элементов водород самый лёгкий, его масса равна 1 единице. Самые тяжёлые атомы имеют массу в 300 а. е. м.
Молекулярная масса - значение, показывающее, во сколько раз масса молекулы превышает 1/12 часть массы углерода. Также выражается в а. е. м. Масса молекулы складывается из массы атомов, поэтому для вычисления относительной молекулярной массы необходимо сложить значения масс атомов вещества. Например, относительная молекулярная масса воды равна 18. Это значение складывается из относительных атомных масс двух атомов водорода (2) и одного атома кислорода (16).
Рис. 2. Углерод в периодической таблице.
Как видно, эти два понятия имеют несколько общих характеристик:
- относительная атомная и молекулярная массы вещества - безразмерные величины;
- относительная атомная масса имеет обозначение A r , молекулярная - M r ;
- единица измерения одинакова в обоих случаях - а. е. м.
Молярная и молекулярная массы совпадают численно, но отличаются по размерности. Молярная масса - это отношение массы вещества к количеству молей. Она отражает массу одного моля, который равен числу Авогадро, т.е. 6,02 ⋅ 10 23 . Например, 1 моль воды весит 18 г/моль, а M r (Н 2 О) = 18 а. е. м. (тяжелее в 18 раз одной атомной единицы массы).
Как рассчитать
Чтобы выразить относительную атомную массу математически, следует определить, что 1/2 часть углерода или одна атомная единица массы равна 1,66⋅10 −24 г. Следовательно, формула относительной атомной массы имеет следующий вид:
A r (X) = m a (X) / 1,66⋅10 −24 ,
где m a - абсолютная атомная масса вещества.
Относительная атомная масса химических элементов указана в периодической таблице Менделеева, поэтому её не нужно рассчитывать самостоятельно при решении задач. Относительные атомные массы принято округлять до целых. Исключение составляет хлор. Масса его атомов равна 35,5.
Следует обратить внимание, что при расчёте относительной атомной массы элементов, имеющих изотопы, учитывается их среднее значение. Атомная масса в этом случае высчитывается следующим образом:
A r = ΣA r,i n i ,
где A r,i - относительная атомная масса изотопов, n i - содержание изотопов в природных смесях.
Например, кислород имеет три изотопа - 16 О, 17 О, 18 О. Их относительная масса равна 15,995, 16,999, 17,999, а их содержание в природных смесях - 99,759 %, 0,037 %, 0,204 % соответственно. Поделив проценты на 100 и подставив значения, получим:
A r = 15,995 ∙ 0,99759 + 16,999 ∙ 0,00037 + 17,999 ∙ 0,00204 = 15,999 а.е.м.
Обратившись к периодической таблице, легко найти это значение в клетке кислорода.
Рис. 3. Таблица Менделеева.
Относительная молекулярная масса - сумма масс атомов вещества:
При определении значения относительной молекулярной массы учитываются индексы символов. Например, вычисление массы H 2 CO 3 выглядит следующим образом:
M r = 1 ∙ 2 + 12 + 16 ∙ 3 = 62 а. е. м.
Зная относительную молекулярную массу, можно вычислить относительную плотность одного газа по второму, т.е. определить, во сколько раз одно газообразное вещество тяжелее второго. Для этого используется уравнение D (y) x = M r (х) / M r (y).
Что мы узнали?
Из урока 8 класса узнали об относительной атомной и молекулярной массе. За единицу относительной атомной массы принята 1/12 часть массы углерода, равная 1,66⋅10 −24 г. Для вычисления массы необходимо абсолютную атомную массу вещества разделить на атомную единицу массы (а. е. м.). Значение относительной атомной массы указано в периодической системе Менделеева в каждой клетке элемента. Молекулярная масса вещества складывается из суммы относительных атомных масс элементов.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.6 . Всего получено оценок: 189.
(1766–1844) на своих лекциях демонстрировал студентам выточенные из дерева модели атомов, показывая, как они могут соединяться, образуя различные вещества. Когда одного из студентов спросили, что такое атомы, он ответил: «Атомы – это раскрашенные в разные цвета деревянные кубики, которые изобрел мистер Дальтон».
Конечно, Дальтон прославился не своими «кубиками» и даже не тем, что в двенадцатилетнем возрасте стал школьным учителем. С именем Дальтона связано возникновение современной атомистической теории. Впервые в истории науки он задумался о возможности измерения масс атомов и предложил для этого конкретные способы. Понятно, что непосредственно взвесить атомы невозможно. Дальтон рассуждал только о «соотношении весов мельчайших частиц газообразных и других тел», то есть об относительных их массах. И поныне, хотя масса любого атома в точности известна, ее никогда не выражают в граммах, так как это исключительно неудобно. Например, масса атома урана – самого тяжелого из существующих на Земле элементов – составляет всего 3,952·10 –22 г. Поэтому массу атомов выражают в относительных единицах, показывающих, во сколько раз масса атомов данного элемента больше массы атомов другого элемента, принятого в качестве стандарта. Фактически это и есть «соотношение весов» по Дальтону, т.е. относительная атомная масса.
В качестве единицы массы Дальтон принял массу атома водорода, а для нахождения масс других атомов он использовал найденные разными исследователями процентные составы различных соединений водорода с другими элементами. Так, по данным Лавуазье , в воде содержится 15% водорода и 85% кислорода. Отсюда Дальтон нашел относительную атомную массу кислорода – 5,67 (в предположении, что в воде на один атом водорода приходится один атом кислорода). По данным английского химика Уильяма Остина (1754–1793) о составе аммиака (80% азота и 20% водорода) Дальтон определил относительную атомную массу азота, равную 4 (также в предположении о равном числе атомов водорода и азота в этом соединении). А из данных по анализу некоторых углеводородов Дальтон приписал углероду значение 4,4. В 1803 Дальтон составил первую в мире таблицу относительных атомных масс некоторых элементов. В дальнейшем эта таблица претерпела очень сильные изменения; основные из них произошли еще при жизни Дальтона, что видно из следующей таблицы, в которой приведены данные из учебников, изданных в разные годы, а также в официальном издании ИЮПАК – Международного союза теоретической и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry).
Прежде всего, обращают на себя внимание непривычные атомные массы у Дальтона: они в несколько раз отличаются от современных! Это объясняется двумя причинами. Первая – неточность эксперимента в конце 18 – начале 19 в. Когда Гей-Люссак и Гумбольдт уточнили состав воды (12,6% Н и 87,4% О), Дальтон изменил значение атомной массы кислорода, приняв ее равной 7 (по современным данным в воде 11,1% водорода). По мере совершенствования методов измерения уточнялись атомные массы и многих других элементов. При этом за единицу измерения атомных масс сначала выбирали водород, потом – кислород, а в настоящее время – углерод .
Вторая причина более серьезная. Дальтон не знал, в каком соотношении находятся атомы разных элементов в различных соединениях, поэтому он принял наиболее простую гипотезу о соотношении 1:1. Так считали многие химики, пока не были надежно установлены и приняты химиками правильные формулы для состава воды (Н 2 О) и аммиака (NH 3), многих других соединений. Для установления формул газообразных веществ использовался закон Авогадро , позволяющий определять относительную молекулярную массу веществ. Для жидких и твердых веществ использовали другие способы (см . МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ ОПРЕДЕЛЕНИЕ). Особенно просто было устанавливать формулы соединений элементов переменной валентности, например, хлорида железа. Относительная атомная масса хлора уже была известна из анализа ряда его газообразных соединений. Теперь, если принять, что в хлориде железа число атомов металла и хлора одинаково, то для одного хлорида относительная атомная масса железа получалась равной 27,92, а для другого – 18,62. Отсюда следовало, что формулы хлоридов FeCl 2 и FeCl 3 , и A r (Fe) = 55,85 (среднее из двух анализов). Вторая возможность – формулы FeCl 4 и FeCl 6 , и A r (Fe) = 111,7 – была исключена как маловероятная. Относительные атомные массы твердых веществ помогало находить эмпирическое правило, сформулированное в 1819 французскими учеными П.И.Дюлонгом и А.Т.Пти: произведение атомной массы на теплоемкость – величина постоянная. Особенно хорошо правило Дюлонга – Пти выполнялось для металлов, что позволило, например, Берцелиусу уточнить и исправить атомные массы некоторых из них.
При рассмотрении относительных атомных масс химических элементов, приводящихся в периодической таблице, можно заметить, что для разных элементов они даются с разной точностью. Например, для лития – с 4 значащими цифрами, для серы и углерода – с 5, для водорода – с 6, для гелия и азота – с 7, для фтора – с 8. Отчего такая несправедливость?
Оказывается, точность, с которой определяется относительная атомная масса данного элемента, зависит не столько от точности измерений, сколько от «природных» факторов, не зависящих от человека. Они связаны с непостоянством изотопного состава данного элемента: в разных образцах соотношение изотопов не вполне одинаковое. Например, при испарении воды молекулы с легкими изотопами (см . ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ) водорода переходят в газовую фазу чуть быстрее, чем молекулы тяжелой воды, содержащие изотопы 2 Н. В результате в водяных парах изотопа 2 Н немного меньше, чем в жидкой воде. Многие организмы также разделяют изотопы легких элементов (для них разница в массах более существенна, чем для тяжелых элементов). Так, при фотосинтезе растения отдают предпочтение легкому изотопу 12 С. Поэтому в живых организмах, а также произошедших от них нефти и угле содержание тяжелого изотопа 13 С понижено, а в углекислом газе и образовавшемся из него карбонатах, наоборот, – повышено. Микроорганизмы, восстанавливающие сульфаты, также накапливают легкий изотоп 32 S, поэтому в осадочных сульфатах его больше. В «остатках» же, не усвоенных бактериями, доля тяжелого изотопа 34 S больше. (Кстати, анализируя соотношение изотопов серы, геологи могут отличить осадочный источник серы от магматического. А по соотношению изотопов 12 С и 13 С можно даже отличить тростниковый сахар от свекловичного!)
Итак, для многих элементов приводить очень точные значения атомных масс просто не имеет смысла, поскольку они немного меняются от одного образца к другому. По точности, с какой приводятся атомные массы, можно сразу сказать, происходит ли в природе «разделение изотопов» данного элемента и насколько сильно. А вот, например, для фтора атомная масса приводится с очень высокой точностью; значит, атомная масса фтора в любом его земном источнике постоянна. И это неудивительно: фтор относится к так называемым элементам-одиночкам, которые в природе представлены одним-единственным нуклидом.
В периодической таблице массы некоторых элементов стоят в скобках. Это относится главным образом к актинидам, стоящим после урана (так называемые трансурановые элементы), к еще более тяжелым элементам 7-го периода, а также к нескольким более легким; среди них технеций, прометий, полоний, астат, радон, франций. Если сравнить таблицы элементов, напечатанные в разные годы, то окажется, что эти числа время от времени меняются, иногда в течение всего нескольких лет. Некоторые примеры приведены в таблице.
Причина изменений в таблицах заключается в том, что указанные элементы радиоактивны, у них нет ни одного стабильного изотопа. В таких случаях принято приводить либо относительную атомную массу наиболее долгоживущего нуклида (например, для радия), либо массовые числа; последние приводятся в скобках. Когда открывают новый радиоактивный элемент, то получают вначале лишь один из многих его изотопов – конкретный нуклид с определенным числом нейтронов. Исходя из теоретических представлений, а также экспериментальных возможностей, стараются получить нуклид нового элемента с достаточным временем жизни (с таким нуклидом легче работать), однако удавалось это «с первого захода» не всегда. Как правило, при дальнейших исследованиях выяснялось, что существуют и могут быть синтезированы новые нуклиды с бoльшим временем жизни, и тогда проставленное в Периодической таблице элементов Д.И.Менделеева число надо было заменять. Сопоставим массовые числа некоторых трансуранов, а также прометия, взятые из книг, изданных в разные годы. В скобках в таблице приведены современные данные для периодов полураспада. В старых изданиях вместо принятых в настоящее время символов элементов 104 и 105 (Rf – резерфордий и Db – дубний) фигурировали Ku – курчатовий и Ns – нильсборий.
| Таблица 2. | ||||
| Элемент Z | Год издания | |||
| 1951 | 1958 | 1983 | 2000 | |
| Pm 61 | 147 (2,62 года) | 145 (18 лет) | 145 | 145 |
| Pu 94 | 239 (24100 лет) | 242 (3,76 . 10 5 лет) | 244 (8,2 . 10 7 лет) | 244 |
| Am 95 | 241 (432 года) | 243 (7370 лет) | 243 | 243 |
| Cm 96 | 242 (163 сут) | 245 (8500 лет) | 247 (1,58 . 10 7 лет) | 247 |
| Bk 97 | 243 (4,5 час) | 249 (330 сут) | 247 (1400 лет) | 247 |
| Cf 98 | 245 (44 мин) | 251 (900 лет) | 251 | 251 |
| Es 99 | – | 254 (276 сут) | 254 | 252 (472 сут) |
| Fm 100 | – | 253 (3 сут) | 257 (100,5 сут) | 257 |
| Md 101 | – | 256 (76 мин) | 258 (52 сут) | 258 |
| No 102 | – | – | 255 (3,1 мин) | 259 (58 мин) |
| Lr 103 | – | – | 256 (26 сек) | 262 (3,6 час) |
| Rf 104 | – | – | 261 (78 сек) | 261 |
| Db 105 | – | – | 261 (1,8 сек) | 262 (34 сек) |
Как видно из таблицы, все приведенные в ней элементы радиоактивные, их периоды полураспада намного меньше возраста Земли (несколько млрд. лет), поэтому в природе этих элементов нет и получены они искусственно. По мере совершенствования техники эксперимента (синтез новых изотопов и измерение времени их жизни) иногда удавалось найти нуклиды, живущие в тысячи и даже миллионы раз дольше известных до этого. Например, когда в 1944 на циклотроне в Беркли были поставлены первые опыты по синтезу элемента № 96 (впоследствии его назвали кюрием), то единственная имевшаяся тогда возможность получения этого элемента заключалась в облучении a-частицами ядер плутония-239: 239 Pu + 4 He ® 242 Cm + 1 n. Полученный нуклид нового элемента имел период полураспада около полугода; он оказался очень удобным компактным источником энергии, и позднее его использовали с этой целью, например, на американских космических станциях «Сервейор». В настоящее время получен кюрий-247, который имеет период полураспада 16 млн. лет, что в 36 млн. раз превышает время жизни первого известного нуклида этого элемента. Так что изменения, вносимые время от времени в таблицу элементов, могут быть связаны не только с открытием новых химических элементов!
В заключение – о том, как узнали, в каком соотношении присутствуют в элементе разные изотопы? Например, о том, что в природном хлоре на долю 35 Cl приходится 75,77% (остальное – изотоп 37 Cl)? В данном случае, когда в природном элементе всего два изотопа, решить задачу поможет такая аналогия.
В 1982 в результате инфляции стоимость меди, из которых чеканились одноцентовые монеты США, превысила номинал монеты. Поэтому с этого года монеты делают из более дешевого цинка и лишь сверху покрывают тонким слоем меди. При этом содержание дорогой меди в монете снизилось с 95 до 2,5%, а масса – с 3,1 до 2,5 г. Через несколько лет, когда в обращении находилась смесь монет двух типов, преподаватели химии сообразили, что эти монеты (на глаз они почти неразличимы) – прекрасное пособие для их «изотопного анализа», либо по массе, либо по числу монет каждого типа (аналогия массовой или мольной доли изотопов в смеси). Будем рассуждать так: пусть у нас имеется 210 монет, среди которых есть и легкие, и тяжелые (это соотношение не зависит от числа монет, если их достаточно много). Пусть также общая масса всех монет равна 540 г. Если бы все эти монеты были «легкой разновидности», то общая их масса была бы равна 525 г, что на 15 г меньше действительной. Почему так? Потому что не все монеты легкие: есть среди них и тяжелые. Замена одной легкой монеты на тяжелую приводит к увеличению общей массы на 0,6 г. Нам же надо увеличить массу на 40 г. Следовательно, легких монет имеется 15/0,6 = 25. Таким образом, в смеси 25/210 = 0,119 или 11,9% легких монет. (Конечно, со временем «изотопное соотношение» монет разного типа будет меняться: легких будет все больше, тяжелых – все меньше. Для элементов же соотношение изотопов в природе постоянно.)
Точно так же и в случае изотопов хлора или меди: известна средняя атомная масса меди – 63,546 (ее определили химики, анализируя различные соединения меди), а также массы легкого 64 Cu и тяжелого 65 Cu изотопов меди (эти массы определили физики, используя свои, физические, методы). Если элемент содержит более двух стабильных изотопов, их соотношение определяется другими методами.
Наши монетные дворы – Московский и Санкт-Петербургский тоже, оказывается, чеканили разные «изотопные разновидности» монет. Причина та же – подорожание металла. Так, 10- и 20-рублевые монеты в 1992 чеканились из немагнитного медно-никелевого сплава, а в 1993 – из более дешевой стали, и эти монеты притягиваются магнитом; по внешнему виду они практически не различаются (кстати, часть монет этих годов отчеканены «не в том» сплаве, такие монеты очень редкие, а некоторые стоят дороже золота!). В 1993 чеканились также 50-рублевые монеты из медного сплава, и в том же году (гиперинфляция!) – из стали, покрытой латунью. Правда, массы наших «изотопных разновидностей» монет отличаются не так сильно, как у американских. Тем не менее, точное взвешивание кучи монет дает возможность рассчитать, сколько в них монет каждого сорта – по массе, либо по числу монет, если подсчитано общее их число.
Илья Леенсон
Атомы имеют очень маленький размер и очень маленькую массу. Если выражать массу атома какого-нибудь химического элемента в граммах, то это будет число перед которым находится более двадцати нулей после запятой. Поэтому измерять массу атомов в граммах неудобно.
Однако, если принять какую-либо очень малую массу за единицу, то все остальные малые массы можно выражать как отношение к этой единицы. В качестве единицы измерения массы атома была выбрана 1/12 часть массы атома углерода.
1/12 часть массы атома углерода называют атомной единицей массы (а. е. м.).
Относительной атомной массой является величина, равная отношению реальной массы атома конкретного химического элемента к 1/12 реальной массы атома углерода. Это безразмерная величина, так как делятся две массы.
A r = m ат. / (1/12)m угл.
Однако абсолютная атомная масса равна относительной по значению и имеет единицу измерения а.е.м.
То есть относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса конкретного атома больше 1/12 атома углерода. Если у атома A r = 12, значит его масса в 12 раз больше 1/12 массы атома углерода, или, другими словами, в нем 12 атомных единиц массы. Такое может быть только у самого углерода (C). У атома водорода (H) A r = 1. Это значит, что его масса равна массе 1/12 части от массы атома углерода. У кислорода (O) относительная атомная масса равна 16 а.е.м. Это значит, что атом кислорода в 16 раз массивнее 1/12 атома углерода, в нем 16 атомных единиц массы.
Самый легкий элемент - это водород. Его масса примерно равна 1 а.е.м. У самых тяжелых атомов масса приближается к 300 а.е.м.
Обычно для каждого химического элемента его значение абсолютной массы атомов, выраженных через а. е. м. округляют.
Значение атомных единиц массы записаны в таблице Менделеева.
Для молекул используется понятие относительной молекулярной массы (M r) . Относительная молекулярная масса показывает, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода. Но поскольку масса молекулы равна сумме масс составляющих ее атомов, то относительную молекулярную массу можно найти, просто сложив относительные массы этих атомом. Например, в молекулу воды (H 2 O) входят два атома водорода с A r = 1 и один атом кислорода с A r = 16. Следовательно, Mr(Н 2 O) = 18.
Ряд веществ имеет немолекулярное строение, например металлы. В таком случае их относительную молекулярную массу считают равной их относительной атомной массе.
В химии важным является величина, которая называется массовая доля химического элемента в молекуле или веществе. Она показывает, какая часть относительной молекулярной массы приходится на данный элемент. Например, в воде на водород приходится 2 доли (так как два атома), а на кислород 16. То есть, если смешать водород массой 1 кг и кислород массой 8 кг, то они прореагируют без остатка. Массовая доля водорода равна 2/18 = 1/9, а массовая доля кислорода 16/18 = 8/9.
Массовое число . Массовое число-это суммарное число протонов и нейтронов в ядре атома. Оно обозначается символом А.
Говоря о конкретном атомном ядре, обычно употребляют термин нуклид, а ядерные частицы протоны и нейтроны-в совокупности называют нуклонами.
Атомный номер. Атомный номер элемента совпадает с числом протонов в ядре его атома. Он обозначается символом Z. Атомный номер связан с массовым числом следующим соотношением:
где N-число нейтронов в ядре атома.
Каждый химический элемент характеризуется определенным атомным номером. Другими словами, никакие два элемента не могут иметь одинаковый атомный номер. Атомный номер равен не только числу протонов в ядре атомов данного элемента, но также равен числу электронов, окружающих ядро атома. Это объясняется тем, что атом в целом представляет собой электрически нейтральную частицу. Таким образом, число протонов в ядре атома равно числу электронов, окружающих ядро. Это утверждение не относится к ионам, которые, разумеется, представляют собой заряженные частицы.
Первое экспериментальное обоснование атомных номеров элементов* получил в 1913 г. Генри Мозли, работавший в Оксфорде. Он бомбардировал твердые металлические мишени катодными лучами. (В 1909 г. Баркла и Кайи уже показали, что любой твердый элемент при бомбардировке быстрым пучком катодных лучей испускает рентгеновские лучи, характеристические для данного элемента.) Мозли анализировал характеристическое рентгеновское излучение, пользуясь фотографической методикой регистрации. Он обнаружил, что длина волны характеристического рентгеновского излучения увеличивается с возрастанием атомного веса (массы) металла и показал, что квадратный корень из частоты этого рентгеновского излучения прямо пропорционален некоторому целому числу, которое он обозначил символом Z.
Мозли установил, что это число приблизительно совпадает с половиной значения атомной массы. Он пришел к выводу, что это число-атомный номер элемента-является фундаментальным свойством его атомов. Оно оказалось равно числу протонов в атоме данного элемента. Таким образом, Мозли связал частоту характеристического рентгеновского излучения с порядковым номером излучающего элемента (закон Мозли). Этот закон имел большое значение для утверждения периодического закона химических элементов и установления физического смысла атомного номера элементов.
Исследование Мозли позволило ему предсказать существование трех недоста-вавших к тому времени в периодической таблице элементов с атомными номерами 43, 61 и 75. Эти элементы были обнаружены позже и получили названия технеций, прометий и рений соответственно.
Символы нуклидов. Массовое число нуклида принято указывать в виде верхнего индекса, а атомный номер-в виде нижнего индекса слева от символа элемента. Например, запись 1IC означает, что этот нуклид углерода (как и все другие нуклиды углерода) имеет атомный номер 6. Данный конкретный нуклид имеет массовое число 12. Другому нуклиду углерода отвечает символ 14C Поскольку все нуклиды углерода имеют атомный номер 6, указанный нуклид часто записывают просто как 14C или углерод-14.
Изотопы. Изотопами называются различные по свойствам атомные разновидности одного элемента. Они различаются числом нейтронов в их ядре. Таким образом, изотопы одного элемента имеют одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. В табл. 1.1 приведены значения массового числа А, атомного номера Z и числа нейтронов N в ядре атомов каждого из трех изотопов углерода.
Таблица 1.1. Изотопы углерода
Изотопное содержание элементов. В большинстве случаев каждый элемент представляет собой смесь различных изотопов. Содержание каждого изотопа в такой смеси называется изотопным содержанием. Например, кремний обнаруживается в соединениях, которые встречаются в природе, с таким естественным изотопным содержанием: 92,28% 28Si, 4,67% 29Si и 3,05% 30Si. Обратите внимание, что суммарное изотопное содержание элемента должно составлять в точности 100%. Относительное изотопное содержание каждого из указанных изотопов составляет соответственно 0,9228, 0,0467 и 0,0305. Сумма этих чисел составляет в точности 1,0000.
Атомная единица массы (а.е.м.). В настоящее время в качестве стандарта для определения атомной единицы массы принимается масса нуклида Х|С. Этому нуклиду приписывается масса 12,0000 а.е.м. Таким образом, атомная единица массы равна одной двенадцатой части массы этого нуклида. Истинное значение атомной единицы массы составляет 1,661 Ю-27 кг. Три фундаментальные частицы, являющиеся составными частями атома, имеют следующие массы:
масса протона = 1,007277 а.е.м. масса нейтрона = 1,008 665 а.е.м. масса электрона = 0,000 548 6 а. е. м.
Пользуясь этими значениями, можно вычислить изотопную массу каждого конкретного нуклида. Например, изотопная масса нуклида 3JCl представляет собой сумму масс 17 протонов, 18 нейтронов и 17 электронов:
17(1,007277 а.е.м) + 18(1,008 665 а.е.м.) + + 17 (0,000 548 6 а. е. м.) = 35,289 005 а. е. м.
Однако точные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что изотопная масса 37С1 имеет значение 34,968 85 а. е. м. Расхождение между вычисленным и экспериментально найденным значениями составляет 0,32016 а.е.м. Оно называется дефектом массы; причина возникновения дефекта массы объясняется в разд. 1.3.