Какие свойства определяют атомная масса

А́томная ма́сса — масса атома. Единица измерения в СИ — килограмм, по факту обычно применяется внесистемная единица — атомная единица массы.

Общие сведения[править | править код]

Одним из фундаментальных свойств атома является его масса. Абсолютная масса атома — величина чрезвычайно малая. Так, атом водорода имеет массу около 1,67⋅10−24 г[1]. Поэтому в химии (преимущественно для практических целей) значительно удобнее пользоваться относительной (условной) величиной, которую называют относительной атомной массой или просто атомной массой и которая показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше массы атома другого элемента, принятой за единицу измерения массы.

В качестве единицы измерения атомных и молекулярных масс принята 1⁄12 часть массы нейтрального атома наиболее распространённого изотопа углерода 12C[2]. Эта внесистемная единица измерения массы получила название атомная единица массы (а. е. м.) или дальтон (Да).

Разность между атомной массой изотопа и его массовым числом называется избытком массы (обычно его выражают в МэВ). Он может быть как положительным, так и отрицательным; причина его возникновения — нелинейная зависимость энергии связи ядер от числа протонов и нейтронов, а также различие в массах протона и нейтрона.

Зависимость атомной массы изотопа от массового числа такова: избыток массы положителен у водорода-1, с ростом массового числа он уменьшается и становится отрицательным, пока не достигается минимум у железа-56, потом начинает расти и возрастает до положительных значений у тяжёлых нуклидов. Это соответствует тому, что деление ядер, более тяжёлых, чем железо, высвобождает энергию, тогда как деление лёгких ядер требует энергии. Напротив, слияние ядер легче железа высвобождает энергию, слияние же элементов тяжелее железа требует дополнительной энергии.

Атомная масса химического элемента (также «средняя атомная масса», «стандартная атомная масса») является средневзвешенной атомной массой всех существующих в природе стабильных и нестабильных изотопов данного химического элемента с учётом их природной (процентной) распространённости в земной коре и атмосфере. Именно эта атомная масса представлена в периодической таблице Д. И. Менделеева, её используют в стехиометрических расчётах. Атомная масса элемента с нарушенным изотопным соотношением (например, обогащённого каким-либо изотопом) отличается от стандартной. Для моноизотопных элементов (таких как иод, золото и т. п.) атомная масса элемента совпадает с атомной массой его единственного представленного в природной смеси изотопа. Для химических элементов, отсутствующих в природе (синтетических химических элементов), таких как технеций, кюрий и т. п., в качестве атомной массы элемента условно указывают массовое число наиболее стабильного из известных изотопов этого элемента; такие значения в таблице Менделеева традиционно указываются в квадратных скобках.

Относительная атомная масса[править | править код]

Относи́тельная а́томная ма́сса (устаревшее название — атомный вес) — значение массы атома, выраженное в атомных единицах массы. Определяется как отношение массы атома данного элемента к 1⁄12 массе нейтрального атома изотопа углерода 12C. Из определения следует, что относительная атомная масса является безразмерной величиной[3].

Молекулярная (молярная) масса[править | править код]

Молекулярной массой химического соединения называется сумма атомных масс элементов, составляющих его, умноженных на стехиометрические коэффициенты элементов по химической формуле соединения. Строго говоря, масса молекулы меньше массы составляющих её атомов на величину, равную энергии связи молекулы (см. выше). Однако этот дефект массы на 9—10 порядков меньше массы молекулы, и им можно пренебречь.

Определение моля (и числа Авогадро) выбирается таким образом, чтобы масса одного моля вещества (молярная масса), выраженная в граммах (на моль), была численно равна атомной (или молекулярной) массе этого вещества. Например, атомная масса железа равна 55,847 а. е. м. Следовательно, один моль железа (то есть количество атомов железа, равное числу Авогадро, ≈6,022⋅1023) имеет массу 55,847 г.

Прямое сравнение и измерение масс атомов и молекул выполняется с помощью масс-спектрометрических методов.

История[править | править код]

При вычислениях атомных масс изначально (с начала XIX века, по предложению Дж. Дальтона; см. Атомистическая теория Дальтона) за единицу массы [относительную] принимали массу атома водорода как самого лёгкого элемента и по отношению к нему вычисляли массы атомов др. элементов. Но так как атомные массы большинства элементов определяются, исходя из состава их кислородных соединений, то фактически (де-факто) вычисления производились по отношению к атомной массе кислорода, которая принималась равной 16; отношение между атомными массами кислорода и водорода считали равным 16 : 1. Впоследствии более точные измерения показали, что это отношение равно 15,874 : 1 или, что то же самое, 16 : 1,0079, — в зависимости от того, к какому атому — кислорода или водорода — относить целочисленное значение. Изменение атомной массы кислорода повлекло бы за собой изменение атомных масс большинства элементов. Поэтому было решено оставить для кислорода атомную массу 16, приняв атомную массу водорода равной 1,0079.

Таким образом, за единицу атомной массы принималась 1⁄16 часть массы атома кислорода, получившая название кислородной единицы. В дальнейшем было установлено, что природный кислород представляет собой смесь изотопов, так что кислородная единица массы характеризует среднее значение массы атомов природных изотопов кислорода (кислорода-16, кислорода-17 и кислорода-18), которое оказалось непостоянным из-за природных вариаций изотопного состава кислорода. Для атомной физики такая единица оказалась неприемлемой, и в этой отрасли науки за единицу атомной массы была принята 1⁄16 часть массы атома кислорода 16O. В результате оформились две шкалы атомных масс — химическая и физическая. Наличие двух шкал атомных масс создавало большие неудобства. Величины многих констант, рассчитанных по физической и химической шкалам, оказывались различными[4]. Это неприемлемое положение привело к введению углеродной шкалы атомных масс вместо кислородной.

Единая шкала относительных атомных масс и новая единица атомной массы принята Международным съездом физиков (1960) и унифицирована Международным съездом химиков (1961; спустя 100 лет после 1-го Международного съезда химиков), вместо предыдущих двух кислородных единиц атомной массы — физической и химической. Кислородная химическая единица равна 0,999957 новой углеродной единицы атомной массы. В современной шкале относительные атомные массы кислорода и водорода равны соответственно 15,9994 : 1,0079… Поскольку новая единица атомной массы привязана к конкретному изотопу, а не к среднему значению атомной массы химического элемента, природные изотопные вариации не сказываются на воспроизводимости этой единицы.

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

Wieser, Michael E.; et al. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry : journal. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. Архивировано 16 июня 2015 года. Архивная копия от 16 июня 2015 на Wayback Machine (англ.)
Вес атомов // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
Атом (Размеры и масса атомов). Атомный вес // Физический энциклопедический словарь (в 5 т.) / Б. А. Введенский. — М: Сов. энциклопедия, 1960. — Т. 1. — С. 107, 119–121. — 664 с.
Дикерсон Р., Грей Г., Хейт Дж. Основные законы химии: В 2 томах. Пер. с англ. — М.: Мир, 1982. 652 с., ил. — Т. 1. — С. 13—65, 114, 267—295.
Атомная масса // Физическая энциклопедия (в 5 т.) / А. М. Прохоров (ред. кол.). — М: Сов. энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 152. — 704 с.
Атомная масса // Химическая энциклопедия (в 5 т.) / И. Л. Кнунянц (ред. кол.). — М: Сов. энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 216. — 623 с.

Ссылки[править | править код]

Атомная масса / Справочник химика (дополнительная информация )
Публикации атомных масс 1969—2013 — в журнале «Pure and Applied Chemistry», на сайте ИЮПАК
Атомные массы всех изотопов
AME2003 atomic mass evaluation
Atomic Mass Data Center

Источник

В уроке 2 «Относительная атомная масса химических элементов» из курса «Химия для чайников» рассмотрим разные способы выражения массы химических элементов. Напоминаю, что в прошлом уроке «Атомы и химические элементы» мы рассмотрели, кто и когда высказал идею о том, что все вокруг состоит из атомов; также выяснили, что из себя представляет химический элемент и каким образом обозначается.

Чем различаются атомы разных элементов между собой? Вы уже знаете: массой, размерами и строением. На рисунке 30 показаны шаровые модели атомов некоторых химических элементов, конечно, не в реальных размерах, а многократно увеличенные. В действительности атомы настолько малы, что их невозможно рассмотреть даже в самые лучшие оптические микроскопы.

На заметку: В конце XX в. у ученых появились более совершенные микроскопы, позволяющие достигать увеличения в несколько десятков миллионов раз. Они называются туннельными микроскопами. На рисунке 31 показана фотография поверхности кремния. На ней отчетливо видны отдельные атомы, расположенные на поверхности этого вещества.

Размеры и масса атомов

Современная наука обладает методами, позволяющими определять размеры и массы атомов. Так, например, самый легкий атом — атом водорода. Его масса равна 0,0000000000000000000000000016735 кг. Самым маленьким является атом гелия He. Диаметр этого атома равен приблизительно 0,00000000098 м. Записывать и читать такие числа затруднительно, поэтому обычно их представляют в более удобном виде: 1,6735·10−27 кг и 9,8·10−10 м. Атомы большинства химических элементов по своим размерам значительно больше атома гелия. Самый большой из них — атом элемента франция Fr. Его диаметр в 7 раз больше диаметра атома гелия (рис. 32).

Еще больше различаются атомы разных элементов по массе. Масса атома обозначается символом ma и выражается в единицах массы СИ (кг). Так, например, масса атома углерода равна: ma(С) = 19,94·10−27 кг, а атома кислорода — ma(О) = 26,56·10−27 кг. Масса атома самого тяжелого из существующих на Земле элементов — урана U — почти в 237 раз больше массы атома водорода.

Атомная единица массы

Пользоваться такими маленькими величинами масс атомов при расчетах неудобно. К тому же, когда в XIX в. начало формироваться атомно- молекулярное учение, ученые еще не представляли реальных размеров и масс атомов. Поэтому на практике вместо истинных масс атомов стали применять их относительные значения. Они рассчитывались по массовым отношениям простых веществ в реакциях друг с другом. Химики предположили, что эти отношения пропорциональны массам соответствующих атомов. Именно так в начале XIX в. Дж. Дальтон ввел понятие относительной атомной массы, приняв за единицу сравнения массу самого легкого атома — водорода.

В настоящее время в качестве такой единицы сравнения используется 1/12 часть массы атома углерода (рис. 33). Она получила название атомной единицы массы (а. е. м.). Ее международное обозначение — u (от английского слова «unit» — единица):

Атомная единица массы — это 1/12 часть массы атома углерода, которая равна 1,66·10−27 кг.

Относительная атомная масса

Сравнивая средние массы атомов различных элементов с атомной единицей массы, получают значения относительных атомных масс химических элементов.

Относительная атомная масса элемента — это физическая величина, которая показывает, во сколько раз масса атома данного химического элемента больше 1/12 части массы атома углерода.

Относительная атомная масса обозначается символами Ar (А — первая буква английского слова «atomic» —атомный, r — первая буква английского слова «relative», что значит относительный), следовательно:

где Х — символ данного элемента.

Например, относительная атомная масса водорода:

а кислорода:

Как видите, относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше атомной единицы массы u.

В таблице Менделеева приведены относительные атомные массы всех элементов. В расчетах при решении задач мы будем пользоваться округленными до целых значениями этих величин (см. урок 1).

Внимание! Очень часто относительную атомную массу называют просто атомной массой. Однако следует отличать атомную массу — величину относительную (например, Ar(О) = 16) — от массы атома — величины, выражаемой в единицах массы — килограммах (ma(O) = 26,56·10−27 кг) или атомных единицах массы (ma(O) = 16·u).

Пример. Во сколько раз атом ртути тяжелее атома кальция?

Решение. Относительные атомные массы элементов равны: Ar(Hg) = 201 и Ar(Ca) = 40.

Масса атома ртути равна: ma(Hg) = Ar(Hg)·u (кг).
Масса атома кальция равна: ma(Са) = Ar(Са)·u (кг).

Другими словами, отношение масс атомов этих элементов равно отношению их относительных атомных масс. Следовательно, отношение масс атомов ртути и кальция равно:

Ответ: в 5,03 раза.

Краткие выводы урока:

Атомная единица массы представляет собой 1/12 часть массы атома углерода.
Относительная атомная масса химического элемента равна отношению массы его атома к 1/12 части массы атома углерода.
Относительная атомная масса химического элемента является величиной безразмерной и показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше атомной единицы массы.

Надеюсь урок 2 «Относительная атомная масса химических элементов» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Источник

Важной характеристикой отдельно взятого атома является его масса. Масса атома складывается из масс входящих в его состав протонов, нейтронов и электронов с учётом дефекта массы. Массой электронов в расчётах можно пренебрегать, так как она несоизмеримо мала по сравнению с массами покоя протона и нейтрона. Поэтому, вполне можно пользоваться понятием масса нуклида.

Напомним, что нуклид — это ядро атома с конкретным числом протонов и нейтронов.

Дефект массы – потеря ядром атома части массы при его синтезе из отдельных протонов и нейтронов.

Δm – изменение массы (кг); ΔЕ – изменение энергии (Дж); с – скорость света в вакууме (3∙10^8 м/с).

Данная формула свидетельствует, что при ядерном синтезе ядро теряет часть массы с выделяющейся энергией. Поэтому масса ядра атома всегда меньше суммы масс покоя входящих в состав ядра протонов и нейтронов.

Разность между суммой масс покоя нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в состав ядра и массой ядра и есть дефект массы.

Масса нуклида выраженная в килограммах называется абсолютной массой нуклида.

Во многих учебниках можно встретить информацию о том, что в расчётах величиной абсолютной массы, якобы, пользоваться не удобно, поэтому вводят величину относительной атомный массы. Но это заблуждение. Причина использования относительной атомной массы совершенно другая. Корни её кроются в истории.

Абсолютная масса очень маленькая величина. Для химиков и физиков 16-17 веков экспериментально её измерить было невозможно. Но даже в то время было важно проводить химические расчёты.

Первым учёным, решившим эту проблему, был Джон Дальтон, он предложил ввести величину относительной атомной массы (Аr). Относительной она называется потому, что вычисляется по отношению к массе произвольно выбранного эталона. Дальтон выбрал за эталон массу самого лёгкого атома — атома водорода и, принял её равной 1.

Относительные атомные массы известных на то время элементов рассчитывались Дальтоном на основе открытым им закона кратных отношений.

В настоящее время за эталон выбрана 1/12 часть абсолютной массы нуклида 12С. Этот эталон принято называть атомной единицей массы, сокращённо а.е.м.

Относительная масса нуклида – безразмерная величина, равная отношению абсолютной массы нуклида к 1/12 части массы нуклида 12C (атомной единице массы — а.е.м.).

Химический элемент представляет из себя смесь изотопов с определенной массовой долей каждого, поэтому можно вычислить усреднённую массу атома данного химического элемента, такая величина называется средней абсолютной массой атома элемента.

Средняя абсолютная масса атома элемента – масса атома элемента, выраженная в кг., вычисленная с учётом его изотопного состава.

Понятие относительной массы нуклида, не следует путать с понятием относительной атомной массы химического элемента. Не забываем, что элемент — это смесь изотопов. Поэтому относительная атомная масса элемента — величина средняя.

Относительная атомная масса элемента – безразмерная величина, равная отношению средней абсолютной массы атома элемента к 1/12 части массы нуклида 12С.

С учётом того, что отношение абсолютной массы нуклида к атомной единице массы есть ни что иное как относительная масса нуклида, выражение можно привести в виду:

Приведенную формулу мы будем использоваться для решения расчетных задач.

Задания по теме «Относительная атомная масса»

Природный магний состоит из изотопов 24Mg, 25Mg и 26Mg. Вычислить среднюю атомную массу природного магния, если содержание отдельных изотопов в процентах по массе соответственно равно 78,6; 10,1 и 11,3.
Природный галлий состоит из изотопов 71Ga и 69Ga. В каком количественном соотношении находятся между собой числа атомов этих изотопов, если средняя атомная масса галлия равна 69,72.
Определите относительную атомную массу бора, если известно, что молярная доля изотопа 10В составляет 19,6%, а изотопа 11B — 80,4%.
Медь имеет два изотопа: 63Cu и 65Cu. Молярные доли их в природной меди составляют 73 и 27% соответственно. Определите среднюю относительную атомную массу меди.
Определите относительную атомную массу элемента кремния, если он состоит из трёх изотопов: 28Si (молярная доля 92,3%), 29Si (4,7%) и 30Si (3,0%).
Природный хлор содержит два изотопа 35Cl и 37Сl. Относительная атомная масса хлора равна 35,45. Определите молярную долю каждого изотопа хлора.
Относительная атомная масса неона равна 20,2. Неон состоит из двух изотопов: 20Ne и 22Ne. Рассчитайте молярную долю каждого изотопа в природном неоне.
Природный бром содержит два изотопа. Молярная доля изотопа 79Br равна 55%. Какой ещё изотоп входит в состав элемента брома, если его относительная атомная масса равна 79,9.
Природный таллий представляет собой смесь изотопов 203Tl и 205Tl. На основании относительной атомной массы природного таллия Ar(Tl) = 204,38 определите изотопный состав таллия в % по массе.
Природный иридий представляет собой смесь изотопов 191Ir и 193Ir. На основании относительной атомной массы природного иридия Ar(Ir) = 192,22 определите изотопный состав иридия в % по массе.
Природный рений представляет собой смесь изотопов 185Re и 187Re. На основании относительной атомной массы природного рения Ar(Re) = 186,21 определите изотопный состав рения в % по массе.
Природный галлий представляет собой смесь изотопов 69Ga и 71Ga. На основании относительной атомной массы природного галлия Ar(Ga) = 69,72 определите изотопный состав галлия в % по массе.
Природный хлор состоит из двух стабильных изотопов 35Cl и 37Cl. Исходя из средней относительной атомной массы хлора, равной 35,45, рассчитайте изотопный состав хлора в процентах по массе.
Природное серебро состоит из двух стабильных изотопов 107Ag и 109Ag. Исходя из средней относительной атомной массы серебра, равной 107,87, рассчитайте изотопный состав серебра в процентах по массе.
Природная медь состоит из двух стабильных изотопов 63Cu и 65Cu. Исходя из средней относительной атомной массы меди, равной 63,55, рассчитайте изотопный состав меди в процентах по массе.
Природный бром состоит из двух стабильных изотопов 79Br и 81Br. Исходя из средней относительной атомной массы брома, равной 79,90, рассчитайте изотопный состав брома в процентах по массе.
Природный кремний состоит из 3,1% (по молям) изотопа 30Si (с атомной массой 29,9738), а также изотопов 29Si (с атомной массой 28,9765) и 28Si (с атомной массой 27,9770). Рассчитайте содержание в % (по молям) 29Si и 28Si.

Источник