От чего зависит атомная масса элемента. Относительная атомная масса элемента в химии и история её определения

АТОМНАЯ МАССА

(устаревший термин - атомный вес), относит. значение массы атома, выраженное

в атомных единицах массы. Дробная величина (в отличие от массового числа - суммарного числа нейтронов и протонов в атомном ядре). A.M. изотопов одного хим. элемента различны. За А. м. прир. элементов, состоящих из смеси изотопов, принимают среднее значение A.M. изотопов с учетом их процентного содержания. Эти значения указаны в периодич. системе элементов (исключение -трансурановые элементы, для к-рых приводятся массовые числа). A.M. определяют разл. методами; наиб. точный из них-масс-спектрометрия.

Понятие об этой величине претерпевало длительные изменения в соответствии с изменением представления об атомах. Согласно теории Дальтона (1803), все атомы одного и того же химического элемента идентичны и его атомная масса - это число, равное отношению их массы к массе атома некоего стандартного элемента. Однако примерно к 1920 стало ясно, что элементы, встречающиеся в природе, бывают двух типов: одни действительно представлены идентичными атомами, а у других атомы имеют одинаковый заряд ядра, но разную массу; такие разновидности атомов были названы изотопами. Определение Дальтона, таким образом, справедливо только для элементов первого типа. Атомная масса элемента, представленного несколькими изотопами, есть средняя величина из массовых чисел всех его изотопов, взятых в процентном отношении, отвечающем их распространенности в природе. В 19 в. в качестве стандарта при определении атомных масс химики использовали водород или кислород. В 1904 за стандарт была принята 1/16 средней массы а...

Атомная масса

атомный вес, значение массы атома, выраженное в атомных единицах массы (См. Атомные единицы массы). Применение особой единицы для измерения А. м. связано с тем, что массы атомов чрезвычайно малы (10 -22 -10 -24 г ) и выражать их в граммах неудобно. За единицу А. м. принята 1 / 12 часть массы изотопа атома углерода 12 C. Масса углеродной единицы (сокращённо у. е.) равна (1,660 43 ± 0,00031)·10 -24 г. Обычно при указании А. м. обозначение «у. е.» опускают.

Понятие «А. м.» ввёл Дж. Дальтон (1803). Он же впервые определил А. м. Обширные работы по установлению А. м. были выполнены в 1-й половине 19 в. Я. Берцелиусом, позднее Ж. С. Стасом и Т. У. Ричардсом. В 1869 Д...

Атомная масса

Одной из основных характеристик любого химического элемента является его относительная атомная масса.

(Атомная единица массы - это 1/12 массы атома углерода, масса которого принимается равной 12 а. е. м. и составляет 1,66 10 24 г.

Сравнивая массы атомов элементов с одной а.е.м., находят численные значения относительной атомной массы (Аг).

Относительная атомная масса элемента показывает, во сколько раз масса его атома больше 1/12 массы атома углерода.

Например, для кислорода Аг (О) = 15,9994, а для водорода Аг (Н) = 1,0079.

Для молекул простых и сложных веществ определяют относительную молекулярную массу, которая численно рав­на сумме атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы. Например, молекулярная масса воды Н2 О

Мг (Н2O) = 2 1,0079 + 1 15,9994 = 18,0153.

Закон авогадро

В химии наряду с единицами массы и объёма используется единица количества вещества, называемая молем.

!МОЛЬ (v ) - единица измерения количества вещества, содержащего столько структурных единиц (молекул, атомов, ионов), сколько атомов содержится в 0,012 кг (12 г) изотопа углерода "С’’.

Это означает, что 1 моль любого вещества содержит одно и то же число структурных единиц, равное 6,02 10 23 . Эта величина носит название постоянной Авогадро (обозначение N А , размерность 1/моль).

Итальянский ученый Амадео Авогадро в 1811 году выдвинул гипотезу, которая в дальнейшем была подтверждена опытными данными и получила впоследствии название закона Авогадро. Он обратил внимание на то, что все газы одинаково сжимаются (закон Бойля-Мариотта) и обладают одинаковыми коэффициентами термального расшире­ния (закон Гей-Люссака). В связи с этим он предположил, что:

в равных объёмах различных газов, находящихся при одинаковых условиях, содержится одинаковое число молекул.

При одинаковых условиях (обычно говорят о нормальных условиях: абсолютное давление равно 1013 миллибар и температура 0° С) расстояние между молекулами у всех газов одинаково, а объём молекул ничтожно мал. Учитывая все вышесказанное, можно сделать предположение:

!если в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул, то и массы, в которых содержится одинаковое число молекул,должны иметь одинаковые объёмы.

Другими словами,

При одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает одинаковый объем. При норальных условиях 1 моль любого газа занимает объем v , равный 22,4 л. Этот объем называется молярным объемом газа (размерность л/моль или м ³ /моль).

Точное значение молярного объёма газа при нормальных условиях (давление 1013 миллибар и температу­ра 0° С) составляет 22,4135 ± 0,0006 л/моль. При стандартных условиях (t =+15° С, давление = 1013 мбар) 1 моль газа занимает объём 23,6451 л, а при t =+20° С и давлении 1013 мбар 1 моль занимает объём около 24,2 л.

В численном выражении молярная масса совпадает с массами атомов и молекул (в а. е. м.) и с относительными атомными и молекулярными массами.

Следовательно, 1 моль любого вещества имеет такую массу в граммах, которая численно равна молекулярной массе данного вещества, выраженной в атомных единицах массы.

Например, М(O2) = 16 а. е. м. 2 = 32 а. е. м., таким образом, 1 моль кислорода соответствует 32 г. Плотности газов, измеренные при одинаковых условиях, относятся как их молярные массы. Так как при перевозке сжиженных газов на газовозах основным объектом практических задач являются молекуляр­ные вещества (жидкости, пары, газы), то и основными искомыми величинами будут молярная масса М (г/моль), количество вещества v в молях и масса т вещества в граммах или килограммах.

Зная химическую формулу того или иного газа, можно решить некоторые практические задачи, возникающие при транспортировке сжиженных газов.

Пример 1. В дек-танке находится 22 т сжиженного этилена (С 2 Н 4 ). Необходимо определить, достаточно ли на борту груза, для того чтобы продуть три грузовых танка объёмом 5000 м 3 каждый, если после продувки температура танков будет составлять 0° С, а давление 1013 миллибар.

1. Определяем молекулярную массу этилена:

М = 2 12,011 + 4 1,0079 = 28,054 г/моль.

2. Рассчитываем плотность паров этилена при нормальных условиях:

ρ = M/V = 28,054: 22,4 = 1,232 г/л.

3. Находим объём паров груза при нормальных условиях:

22∙10 6: 1,252= 27544 м 3 .

Общий объём грузовых танков составляет 15000 м 3 . Следовательно, на борту достаточно груза, для того чтобы продуть все грузовые танки парами этилена.

Пример 2 . Необходимо определить, какое количество пропана (С 3 Н 8 ) потребуется для продувки грузовых танков общей вместимостью 8000 м 3 , если температура танков составляет +15° С, а давление паров пропана в танке после окончания продувки не будет превышать 1013 миллибар.

1. Определим молярную массу пропана С 3 Н 8

М = 3 12,011 + 8 1,0079 = 44,1 г/моль.

2. Определим плотность паров пропана после продувки танков:

ρ = М: v = 44,1: 23,641 = 1,865 кг/м 3 .

3. Зная плотность паров и объём, определяем общее количество пропана, необходимое для продувки танка:

m = ρ v = 1,865 8000 = 14920 кг ≈ 15 т.

В процессе развития науки химия столкнулась с проблемой подсчёта количества вещества для проведения реакций и полученных в их ходе веществ.

На сегодня для подобных расчётов химической реакции между веществами и смесями используют значение относительной атомной массы, внесённой в периодическую таблицу химических элементов Д. И. Менделеева.

Химические процессы и влияние доли элемента в веществах на ход реакции

Современная наука под определением «относительная атомная масса химического элемента» подразумевает, во сколько раз масса атома данного химического элемента больше одной двенадцатой части атома углерода.

С зарождением эры химии потребность в точных определениях хода химической реакции и её результатов росла.

Поэтому химики постоянно пытались решить вопрос о точных массах взаимодействующих элементов в веществе. Одним из лучших решений на то время была привязка к самому лёгкому элементу. И вес его атома был взят за единицу.

Исторический ход подсчёта вещества

Изначально использовался водород, затем кислород. Но этот способ расчёта оказался неточным. Причиной тому послужило наличие в кислороде изотопов с массой 17 и 18.

Поэтому, имея смесь изотопов, технически получали число, отличное от шестнадцати. На сегодня относительная атомная масса элемента рассчитывается исходя из принятого за основу веса атома углерода, в соотношении 1/12.

Дальтон заложил основы относительной атомной массы элемента

Лишь спустя некоторое время, в 19-м веке, Дальтон предложил вести расчёт по самому лёгкому химическому элементу - водороду. На лекциях своим студентам он демонстрировал на вырезанных из дерева фигурках, как соединяются атомы. По другим элементам он использовал данные, ранее полученные другими учёными.

По экспериментам Лавуазье в воде содержится пятнадцать процентов водорода и восемьдесят пять процентов кислорода. Имея эти данные, Дальтон рассчитал, что относительная атомная масса элемента, входящего в состав воды, в данном случае кислорода, составляет 5,67. Ошибочность его расчётов связана с тем, что он считал неверно относительно количества атомов водорода в молекуле воды.

По его мнению, на один атом кислорода приходился один атом водорода. Воспользовавшись данными химика Остина о том, что в составе аммиака 20 процентов водорода и 80 процентов азота, он рассчитал, чему равна относительная атомная масса азота. Имея этот результат, он пришёл к интересному выводу. Получалось, что относительная атомная масса (формула аммиака ошибочно была принята с одной молекулой водорода и азота) составляет четыре. В своих расчетах ученый опирался на периодическую систему Менделеева. По анализу он рассчитал, что относительная атомная масса углерода - 4,4, вместо принятых до этого двенадцати.

Несмотря на свои серьёзные промашки, именно Дальтон первым создал таблицу некоторых элементов. Она претерпела неоднократные изменения ещё при жизни учёного.

Изотопная составляющая вещества влияет на значение точности относительного атомного веса

При рассмотрении атомных масс элементов можно заметить, что точность по каждому элементу разная. К примеру, по литию она четырёхзначная, а по фтору - восьмизначная.

Проблема в том, что изотопная составляющая каждого элемента своя и непостоянна. Например, в обычной воде содержится три типа изотопа водорода. В их число, кроме обычного водорода, входит дейтерий и тритий.

Относительная атомная масса изотопов водорода составляет соответственно два и три. «Тяжёлая» вода (образованная дейтерием и тритием) испаряется хуже. Поэтому в парообразном состоянии изотопов воды меньше, чем в жидком состоянии.

Избирательность живых организмов к различным изотопам

Живые организмы обладают селективным свойством по отношению к углероду. На построение органических молекул используют углерод с относительной атомной массой, равной двенадцати. Поэтому вещества органического происхождения, а также ряд полезных ископаемых, таких как уголь и нефть, содержат меньше изотопной составляющей, чем неорганические материалы.
Микроорганизмы, перерабатывающие и накапливающие серу, оставляют после себя изотоп серы 32. В зонах, где бактерии не перерабатывают, доля изотопа серы - 34, то есть гораздо выше. Именно на основании соотношения серы в породах почвы геологи приходят к выводу о природе происхождения слоя - магматическую природу он имеет или же осадочную.

Из всех химических элементов только один не имеет изотопов - фтор. Поэтому его относительная атомная масса более точная, чем других элементов.

Существование в природе нестабильных веществ

У некоторых элементов относительная масса указана в квадратных скобках. Как видно, это элементы, расположенные после урана. Дело в том, что они не имеют устойчивых изотопов и распадаются с выделением радиоактивного излучения. Поэтому в скобках указан наиболее устойчивый изотоп.

Со временем выяснилось, что у некоторых из них возможно получить в искусственных условиях устойчивый изотоп. Пришлось менять в периодической таблице Менделеева атомные массы некоторых трансурановых элементов.

В процессе синтеза новых изотопов и измерения их продолжительности жизни порой удавалось обнаружить нуклиды с продолжительностью полураспада в миллионы раз дольше.

Наука не стоит на месте, постоянно открываются новые элементы, законы, взаимосвязи различных процессов в химии и природе. Поэтому, в каком виде окажется химия и периодическая система химических элементов Менделеева в будущем, лет через сто, - является туманным и неопределённым. Но хочется верить, что накопленные за прошедшие века труды химиков послужат новому, более совершенному знанию наших потомков.

Содержание статьи

АТОМНАЯ МАССА. Понятие об этой величине претерпевало длительные изменения в соответствии с изменением представления об атомах. Согласно теории Дальтона (1803), все атомы одного и того же химического элемента идентичны и его атомная масса – это число, равное отношению их массы к массе атома некоего стандартного элемента. Однако примерно к 1920 стало ясно, что элементы, встречающиеся в природе, бывают двух типов: одни действительно представлены идентичными атомами, а у других атомы имеют одинаковый заряд ядра, но разную массу; такие разновидности атомов были названы изотопами. Определение Дальтона, таким образом, справедливо только для элементов первого типа. Атомная масса элемента, представленного несколькими изотопами, есть средняя величина из массовых чисел всех его изотопов, взятых в процентном отношении, отвечающем их распространенности в природе.

В 19 в. в качестве стандарта при определении атомных масс химики использовали водород или кислород. В 1904 за стандарт была принята 1/16 средней массы атома природного кислорода (кислородная единица) и соответствующая шкала получила название химической. Масс-спектрографическое определение атомных масс проводилось на основе 1/16 массы изотопа 16 О, и соответствующая шкала называлась физической. В 1920-х годах было установлено, что природный кислород состоит из смеси трех изотопов: 16 О, 17 О и 18 О. В связи с этим возникли две проблемы. Во-первых, оказалось, что относительная распространенность природных изотопов кислорода немного варьирует, а значит, в основе химической шкалы лежит величина, не являющаяся абсолютной константой. Во-вторых, у физиков и химиков получались разные значения таких производных констант, как молярные объемы, число Авогадро и др. Решение вопроса было найдено в 1961, когда за атомную единицу массы (а.е.м.) была принята 1/12 массы изотопа углерода 12 С (углеродная единица). (1 а.е.м., или 1D (дальтон), в СИ-единицах массы составляет 1,66057Ч10 –27 кг.) Природный углерод также состоит из двух изотопов: 12 С – 99% и 13 С – 1%, но новые величины атомных масс элементов связаны только с первым из них. В результате была получена универсальная таблица относительных атомных масс. Изотоп 12 С оказался удобным и для физических измерений.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Атомную массу можно определить либо физическими, либо химическими методами. Химические методы отличаются тем, что на одном из этапов в них фигурируют не сами атомы, а их комбинации.

Химические методы.

Согласно атомной теории, числа атомов элементов в соединениях относятся между собой как небольшие целые числа (закон кратных отношений, который открыт Дальтоном). Поэтому для соединения известного состава можно определить массу одного из элементов, зная массы всех других. В некоторых случаях массу соединения можно измерить непосредственно, но обычно ее находят косвенными методами. Рассмотрим оба этих подхода.

Атомную массу Al недавно определили следующим образом. Известные количества Al были превращены в нитрат, сульфат или гидроксид и затем прокалены до оксида алюминия (Al 2 O 3), количество которого точно определяли. Из соотношения между двумя известными массами и атомными массами алюминия и кислорода (15,9)

нашли атомную массу Al. Однако прямым сравнением с атомной массой кислорода можно определить атомные массы лишь немногих элементов. Для большинства элементов их определяли косвенным путем, анализируя хлориды и бромиды. Во-первых, эти соединения для многих элементов можно получить в чистом виде, во-вторых, для их точных количественных определений в распоряжении химиков имеется чувствительный аналитический метод, основанный на сравнении их масс с массой серебра. Для этого точно определяют массу анализируемых соединений и массу серебра, необходимого для взаимодействия с ними. Атомную массу нужного элемента рассчитывают исходя из атомной массы серебра – эталонной величины в подобных определениях. Атомную массу серебра (107,870) в углеродных единицах определяли косвенным химическим методом.

Физические методы.

В середине 20 в. существовал только один физический метод определения атомных масс, сегодня наиболее широко применяют четыре.

Плотность газа.

Самый первый физический метод основывался на определении плотности газа и на том, что в соответствии с законом Авогадро равные объемы газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Следовательно, если определенный объем чистого СО 2 имеет массу, в 1,3753 большую, чем такой же объем кислорода в тех же условиях, то молекула СО 2 должна быть в 1,3753 раза тяжелее молекулы кислорода (мол. масса О 2 = 31,998), т.е. масса молекулы СО 2 по химической шкале равна 44,008. Если из этой величины вычесть массу двух атомов кислорода, равную 31,998, мы получим атомную массу углерода – 12,01. Чтобы получить более точное значение, необходимо ввести ряд поправок, что усложняет этот метод. Тем не менее с его помощью были получены некоторые весьма ценные данные. Так, после открытия благородных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe) метод, основанный на измерении плотности, оказался единственно пригодным для определения их атомных масс.

Масс-спектроскопия.

Вскоре после Первой мировой войны Ф.Астон создал первый масс-спектроскоп для точного определения массовых чисел различных изотопов и тем самым открыл новую эру в истории определения атомных масс. Сегодня существует два основных типа масс-спектроскопов: масс-спектрометры и масс-спектрографы (последним является, например, прибор Астона). Масс-спектрограф предназначен для изучения поведения потока электрически заряженных атомов или молекул в сильном магнитном поле. Отклонение заряженных частиц в этом поле пропорционально отношению их масс к заряду, а регистрируют их в виде линий на фотопластинке. Сравнивая положения линий, отвечающих определенным частицам, с положением линии для элемента с известной атомной массой, можно с достаточной точностью определить атомную массу нужного элемента. Хорошей иллюстрацией метода является сравнение массы молекулы СН 4 (метана) с массовым числом самого легкого изотопа кислорода 16 О. Одинаково заряженные ионы метана и 16 О одновременно впускают в камеру масс-спектрографа и регистрируют их положение на фотопластинке. Различие в положении их линий отвечает разности масс 0,036406 (по физической шкале). Это значительно более высокая точность, чем может дать любой химический метод.

Если исследуемый элемент не имеет изотопов, то определение его атомной массы не составляет особого труда. В противном случае необходимо определить не только массу каждого изотопа, но и их относительное содержание в смеси. Эту величину не удается определить с достаточной точностью, что ограничивает применение масс-спектрографического метода для нахождения атомных масс изотопических элементов, особенно тяжелых. Недавно с помощью масс-спектрометрии удалось установить с высокой точностью относительное содержание двух изотопов серебра, 107 Ag и 109 Ag. Измерения были выполнены в Национальном бюро стандартов США. Используя эти новые данные и более ранние измерения масс изотопов серебра, уточнили значение атомной массы природного серебра. Теперь эта величина считается равной 107,8731 (химическая шкала).

Ядерные реакции.

Для определения атомных масс некоторых элементов можно использовать соотношение между массой и энергией, полученное Эйнштейном. Рассмотрим реакцию бомбардировки ядер 14 N быстрыми ядрами дейтерия с образованием изотопа 15 N и обычного водорода 1 Н:

14 N + 2 H = 15 N + 1 H + Q

В результате реакции выделяется энергия Q = 8 615 000 эВ, которая в соответствии с уравнением Эйнштейна эквивалентна 0,00948 а.е.м. Значит, масса 14 N + 2 H превышает массу 15 N + 1 H на 0,00948 а.е.м., и если мы знаем массовые числа трех любых изотопов – участников реакции, то можем найти массу четвертого. Метод позволяет определить разность массовых чисел двух изотопов с большей точностью, чем масс-спектрографический.

Рентгенография.

Этим физическим методом можно определять атомные массы веществ, которые при обычной температуре образуют регулярную кристаллическую решетку. Метод основан на связи между атомной (или молекулярной) массой кристаллического вещества, его плотностью, числом Авогадро и неким коэффициентом, который определяют из расстояний между атомами в кристаллической решетке. Необходимо провести прецизионные измерения двух величин: постоянной решетки рентгенографическими методами и плотности методом пикнометрии. Применение метода ограничивается трудностями получения чистых совершенных кристаллов (без вакансий и дефектов любого рода).

Уточнение атомных масс.

Все измерения атомных масс, которые были выполнены более 20 лет назад, проводились химическими методами или методом, основанным на определении плотности газов. В последнее же время данные, получаемые масс-спектрометрическими и изотопными методами, совпадают с такой высокой точностью, что Международная комиссия по атомным массам решила скорректировать атомные массы 36 элементов, причем 18 из них не имеют изотопов.
См. также