Атомная масса 21. Относительная атомная масса элемента в химии и история её определения

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.

Массы атомов и молекул очень малы, поэтому в качестве единицы измерения удобно выбрать массу одного из атомов и выражать массы остальных атомов относительно нее. Именно так и поступал основоположник атомной теории Дальтон, который составил таблицу атомных масс, приняв массу атома водорода за единицу.

До 1961 года в физике за атомную единицу массы (а.е.м. сокращенно) принимали 1/16 массы атома кислорода 16 О, а в химии - 1/16 средней атомной массы природного кислорода, который является смесью трех изотопов. Химическая единица массы была на 0,03% больше, чем физическая.

В настоящее время за в физике и химии принята единая система измерения. В качестве стандартной единицы атомной массы выбрана 1/12 часть массы атома углерода 12 С.

1 а.е.м. = 1/12 m(12 С) = 1,66057×10 -27 кг = 1,66057×10 -24 г.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительная атомная масса элемента (A r) - это безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента к 1/12 массы атома 12 С.

При расчете относительной атомной массы учитывается распространенность изотопов элементов в земной коре. Например, хлор имеет два изотопа 35 Сl (75,5%) и 37 Сl (24,5%).Относительная атомная масса хлора равна:

A r (Cl) = (0,755×m(35 Сl) + 0,245×m(37 Сl)) / (1/12×m(12 С) = 35,5.

Из определения относительной атомной массы следует, что средняя абсолютная масса атома равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м.:

m(Cl) = 35,5 ×1,66057×10 -24 = 5,89×10 -23 г.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

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.

Одним из фундаментальных свойств атомов, является их масса. Абсолютная (истинная) масса атома – величина чрезвычайно малая. Взвесить атомы на весах невозможно, поскольку таких точных весов не существует. Их массы были определены с помощью расчетов.

Например, масса одного атома водорода равна 0,000 000 000 000 000 000 000 001 663 грамма! Масса атома урана – одного из самых тяжелых атомов, составляет приблизительно 0,000 000 000 000 000 000 000 4 грамма.

Точное значение массы атома урана – 3,952 ∙ 10−22 г, а атома водорода, самого легкого среди всех атомов, – 1,673 ∙ 10−24 г.

Производить расчеты с малыми числами неудобно. Поэтому вместо абсолютных масс атомов используют их относительные массы.

Относительная атомная масса

О массе любого атома можно судить, сравнивая ее с массой другого атома (находить отношение их масс). С момента определения относительных атомных масс элементов использовались различные атомы в качестве сравнения. Своеобразными эталонами для сравнения в свое время были атомы водорода и кислорода.

Единая шкала относительных атомных масс и новая единица атомной массы, принята Международным съездом физиков (1960) и унифицирована Международным съездом химиков (1961).

По сегодняшний день эталоном для сравнения является 1/12 часть массы атома углерода. Данное значение называют атомной единицей массы, сокращенно а.е.м

Атомная единица массы (а.е.м.) – масса 1/12 части атома углерода

Сравним, во сколько раз отличается абсолютная масса атома водорода и урана от 1 а.е.м., для этого разделим эти числа одно на другое:

Полученные при расчетах значения и являются относительными атомными массами элементов – относительно 1/12 массы атома углерода.

Так, относительная атомная масса водорода приблизительно равна 1, а урана – 238. Обратите внимание, что относительная атомная масса не имеет единиц измерения, так как при делении единицы измерения абсолютных масс (граммы) сокращаются.

Относительные атомные массы всех элементов указаны в Периодической Системе химических элементов Д.И. Менделеева. Символ, при помощи которого обозначают относительную атомную массу – Аr (буква r – сокращение от слова relative, что означает относительный).

Значения относительных атомных масс элементов используются во многих расчетах. Как правило, значения, приведенные в Периодической Системе, округляются до целых чисел. Обратите внимание, что элементы в Периодической Системе размещены в порядке увеличения относительных атомных масс.

Например, при помощи Периодической Системы определим относительные атомные массы ряда элементов:

Ar(O) = 16; Ar(Na) = 23; Ar(P) = 31.
Относительную атомную массу хлора принято записывать равной 35,5!
Ar(Сl) = 35,5

• Относительные атомные массы пропорциональны абсолютным массам атомов
• Эталоном для определения относительной атомной массы является 1/12 часть массы атома углерода
• 1 а.е.м. = 1,662 ∙ 10−24 г
• Относительную атомную массу обозначают Ar
• Для расчетов значения относительных атомных масс округляют до целых, исключение – хлор, для которого Ar = 35,5
• Относительная атомная масса не имеет единиц измерения

В настоящее время атомная единица массы принята равной 1/12 массы нейтрального атома наиболее распространённого изотопа углерода 12 C , поэтому атомная масса этого изотопа по определению равна точно 12. 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.

История

До 1960-х годов атомную массу определяли таким образом, чтобы нуклид кислород-16 имел атомную массу 16 (кислородная шкала). Однако соотношение кислорода-17 и кислорода-18 в природном кислороде , который также использовался в расчётах атомной массы, приводило к наличию двух разных таблиц атомных масс. Химики использовали шкалу, основанную на том, что естественная смесь изотопов кислорода должна была иметь атомную массу 16, тогда как физики присваивали то же число 16 атомной массе наиболее распространённого изотопа кислорода (имеющего восемь протонов и восемь нейтронов).

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Атомная масса" в других словарях:

Масса атома, выраженная в атомных единицах массы. Атомная масса меньше суммы масс, составляющих атом частиц (протонов, нейтронов, электронов), на величину, обусловленную энергией их взаимодействия (см., напр., Дефект массы) … Большой Энциклопедический словарь

Atomic mass масса атома химического элемента, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.). За 1 а.е.м. принята 1/12 часть массы изотопа углерода с атомной массой 12. 1 а.е.м.=1,6605655·10 27 кг. Атомная масса складывается из масс всех протонов и … Термины атомной энергетики

атомная масса - – масса атомов элемента, выраженная в атомных единицах массы. Масса такого количества элемента, в котором содержится то же число атомов, что и в 12 г изотопа 12C. Общая химия: учебник / А. В. Жолнин … Химические термины

АТОМНАЯ МАССА - безразмерная величина. А. м. масса атома хим. элемента, выраженная в атомных единицах (см.) … Большая политехническая энциклопедия

- (устаревший термин атомный вес), относительное значение массы атома, выраженное в атомных единицах массы (а. е. м.). А. м. меньше суммы масс составляющих атом ч ц на дефект масс. А. м. была взята Д. И. Менделеевым за осн. хар ку элемента при… … Физическая энциклопедия

атомная масса - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN atomic weight … Справочник технического переводчика

Масса атома, выраженная в атомных единицах массы. За атомную массу химического элемента, состоящего из смеси изотопов, принимают среднее значение атомной массы изотопов с учётом их процентного содержания (эта величина приведена в периодической… … Энциклопедический словарь

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… … Энциклопедия Кольера

атомная масса - santykinė atominė masė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Cheminio elemento vidutinės masės ir nuklido ¹²C atomo masės 1/12 dalies dalmuo. atitikmenys: angl. atomic mass; atomic weight; relative atomic mass vok. Atommasse …

атомная масса - santykinė atominė masė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Vidutinės elemento atomų masės ir 1/12 nuklido ¹²C atomo masės dalmuo. atitikmenys: angl. atomic mass; atomic weight; relative atomic mass vok. Atommasse, f;… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas