Как узнать массу атома. Относительная атомная масса химических элементов

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

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Железо - двадцать шестой элемент Периодической таблицы. Обозначение - Fe от латинского «ferrum». Расположен в четвертом периоде, VIIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 26.

Железо - самый распространенный после алюминия металл на земном шаре: оно составляет 4% (масс.) земной коры. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном состоянии железо находят только в метеоритах.

К важнейшим рудам железа относятся магнитный железняк Fe 3 O 4 , красный железняк Fe 2 O 3 , бурый железняк 2Fe 2 O 3 ×3H 2 O и шпатовый железняк FeCO 3 .

Железо - серебристый (рис. 1) пластичный металл. Оно хорошо поддается ковке, прокатке и другим видам механической обработки. Механические свойства железа сильно зависят от его чистоты - от содержания в нем даже весьма малых количеств других элементов.

Рис. 1. Железо. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса железа

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) - во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 55,847.

Аллотропия и аллотропные модификации железа

Железо образует две кристаллические модификации: α-железо и γ-железо. Первая из них имеет кубическую объемноцентрированную решетку, вторая - кубическую гранецентрированную. α-Железо термодинамически устойчиво в двух интервалах температур: ниже 912 o С и от 1394 o С до температуры плавления. Температура плавления железа равна 1539 ± 5 o С. Между 912 o С и от 1394 o С устойчиво γ-железо.

Температурные интервалы устойчивости α- и γ-железа обусловлены характером изменения энергии Гиббса обеих модификаций при изменении температуры. При температурах ниже 912 o С и выше 1394 o С энергия Гиббса α-железа меньше энергии Гиббса γ-железа, а в интервале 912 - 1394 o С - больше.

Изотопы железа

Известно, что в природе железо может находиться в виде четырех стабильных изотопов 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe и 57 Fe. Их массовые числа равны 54, 56, 57 и 58 соответственно. Ядро атома изотопа железа 54 Fe содержит двадцать шесть протонов и двадцать восемь нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные изотопы железа с массовыми числами от 45-ти до 72-х, а также 6 изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущим среди вышеперечисленных изотопов является 60 Fe с периодом полураспада равным 2,6 млн. лет.

Ионы железа

Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов железа выглядит следующим образом:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

В результате химического взаимодействия железо отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Fe 0 -2e → Fe 2+ ;

Fe 0 -3e → Fe 3+ .

Молекула и атом железа

В свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу железа:

Сплавы железа

До XIX века из сплавов железа были известны в основном его сплавы с углеродом, получившие названия стали и чугуна. Однако в дальнейшем были созданы новые сплавы на основе железа, содержащие хром, никель и другие элементы. В настоящее время сплавы железа подразделяют на углеродистые стали, чугуны, легированные стали и стали с особыми свойствами.

В технике сплавы железа принято называть черными металлами, а их производство - черной металлургией.

Примеры решения задач

Задание	Элементарный состав вещества следующий: массовая доля элемента железа 0,7241 (или 72,41%), массовая доля кислорода 0,2759 (или 27,59%). Выведите химическую формулу.
Решение	Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле: ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Обозначим число атомов железа в молекуле через «х», число атомов кислорода через «у». Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов железа и кислорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел). Ar(Fe) = 56; Ar(O) = 16. Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения: x:y= ω(Fe)/Ar(Fe) : ω(O)/Ar(O); x:y = 72,41/56: 27,59/16; x:y = 1,29: 1,84. Наименьшее число примем за единицу (т.е. все числа разделим на наименьшее число 1,29): 1,29/1,29: 1,84/1,29; Следовательно, простейшая формула соединения железа с кислородом имеет вид Fe 2 O 3 .
Ответ	Fe 2 O 3

Физические свойства железа зависят от супеню его чистоты. Чистое железо достаточно пластичным металлом серебристо-белого цвета. Плотность железа составляет 7,87 г/см 3 . Температура плавления составляет 1539 ° С. В отличие от многих других металлов, железо проявляет магнитные свойства.

Чистое железо на воздухе достаточно устойчивым. В практической деятельности железо применяется, содержащего примеси. При нагревании железо является достаточно активным в отношении многих неметаллов. Рассмотрим химические свойства железа на примере взаимодействия с типичными неметаллами: кислородом и серой.

При сгорании железа в кислороде образуется соединение железа с кислорода, которая получила название железная окалина. Реакция сопровождается выделением тепла и света. Составим уравнение химической реакции:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4

При нагревании железо бурно реагирует с серой с образованием феррум (II) сульфида. Реакция также сопровождается выделением тепла и света. Составим уравнение химической реакции:

Железо широко применяется в промышленности и быту. Железный век - эпоха в развитии человечества, которая началась в начале первого тысячелетия до нашей эры в связи с распространением выплавки железа и изготовление железного орудия труда и военного оружия. Железный век пришел на смену бронзовому возраста. Сталь впервые появилась в Индии в десятом веке до нашей эры, чугун - только в средние века. Чистое железо используется для изготовления сердечников трансформаторов и электромагнитов, а также в производстве специальных сплавов. Больше всего на практике используют сплавы железа: чугун и сталь. Чугун применяется в производстве литья и стали, сталь - как конструкционный и инструментальный материалы, которые проявляют устойчивость к коррозии.

Под влиянием кислорода воздуха и влаги железные сплавы превращаются в ржавчину. Продукт ржавления можно описать химической формулой Fe 2 O 3 · хH 2 O. Одна шестая часть выплавляемого чугуна, погибает от ржавления, поэтому вопрос борьбы с коррозией является весьма актуальным. Методы защиты от коррозии весьма разнообразны. Важнейшие из них: защита поверхности металла покрытием, создание сплавов с антикоррозийными свойствами, электрохимические средства, изменение состава среды. Защитные покрытия делят на две группы: металлические (покрытие железа цинком, хромом, никелем, кобальтом, медью) и неметаллические (лаки, краски, пластмассы, резина, цемент). При введении в состав сплавов специальных добавок получают нержавеющую сталь.

Железо. Распространенность железа в природе

Железо. Распространенность железа в природе. Биологическая роль железа

Второй важный химический элемент после кислорода, свойства которого будут изучаться, - это Ферум. Железо является металлическим элементом, который образует простое вещество - железо. Железо входит в состав восьмой группы побочной подгруппы периодической системы . Согласно номеру группы максимальная валентность железа должна составлять восемь, однако в соединениях Ферум чаще проявляет валентность два и три, а также известные соединения с валентностью железа шесть. Относительная атомная масса железа равно пятьдесят шесть.

По распространенной в составе земной коры Ферум занимает среди металлических элементов второе место после алюминия. Массовая доля железа в земной коре составляет почти пять процентов. В самородном состоянии железо встречается очень редко, обычно лишь в виде метеоритов. Именно в этом виде наши предки и смогли впервые познакомиться с железом и оценить его как очень хороший материал для изготовления орудий труда. Считается, что железо является главной составляющей ядра земного шара. Чаще Ферум встречается в природе в составе руд. Важнейшими из них являются: магнитный железняк (магнетит) Fe 3 O 4 , красный железняк (гематит) Fe 2 O 3 , бурый железняк (лимонит) Fe 2 O 3 · nH 2 O, железный колчедан (пирит) FeS 2 , шпатовый железняк (сидерит) FeСO3, гетит FeO (OH). В водах многих минеральных источников содержится Fe (НСO 3) 2 и некоторые другие соли железа.

Железо является жизненно важным элементом. В организме человека, как и животных, феррум присутствует во всех тканях, однако наибольшая его часть (примерно три грамма) сосредоточена в кровяных шариках. Атомы железа занимают центральное положение в молекулах гемоглобина, им гемоглобин обязан своей окраской и способностью присоединять отщеплять кислород. Железо участвует в процессе переноса кислорода от легких к тканям организма. Суточная потребность организма в Ферум составляет 15-20 мг. Общая его количество попадает в организм человека с растительной пищей и мясом. При потере крови потребность в Ферум превышает количество, которое человек получает с пищей. Недостаток железа в организме может привести к состоянию, которое характеризуется уменьшением количества эритроцитов и гемоглобина крови. Медицинские препараты железа следует принимать только по назначению врача.

Химические свойства кислорода. Реакции соединения

Химические свойства кислорода. Реакции соединения. Понятие оксиды, окисления и горения. Условия возникновения и прекращения горения

Кислород при нагревании энергично реагирует со многими веществами. Если в сосуд с кислородом внести раскаленный древесный уголь С, то оно раскаляется добела и сгорает. Составим уравнение химической реакции:

С + ONaHCO 2 = CONaHCO 2

Сера S горит в кислороде ярким синим пламенем с образованием газообразного вещества - сернистого газа. Составим уравнение химической реакции:

S + ONaHCO 2 = SONaHCO 2

Фосфор Р сгорает в кислороде ярким пламенем с образованием густого белого дыма, который состоит из твердых частиц фосфор (V) оксида. Составим уравнение химической реакции:

4P + 5ONaHCO 2 = 2PNaHCO 2 ONaHCO 5

Уравнения реакций взаимодействия кислорода с углем, серой и фосфором объединяет то, что из двух исходных веществ в каждом из случаев образуется одно вещество. Такие реакции, в результате которых из нескольких исходных веществ (реагентов) образуется только одно вещество (продукт), называются реакциями сообщения.

Продукты взаимодействия кислорода с рассмотренными веществами (углем, серой, фосфором) является оксидами. Оксидами называют сложные вещества, содержащие два элемента, один из которых кислород. Почти все химические элементы образуют оксиды, за исключением некоторых инертных элементов: гелия, неона, аргона, криптона и ксенона. Есть некоторые химические элементы, которые непосредственно не сочетаются с кислородом, например, Аурум.

Химические реакции взаимодействия веществ с кислородом называют реакциями окисления. Понятие "окисления" является более общим, чем понятие "горения". Горение - это химическая реакция, при которой происходит окисление веществ сопровождается выделением тепла и света. Для возникновения горения необходимы следующие условия: тесный контакт воздуха с горючим веществом и нагрев до температуры воспламенения. Для различных веществ температура воспламенения имеет разные значения. Например, температура воспламенения древесной пыли составляет 610 ° С, серы - 450 ° С, белого фосфора 45 - 60 ° С. Для того чтобы предотвратить возникновение горения, необходимо возбудить хотя бы одно из указанных условий. То есть надо удалить горючее вещество, охладить его ниже температуры воспламенения перекрыть доступ кислорода. Процессы горения сопровождают нас в повседневно жизни, поэтому каждый человек должен знать условия возникновения и прекращения горения, а также соблюдать необходимые правила обращения с огнеопасными веществами.

Круговорот кислорода в природе

Круговорот кислорода в природе. Применение кислорода, его биологическая роль

Примерно четвертая часть атомов всей живой материи приходится на долю кислорода. Поскольку общее количество атомов кислорода в природе неизменно, с удалением кислорода из воздуха вследствие дыхания и других процессов должно происходить его пополнения. Важнейшими источниками кислорода в неживой природе является углекислый газ и вода. Кислород попадает в атмосферу главным образом в результате процесса фотосинтеза, в котором участвует это-о-два. Важным источником кислорода является атмосфера Земли. Часть кислорода образуется в верхних частях атмосферы вследствие диссоциации воды под действием солнечного излучения. Часть кислорода выделяется зелеными растениями в процессе фотосинтеза с аш-два-о и это-в-два. В свою очередь атмосферное это-о-два образуется в результате реакций горения и дыхания животных. Атмосферное о-два расходуется на образование озона в верхних частях атмосферы, окислительные процессы выветривания горных пород, в процессе дыхания животных и в реакциях горения. Преобразование в-два в це-о-два приводит к выделению энергии, соответственно, на превращение это-о-два в о-два энергия должна расходоваться. Эта энергия оказывается Солнцем. Таким образом, жизнь на Земле зависит от циклических химических процессов, возможных благодаря попаданию солнечной энергии.

Применение кислорода обусловлено его химическими свойствами . Кислород широко используется как окислитель. Его применяют для сварки и резки металлов, в химической промышленности - для получения различных соединений и интенсификации некоторых производственных процессов. В космической технике кислород применяется для сжигания водорода и других видов топлива, в авиации - при полетах на больших высотах, в хирургии - для поддержания больных с затрудненным дыханием.

Биологическая роль кислорода обусловлено его способностью поддерживать дыхание. Человек при дыхании в течение одной минуты в среднем потребляет 0,5 дм3 кислорода, в течение суток - 720 дм 3 , а в течение года - 262,8 м 3 кислорода.
1. Реакция термического разложения калий перманганата. Составим уравнение химической реакции:

Вещество калий-марганец-о-четыре широко распространена в повседневно жизни под названием "марганцовка". Кислород, который образовался, проявляют тлеющей лучиной, которая ярко вспыхивает у отверстия газоотводной трубки прибора, в котором проводят реакцию, или при внесении в сосуд с кислородом.

2. Реакция разложения водород пероксида в присутствии марганца (IV) оксида. Составим уравнение химической реакции:

Водород пероксид также хорошо известен из повседневно жизни. Он может быть использован для обработки царапин и мелких ран (раствор аш-два-о-два мас три процента должен быть в каждой аптечке неотложной помощи). Многие химические реакции ускоряется в присутствии определенных веществ. В данном случае реакции разложения водород пероксида ускоряет марганец-о-два, однако сам марганец-о-два не расходуется и не входит в состав продуктов реакции. Марганец-о-два является катализатором.

Катализаторами называются вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются. Катализаторы не только широко применяются в химической промышленности, но и играют важную роль в жизни человека. Природные катализаторы, которые получили название ферменты, участвующие в регулировании биохимических процессов.

Кислород, как уже отмечалось ранее, немного тяжелее воздуха. Поэтому его можно собрать вытеснением воздуха в сосуд, размещенную отверстием вверх.

Восстанавливали древесным углём в горне (см.), устроенном в яме; в горн мехами нагнетали, продукт - крицу ударами отделяли от шлака и из неё выковывали различные изделия. По мере усовершенствования способов дутья и увеличения высоты горна процесса повышалась и часть науглероживалась, т. е. получался чугун; этот сравнительно хрупкий продукт считали отходом производства. Отсюда название чугуна «чушка», «свинское » - английское pig iron. Позже было замечено, что при загрузке в горн не железной, а чугуна также получается низкоуглеродистая железная крица, причём такой двухстадийный процесс (см. Кричный передел) оказался более выгодным, чем сыродутный. В 12-13 вв. кричный способ был уже широко распространён. В 14 в. чугун начали выплавлять не только как полупродукт для дальнейшего передела, но и как материал для отливки различных изделий. К тому же времени относится и реконструкция горна в шахтную («домницу»), а затем и в доменную. В середине 18 в. в Европе начал применяться тигельный процесс получения стали, который был известен на территории Сирии ещё в ранний период средневековья, но в дальнейшем оказался забытым. При этом способе сталь получали расплавлением металлические шихты в небольших (тиглях) из высокоогнеупорной массы. В последней четверти 18 в. стал развиваться пудлинговый процесс передела чугуна в на поду пламенной отражательной (см. Пудлингование). Промышленный переворот 18 - начала 19 вв., изобретение паровой машины, строительство железных дорог, крупных мостов и парового флота вызвали громадную потребность в и его. Однако все существовавшие способы производства не могли удовлетворить потребности рынка. Массовое производство стали началось лишь в середине 19 в., когда были разработаны бессемеровский, томасовский и мартеновский процессы. В 20 в. возник и получил широкое распространение электросталеплавильный процесс, дающий сталь высокого качества.

Распространённость в природе. По содержанию в литосфере (4,65% по массе) занимает второе место среди (на первом). Оно энергично мигрирует в земной коре, образуя около 300 (, и т. д.). принимает активное участие в магматических, гидротермальных и гипергенных процессах, с которыми связано образование различных типов его месторождений (см. Железные). - земных глубин, оно накапливается на ранних этапах магмы, в ультраосновных (9,85%) и основных (8,56%) (в гранитах его всего 2,7%). В накапливается во многих морских и континентальных осадках, образуя осадочные.

Ниже приводятся физические свойства , относящиеся в основном к с общим содержанием примесей менее 0,01% по массе:

Своеобразно взаимодействие с. Концентрированная HNO 3 (плотность 1,45 г/см 3) пассивирует вследствие возникновения на его поверхности защитной окисной плёнки; более разбавленная HNO 3 растворяет с образованием Fe 2+ или Fe 3+ , восстанавливаясь до MH 3 или N 2 O и N 2 .

Получение и применение. Чистое получают в относительно небольших количествах водных его или его. Разрабатывается способ непосредственного получения из. Постепенно увеличивается производство достаточно чистого путём его прямого из рудных концентратов, или углём при относительно низких.

Важнейший современной техники. В чистом виде из-за его низкой практически не используется, хотя в быту «железными» часто называют стальные или чугунные изделия. Основная масса применяется в виде весьма различных по составу и свойствам. На долю приходится примерно 95% всей металлической продукции. Богатые (свыше 2% по массе) - чугуны, выплавляют в доменных из обогащенных железных (см. Доменное производство). Сталь различных марок (содержание менее 2% по массе) выплавляют из чугуна в мартеновских и электрических и конвертерах путём (выжигания) излишнего, удаления вредных примесей (главным образом S, Р, О) и добавления легирующих элементов (см. Мартеновская, Конвертер). Высоколегированные стали (с большим содержанием, и др. элементов) выплавляют в электрических дуговых и индукционных. Для производства сталей и особо ответственного назначения служат новые процессы - вакуумный, электрошлаковый переплав, плазменная и электронно-лучевая плавка и др. Разрабатываются способы выплавки стали в непрерывно действующих агрегатах, обеспечивающих высокое качество и автоматизацию процесса.

На основе создаются материалы, способные выдерживать воздействие высоких и низких, и высоких, агрессивных сред, больших переменных напряжений, ядерных излучений и т. п. Производство и его постоянно растет. В 1971 в СССР выплавлено 89,3 млн. т чугуна и 121 млн. т стали.

Л. А. Шварцман, Л. В. Ванюкова.

Как художественный материал использовалось с древности в Египте (для головы из гробницы Тутанхамона около Фив, середина 14 в. до н. э., Музей Ашмола, Оксфорд), Месопотамии (кинжалы, найденные около Кархемиша, 500 до н. э., Британский музей, Лондон),

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

Атомная масса , относительная атомная масса (устаревшее название - атомный вес ) - значение массы атома, выраженное в атомных единицах массы. В настоящее время атомная единица массы принята равной 1/12 массы нейтрального атома наиболее распространённого изотопа углерода 12C, поэтому атомная масса этого изотопа по определению равна точно 12. Для любого другого изотопа атомная масса не является целым числом, хотя и близка к массовому числу данного изотопа (т. е. суммарному количеству нуклонов - протонов и нейтронов - в его ядре). Разность между атомной массой изотопа и его массовым числом называется избытком массы (обычно его выражают в МэВах). 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 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 тяжелых 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 стабильных изотопов данного химического элемента с учётом их природной распространённости в земной коре и атмосфере. Именно эта атомная масса представлена в периодической таблице, её используют в стехиометрических расчетах. Атомная масса элемента с нарушенным изотопным соотношением (например, обогащённого каким-либо изотопом) отличается от стандартной.

Молекулярной массой мо химического соединения называется сумма атомных масс элементов, составляющих ее, умноженных на стехиометрические коэффициенты элементов по химической формуле соединения. Строго говоря, масса молекулы меньше массы составляющих её атомов на величину, равную энергии связи молекулы. 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, была численно равна атомной (или молекулярной) массе этого вещества. Например, атомная масса железа равна 55,847. Поэтому один моль атомов железа (т. е. их количество, равное числу Авогадро, 6,022·1023) содержит 55,847 граммов.

Прямое сравнение и измерение масс атомов и молекул выполняется с помощью масс-спектрометрических методов.
История
До 1960-х годов атомную массу определяли таким образом, чтобы изотоп кислород-16 имел атомную массу 16 (кислородная шкала). Однако соотношение кислорода-17 и кислорода-18 в природном кислороде, который также использовался в расчетах 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).
Википедия

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.