Масса 1 атома. Атомная масса

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

Атомной массой называется сумма масс всех протонов, нейтронов и электронов, из которых состоит тот или иной атом или молекула. По сравнению с протонами и нейтронами масса электронов очень мала, поэтому она не учитывается в расчетах. Хотя это и некорректно с формальной точки зрения, нередко данный термин используется для обозначения средней атомной массы всех изотопов элемента. На самом деле это относительная атомная масса, называемая также атомным весом элемента. Атомный вес – это среднее значение атомных масс всех изотопов элемента, встречающихся в природе. Химики должны различать эти два типа атомной массы при выполнении своей работы – неправильное значение атомной массы может, к примеру, привести к неправильному результату для выхода продукта реакции.

Шаги

Нахождение атомной массы по периодической таблице элементов

Изучите как записывается атомная масса. Атомная масса, то есть масса данного атома или молекулы, может быть выражена в стандартных единицах системы СИ – граммах, килограммах и так далее. Однако в связи с тем, что атомные массы, выраженные в этих единицах, чрезвычайно малы, их часто записывают в унифицированных атомных единицах массы, или сокращенно а.е.м. – атомные единицы массы. Одна атомная единица массы равна 1/12 массы стандартного изотопа углерод-12.

• Атомная единица массы характеризует массу одного моля данного элемента в граммах . Эта величина очень полезна при практических расчетах, поскольку с ее помощью можно легко перевести массу заданного количества атомов или молекул данного вещества в моли, и наоборот.

1. Найдите атомную массу в периодической таблице Менделеева. В большинстве стандартных таблиц Менделеева содержатся атомные массы (атомные веса) каждого элемента. Как правило, они приведены в виде числа в нижней части ячейки с элементом, под буквами, обозначающими химический элемент. Обычно это не целое число, а десятичная дробь.

   Помните о том, что в периодической таблице приведены средние атомные массы элементов. Как было отмечено ранее, относительные атомные массы, указанные для каждого элемента в периодической системе, являются средними значениями масс всех изотопов атома. Это среднее значение ценно для многих практических целей: к примеру, оно используется при расчете молярной массы молекул, состоящих из нескольких атомов. Однако когда вы имеете дело с отдельными атомами, этого значения, как правило, бывает недостаточно.

   • Поскольку средняя атомная масса представляет собой усредненное значение для нескольких изотопов, величина, указанная в таблице Менделеева не является точным значением атомной массы любого единичного атома.
   • Атомные массы отдельных атомов необходимо рассчитывать с учетом точного числа протонов и нейтронов в единичном атоме.

Расчет атомной массы отдельного атома

1. Найдите атомный номер данного элемента или его изотопа. Атомный номер – это количество протонов в атомах элемента, оно никогда не изменяется. Например, все атомы водорода, причем только они, имеют один протон. Атомный номер натрия равен 11, поскольку в его ядре одиннадцать протонов, тогда как атомный номер кислорода составляет восемь, так как в его ядре восемь протонов. Вы можете найти атомный номер любого элемента в периодической таблице Менделеева – практически во всех ее стандартных вариантах этот номер указан над буквенным обозначением химического элемента. Атомный номер всегда является положительным целым числом.

   • Предположим, нас интересует атом углерода. В атомах углерода всегда шесть протонов, поэтому мы знаем, что его атомный номер равен 6. Кроме того, мы видим, что в периодической системе, в верхней части ячейки с углеродом (C) находится цифра "6", указывающая на то, что атомный номер углерода равен шести.
   • Обратите внимание, что атомный номер элемента не связан однозначно с его относительной атомной массой в периодической системе. Хотя, особенно для элементов в верхней части таблицы, может показаться, что атомная масса элемента вдвое больше его атомного номера, она никогда не рассчитывается умножением атомного номера на два.

2. Найдите число нейтронов в ядре. Количество нейтронов может быть различным для разных атомов одного и того же элемента. Когда два атома одного элемента с одинаковым количеством протонов имеют разное количество нейтронов, они являются разными изотопами этого элемента. В отличие от количества протонов, которое никогда не меняется, число нейтронов в атомах определенного элемента может зачастую меняться, поэтому средняя атомная масса элемента записывается в виде десятичной дроби со значением, лежащим между двумя соседними целыми числами.

   Сложите количество протонов и нейтронов. Это и будет атомной массой данного атома. Не обращайте внимания на количество электронов, которые окружают ядро – их суммарная масса чрезвычайно мала, поэтому они практически не влияют на ваши расчеты.

Вычисление относительной атомной массы (атомного веса) элемента

1. Определите, какие изотопы содержатся в образце. Химики часто определяют соотношение изотопов в конкретном образце с помощью специального прибора под названием масс-спектрометр. Однако при обучении эти данные будут предоставлены вам в условиях заданий, контрольных и так далее в виде значений, взятых из научной литературы.

   • В нашем случае допустим, что мы имеем дело с двумя изотопами: углеродом-12 и углеродом-13.

2. Определите относительное содержание каждого изотопа в образце. Для каждого элемента различные изотопы встречаются в разных соотношениях. Эти соотношения почти всегда выражают в процентах. Некоторые изотопы встречаются очень часто, тогда как другие очень редки – временами настолько, что их с трудом можно обнаружить. Эти величины можно определить с помощью масс-спектрометрии или найти в справочнике.

   • Допустим, что концентрация углерода-12 равна 99%, а углерода-13 – 1%. Другие изотопы углерода действительно существуют, но в количествах настолько малых, что в данном случае ими можно пренебречь.

3. Умножьте атомную массу каждого изотопа на его концентрацию в образце. Умножьте атомную массу каждого изотопа на его процентное содержание (выраженное в виде десятичной дроби). Чтобы перевести проценты в десятичную дробь, просто разделите их на 100. Полученные концентрации в сумме всегда должны давать 1.

   • Наш образец содержит углерод-12 и углерод-13. Если углерод-12 составляет 99% образца, а углерод-13 – 1%, то необходимо умножить 12 (атомная масса углерода-12) на 0,99 и 13 (атомная масса углерода-13) на 0,01.
   • В справочниках даются процентные соотношения, основанные на известных количествах всех изотопов того или иного элемента. Большинство учебников по химии содержат эту информацию в виде таблицы в конце книги. Для изучаемого образца относительные концентрации изотопов можно также определить с помощью масс-спектрометра.

4. Сложите полученные результаты. Просуммируйте результаты умножения, которые вы получили в предыдущем шаге. В результате этой операции вы найдете относительную атомную массу вашего элемента – среднее значение атомных масс изотопов рассматриваемого элемента. Когда рассматривается элемент в целом, а не конкретный изотоп данного элемента, используется именно эта величина.

   • В нашем примере 12 x 0,99 = 11,88 для углерода-12, и 13 x 0,01 = 0,13 для углерода-13. Относительная атомная масса в нашем случае составляет 11,88 + 0,13 = 12,01 .

• Некоторые изотопы менее стабильны, чем другие: они распадаются на атомы элементов с меньшим количеством протонов и нейтронов в ядре с выделением частиц, входящих в состав атомного ядра. Такие изотопы называют радиоактивными.

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

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.

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