Как находить атомную массу вещества. Атомная масса, относительная атомная масса
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.
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
| Задание | В каком из указанных веществ массовая доля элемента кислорода больше: а) в оксиде цинка (ZnO); б) в оксиде магния (MgO)? |
| Решение |
Найдем молекулярную массу оксида цинка: Mr (ZnO) = Ar(Zn) + Ar(O); Mr (ZnO) = 65+ 16 = 81. Известно, что M = Mr, значит M(ZnO) = 81 г/моль. Тогда массовая доля кислорода в оксиде цинка будет равна: ω (O) = Ar (O) / M (ZnO) × 100%; ω (O) = 16 / 81 × 100% = 19,75%. Найдем молекулярную массу оксида магния: Mr (MgO) = Ar(Mg) + Ar(O); Mr (MgO) = 24+ 16 = 40. Известно, что M = Mr, значит M(MgO) = 60 г/моль. Тогда массовая доля кислорода в оксиде магния будет равна: ω (O) = Ar (O) / M (MgO) × 100%; ω (O) = 16 / 40 × 100% = 40%. Таким образом, массовая доля кислорода больше в оксиде магния, поскольку 40 > 19,75. |
| Ответ | Массовая доля кислорода больше в оксиде магния. |
ПРИМЕР 2
| Задание | В каком из указанных соединений массовая доля металла больше: а) в оксиде алюминия (Al 2 O 3); б) в оксиде железа (Fe 2 O 3)? |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Рассчитаем массовую долю каждого элемента кислорода в каждом из предложенных соединений (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева округлим до целых чисел). Найдем молекулярную массу оксида алюминия: Mr (Al 2 O 3) = 2×Ar(Al) + 3×Ar(O); Mr (Al 2 O 3) = 2×27 + 3×16 = 54 + 48 = 102. Известно, что M = Mr, значит M(Al 2 O 3) = 102 г/моль. Тогда массовая доля алюминия в оксиде будет равна: ω (Al) = 2×Ar(Al) / M (Al 2 O 3) × 100%; ω (Al) = 2×27 / 102 × 100% = 54 / 102 × 100% = 52,94%. Найдем молекулярную массу оксида железа (III): Mr (Fe 2 O 3) = 2×Ar(Fe) + 3×Ar(O); Mr (Fe 2 O 3) = 2×56+ 3×16 = 112 + 48 = 160. Известно, что M = Mr, значит M(Fe 2 O 3) = 160 г/моль. Тогда массовая доля железа в оксиде будет равна: ω (O) = 3×Ar (O) / M (Fe 2 O 3) × 100%; ω (O) = 3×16 / 160 × 100% = 48 / 160× 100% = 30%. Таким образом, массовая доля металла больше в оксиде алюминия, поскольку 52,94 > 30. |
| Ответ | Массовая доля металла больше в оксиде алюминия. |
Одно из фундаментальных понятий химии - атомная масса элемента, которая используется в практически любых химических расчетах. Умение вычислять атомную массу пригодится в основном школьникам и тем, кто планирует заниматься химией в будущем. Впрочем, формула для расчета атомной массы проста до невозможности.
Определение и формула
Атомная масса - это сумма масс всех протонов, нейтронов и электронов, которые и составляют атом. В сравнении с массами протонов и нейтронов, масса электронов ничтожно мала, поэтому в расчетах электроны не учитывают. Так как масса самих нейтронов и протонов вычисляется бесконечно малыми числами в 27 отрицательной степени, то для удобства вычислений используется относительная атомная масса, которая выражается в безликих атомных единицах.
Атомная единица массы - это относительная величина, равная 1/12 от массы ядра углерода-12, ядро которого имеет в своем составе 6 нейтронов и 6 протонов. Таким образом, формула для определения атомной массы выглядит так:
Масса = количество нейтронов + количество протонов.
По данной формуле рассчитываются атомные массы отдельных изотопов химических элементов. Это значит, что масса урана-238 равно 238 а.е.м, в то же время уран-235 имеет массовое число 235. Данный химических элемент вообще богат на изотопы, поэтому существуют ядра урана с массовыми числами 232, 233, 234, 235, 236 и 238. Несмотря на подобное разнообразие, уран-238 занимает 99% всего урана в природе, поэтому если вычислять среднее значение атомных чисел, то химический элемент уран получает атомный вес, равный 238,029.
Таким образом, важно понимать разницу между атомной массой и средним атомным весом:
- атомная масса - сумма нейтронов и протонов конкретного изотопа (всегда целое число);
- атомный вес - среднее арифметическое атомных масс всех изотопов, которые встречаются в природе (обычно дробное число).
Еще пример
Водород - наиболее распространенный элемент во Вселенной. 99% водорода - это протий или водород-1, который содержит всего 1 протон. Также существуют изотопы: дейтерий или водород-2 и тритий или водород-3. Данные изотопы имеют атомные массы 2 и 3 соответственно, однако они крайне редко встречаются в природе, поэтому атомный вес водорода составляет 1,00784.
Нахождение атомной массы
Определить атомное число для выбранного элемента можно при помощи таблицы Менделеева. Номер элемента в таблице всегда совпадает с количеством протонов в ядре. К примеру, упомянутый выше водород имеет первый номер в таблице и в его составе содержится всего 1 протон. Ниже в таблице всегда указан средний атомный вес элемента, который для расчетов требуется округлить до ближайшего целого числа.
Изначально отображает всю информацию по количеству протонов и электронов в атоме, а также его атомной массе. Именно поэтому в школьных задачах на определение атомной массы достаточно использовать периодическую таблицу и не вычислять ничего специально.
Обычно на уроках по химии ставится обратная задача: как определить количество нейтронов в конкретном изотопе? В этом случае действует простая формула:
Количество нейтронов = атомная масса – порядковый номер.
К примеру, атом водорода-1 не содержит нейтронов, так как его атомное число равняется также единице. А вот тритий - это уже водород с одним протоном и двумя нейтронами. Тритий - нестабильный изотоп. Он легко распадается на атомы гелия, свободные электроны и антинейтрино, при этом выделяется некоторое количество энергии. Нестабильные изотопы носят название радиоактивных.
Рассмотрим пример
Определение атомной массы
Рассмотрим кислород - химический элемент, который имеет 8 порядковый номер в периодической таблице Менделеева. Это значит, что кислород в своем ядре имеет 8 протонов, а также 8 электронов на орбитах. Атомная масса, указанная в таблице, составляет 16 а. е. м, для вычисления которой нам не понадобится калькулятор. Из этой информации мы можем определить, что атом кислорода содержит 8 нейтронов. Однако количество нейтронов может легко изменяться в зависимости от внешних условий.
Если кислород потеряет или добавит один нейтрон, мы получим новый изотоп, атомная масса которого изменится. Используя калькулятор, вы можете вычислить массовые числа разных изотопов кислорода, которые, впрочем, в самом своем названии содержат ответ на этот вопрос. В природе существует 3 устойчивых изотопа оксигена: кислород-16, кислород-17 и кислород-18. Последние два имеют в ядре «лишние» нейтроны.
Кроме того, существуют неустойчивые изотопы кислорода, период полураспада которых составляет от нескольких минут до миллионных долей наносекунд.
Заключение
Массовое число - важный параметр любого элемента, при помощи которого рассчитываются молярные массы при проведении химических реакций. Впрочем, массовое число всегда указывается в периодической таблице Менделеева, поэтому наш калькулятор пригодится в основном школьникам, которые еще только начинают изучение удивительной науки химии.
С 1961 года эталонной единицей относительной атомной и молекулярной массы была принята 1/12 часть изотопа углерода (названная углеродной единицей). Таким образом, относительная атомная масса – это число, которое показывает, во сколько раз абсолютная масса атома какого-либо химического элемента больше углеродной единицы. Ну а масса самой углеродной единицы равна 1,66*10 в степени -24 грамм. Каким образом вы можете найти относительную атомную массу?
Инструкция
- Единственное, что вам понадобится - Таблица Менделеева. В ней каждому элементу отведено строго определенное место – «клетка» или «ячейка». В любой ячейке есть информация, содержащая такие сведения: символ элемента, состоящий из одной или двух букв латинского алфавита, порядковый (атомный) номер, соответствующий количеству протонов в ядре атома и величине его положительного заряда, распределение электронов по электронным уровням и подуровням. И есть еще одна очень важная величина – та самая относительная атомная масса, указывающая, во сколько раз атом этого элемента тяжелее эталонной углеродной единицы.
- Рассмотрите на конкретном примере. Возьмите щелочной металл натрий, располагающийся в Таблице Менделеева под номером 11. Его относительная атомная масса, указанная там – примерно 22,99 а.е.м. (атомных единиц массы). Это значит, что каждый атом натрия тяжелее углеродной единицы, принятой за эталон сравнения, приблизительно в 22, 99 раза. Округленно можно принять эту величину за 23. Следовательно, его масса равна 23*1,66*10 в степени -24 = 3,818*10 в степени -23 грамм. Или 3,818*10 в степени -26 кг. Вы вычислили абсолютную массу атома натрия.
- Но, разумеется, пользоваться в расчетах такими величинами крайне неудобно. Поэтому, как правило, пользуются относительными атомными массами. А относительная атомная масса для того же натрия равна приблизительно 22,99 а.е.м.
- Для любого элемента в Таблице Менделеева указана его относительная атомная масса. Если возникнет необходимость, можно легко вычислить и абсолютную атомную массу, умножив величину относительной атомной массы на величину углеродной единицы (1,66*10 в степени -24 грамм).
Относительная атомная масса (сокращенно – атомная масса ) элемента — есть отношение массы его атома к 1 /12 части массы атома 12 С (углерод).
История
Первоначально при вычислениях атомных масс за единицу массы принимали массу атома водорода как самого легкого элемента и по отношению к нему вычисляли массы других элементов. Но так как атомные массы большинства веществ определяются, исходя из состава их кислородных соединений, то фактически вычисления производились по отношению к атомной массе кислорода , которая считалась равной 16 . Отношение между атомными массами кислорода и водорода принимали равным 16 :1 . Впоследствии более точные измерения показали, что это отношение равно 15.874 :1 или 16 :1.0079 . Изменение атомной массы кислорода повлекло бы за собой изменение атомных масс большинства элементов. Поэтому было решено оставить для кислорода атомную массу 16 , приняв атомную массу водорода равной 1.0077 .
Кислородная единица массы
Таким образом, за единицу атомной массы принималась 1 /16 часть атома кислорода , получившая название кислородной единицы.
В дальнейшем было установлено, что природный кислород представляет собой смесь изотопов, так что кислородная единица массы характеризует среднее значение массы атомов природных изотопов кислорода .
Для атомной физики такая единица оказалась неприемлемой, и в этой отрасли науки за единицу атомной массы была принята 1 /16 часть массы атома кислорода 16 О. В результате оформились две школы атомных масс — химическая и физическая. Наличие двух шкал атомных масс создавало большие неудобства.
В 1961 году принята единая шкала относительных атомных масс, в основу которой положена 1 /12 часть массы атома изотопа углерода 12 С, названная атомной единицей массы (а.е.м.) .
\[ 1 а.е.м = 1.66·10^{-27} (кг) \]
В современной шкале относительные массы кислорода и водорода равны соответственно 15.9994 и 1.00794 .
