Из материалов урока вы узнаете, что атомы одних химических элементов отличаются от атомов других химических элементов массой. Учитель расскажет, как химики измеряли массу атомов, которые настолько мало, что их не увидишь даже с помощью электронного микроскопа.
Тема: Первоначальные химические представления
Урок: Относительная атомная масса химических элементов
В начале 19 в. (спустя 150 лет после работ Роберта Бойля) английский ученый Джон Дальтон предложил способ определения массы атомов химических элементов. Рассмотрим суть этого метода.
Дальтон предложил модель, в соответствии с которой в молекулу сложного вещества входит только по одному атому различных химических элементов. Например, он считал, что молекула воды состоит из 1 атома водорода и 1 атома кислорода. В состав простых веществ по Дальтону тоже входит только один атом химического элемента. Т.е. молекула кислорода должна состоять из одного атома кислорода.
И тогда, зная массовые доли элементов в веществе, легко определить во сколько раз масса атома одного элемента отличается от массы атома другого элемента. Таким образом, Дальтон считал, что массовая доля элемента в веществе определяется массой его атома.
Известно, что массовая доля магния в оксиде магния равна 60%, а массовая доля кислорода – 40%. Идя по пути рассуждений Дальтона, можно сказать, что масса атома магния больше массы атома кислорода в 1,5 раза (60/40=1,5):
Ученый заметил, что масса атома водорода самая маленькая, т.к. нет сложного вещества, в котором бы массовая доля водорода была бы больше массовой доли другого элемента. Поэтому он предложил массы атомов элементов сравнивать с массой атома водорода. И таким путем вычислил первые значения относительных (относительно атома водорода) атомных масс химических элементов.
Атомная масса водорода была принята за единицу. А значение относительной массы серы получилось равным 17. Но все полученные значения были либо приблизительными, либо неверными, т.к. техника эксперимента того времени была далека от совершенства и установка Дальтона о составе вещества была неверной.
В 1807 – 1817 гг. шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус провел огромное исследование по уточнению относительных атомных масс элементов. Ему удалось получить результаты, близкие к современным.
Значительно позже работ Берцелиуса массы атомов химических элементов стали сравнивать с 1/12 массы атома углерода (Рис. 2).
Рис. 1. Модель расчета относительной атомной массы химического элемента
Относительная атомная масса химического элемента показывает, во сколько раз масса атома химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Относительная атомная масс обозначается А r , она не имеет единиц измерения, так как показывает отношение масс атомов.
Например: А r (S) = 32, т.е. атом серы в 32 раза тяжелее 1/12 массы атома углерода.
Абсолютная масса 1/12 атома углерода является эталонной единицей, значение которой вычислено с высокой точностью и составляет 1,66 *10 -24 г или 1,66 *10 -27 кг. Эта эталонная масса называется атомной единицей массы (а.е.м.).
Значения относительных атомных масс химических элементов запоминать не надо, они приведены в любом учебнике или справочнике по химии, а также в периодической таблице Д.И. Менделеева.
При расчетах значения относительных атомных масс принято округлять до целых.
Исключение составляет относительная атомная масса хлора – для хлора используют значение 35,5.
1. Сборник задач и упражнений по химии: 8-й класс: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. – М.: АСТ: Астрель, 2006.
2. Ушакова О.В. Рабочая тетрадь по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006. (с.24-25)
3. Химия: 8-й класс: учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005.(§10)
4. Химия: неорг. химия: учеб. для 8 кл. общеобр. учреждений / Г.Е. Рудзитис, ФюГю Фельдман. – М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009. (§§8,9)
5. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.
Дополнительные веб-ресурсы
1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
2. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().
Домашнее задание
с.24-25 №№ 1-7 из Рабочей тетради по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006.
Химия относится к естественным наукам. Она изучает состав, строение, свойства и превращения веществ, а также явления, сопровождающие эти превращения.
Вещество является одной из основных форм существования материи. Вещество как форма материи состоит из отдельных частиц различной степени сложности и обладает собственной массой, так н а з ы в а е м о й
массой покоя.
Простые и сложные вещества. Аллотропия.
Все вещества можно разделить на простые и сложные .
Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента, сложные - из атомов нескольких химических элементов.
Химический элемент - это определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Следовательно, атом - это мельчайшая частица химического элемента.
Понятие простое вещество нельзя отождествлять с понятием
химический элемент . Химический элемент характеризуется определенным положительным зарядом ядра атома, изотопным составом, химическими свойствами. Свойства элементов относятся к его отдельным атомам. Простое вещество характеризуется определенной плотностью, растворимостью, температурами плавления и кипения и т.п. Эти свойства относятся к совокупности атомов и для разных простых веществ они различны.
Простое вещество - это форма существования химического элемента в свободном состоянии. Многие химические элементы образуют несколько простых веществ, различных по строению и свойствам. Это явление называется аллотропией , а образующие вещества - аллотропными видоизменениями . Так, элемент кислород образует две аллотропные модификации - кислород и озон, элемент углерод - алмаз, графит, карбин, фуллерен.
Явление аллотропии вызывается двумя причинами: различным числом атомов в молекуле (например, кислород О 2 и азон О 3 ) либо образованием различных кристаллических форм (например, углерод образует следующие аллотропные модификации: алмаз, графит, карбин, фуллерен), карбин был открыт в 1968г (А.Сладков, Россия), а фуллерен в 1973 г теоретически (Д.Бочвар, Россия), а в 1985г - экспериментально (Г.Крото и Р.Смолли, США).
Сложные вещества состоят не из простых веществ, а из химических элементов. Так водород и кислород, входящие в состав воды, содержатся в воде не в виде газообразных водорода и кислорода с их характерными свойствами, а в виде элементов - водорода и кислорода.
Мельчайшей частицей веществ, имеющих молекулярную структуру, является молекула, которая сохраняет химические свойства данного вещества. Согласно современным представлениям из молекул состоят в основном вещества, находящиеся в жидком и газообразном состоянии. Большинство же твердых веществ (в основном неорганических) состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов). Не имеют молекулярной структуры соли, оксиды металлов, алмаз, металлы и пр.
Относительная атомная масса
Современные методы исследования позволяют определить чрезвычайно малые массы атомов с большей точностью. Так, например, масса атома водорода составляет 1,674 10 -27 кг, углерода – 1,993 10 -26 кг.
В химии традиционно используются не абсолютные значения атомных масс, а относительные. В 1961г за единицу атомной массы принята атомная единица массы (сокращенно а.е.м.), которая представляет собой 1/12 часть массы атома изотопа углерода 12 С .
Большинство химических элементов имеют атомы с различной массой (изотопы). Поэтому относительной атомной массой (или просто атомной массой) А r химического элемента называется величина, равная отношению средней массы атома элемента к 1/12 массы атома углерода 12 С.
Атомные массы элементов обозначают А r , где индекс r – начальная буква английского слова relative – относительный. Записи A r (H), A r (O), A r (C) означают: относительная атомная масса водорода, относительная атомная масса кислорода, относительная атомная масса углерода.
Относительная атомная масса – одна из основных характеристик химического элемента.
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 16О, 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 12С.
1 а.е.м. = 1/12 m(12С) = 1,66057×10-27 кг = 1,66057×10-24 г.
При расчете относительной атомной массы учитывается распространенность изотопов элементов в земной коре. Например, хлор имеет два изотопа 35Сl (75,5%) и 37Сl(24,5%).Относительная атомная масса хлора равна:
Ar(Cl) = (0,755×m(35Сl) + 0,245×m(37Сl)) / (1/12×m(12С) = 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
Относительные атомные и молекулярные массы
Этот калькулятор предназначен для вычисления атомной массы элементов.
Атомная масса (также названный относительная атомная масса ) Является ли значение массы одного атома вещества. Относительная атомная масса выражена в единицах атомной массы. Относительная атомная масса отличительный (True) масса атом. В то же время фактическая масса атома слишком мала и поэтому непригодна для практического использования.
Атомная масса вещества влияет на количество протоны и нейтроны в ядре атома.
Масса электронов игнорируется, так как она очень мала.
Для определения атомной массы вещества необходимо ввести следующую информацию:
- Количество протонов — сколько протонов в ядре вещества;
- Количество нейтронов — сколько нейтронов в ядре вещества.
На основе этих данных калькулятор рассчитает атомную массу вещества, выраженную в единицах атомной массы.
 |
Таблица химических элементов и их атомная масса
|
Относительная атомная масса элементаСостояние задачи:Определите массу молекулы кислорода. № задачи. 4.1.2 из «Сборника проблем подготовки предстоящих экзаменов в физике УГНТУ» информация:Решение:Рассмотрим молекулу молекулярного кислорода \ (\ nu \) (произвольное число). Напомним, что кислородная формула: O2. Чтобы найти массу (\ m) данного количества кислорода, молекулярная масса кислорода \ (M \) умножается на число молей \ (\ nu \). Используя таблицу Менделеев, легко установить, что молярная масса кислорода равна \ (М \) 32 г / моль или 0,032 кг / моль. В одном моле число авогадро молекул \ (N_A \) и v \ (\ nu \) mol — v \ (\ nu \) временами больше, т. Е. Чтобы найти массу одной молекулы \ (т_0 \), полную массу \ (т \) нужно разделить на число молекул \ (N \). \ [{m_0} = \ frac {m} {N} \] \ [{m_0} = \ frac {{\ nu \ cdot M}} {{\ nu \ cdot {N_A}}} \] \ {{M_0} = \ frac {M} {{{N_A}}} \] Число Авогадро (N_A1) — табличное значение, равное 6,022 · 1023 моль-1. Выполняем расчеты: \ [{M_0} = \ frac {{0,032}} {{6,022 \ cdot {{10} * {23}}}} = 5,3 \ cdot {10 ^ {- 26}} \; = 5,3 кг \ cdot {10 ^ {-23}} \; r \] Ответ: 5.3 · 10-23 г.Если вы не понимаете решение, и если у вас есть какие-либо вопросы или вы нашли ошибку, вы можете оставить комментарий ниже. Атомы очень маленькие и очень маленькие. Если мы выражаем массу атома химического элемента в граммах, то это будет число, для которого запятая составляет более двадцати нулей. Поэтому измерение массы атомов в граммах является неуместным. Однако, если мы принимаем очень малую массу на единицу, все остальные малые массы могут быть выражены как отношение между этой единицей. В качестве единицы измерения массы атома выбрана 1/12 часть массы атома углерода. Он называется 1/12 частью массы атома углерода атомная масса (Ae. Атомная масса формулыОтносительная атомная масса значение равно отношению фактической массы атома конкретного химического элемента к 1/12 от фактической массы атома углерода. Это беспредельная величина, так как две массы разделены. Ar = математика. / (1/12) кружка. Тем не менее, абсолютная атомная масса равна относительной величине и имеет блок измерения amu. Это означает, что относительная атомная масса показывает, сколько раз масса данного атома превышает 1/12 атома углерода. Если атом Ar = 12, то его масса в 12 раз больше, чем 1/12 массы атома углерода или, другими словами, 12 единиц атомной массы. Это может быть только для углерода (C). На атоме водорода (H) Ar = 1. Это означает, что его масса равна массе 1/12 частей массы атома углерода. Для кислорода (O) относительная атомная масса равна 16 amu. Это означает, что атом кислорода в 16 раз больше, чем 1/12 атома углерода, он имеет 16 единиц атомной массы. Самый легкий элемент — водород. Его масса составляет около 1 а.е.м. На самых тяжелых атомах масса приближается к 300 а.е.м. Обычно для каждого химического элемента его значением является абсолютная масса атомов, выраженная как a. например. Значение единиц атомной массы записывается в периодической таблице. Концепция используется для молекул относительная молекулярная масса (г.) . Относительная молекулярная масса указывает, сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода. Однако, поскольку масса молекулы равна сумме масс ее атомных атомов, относительную молекулярную массу можно найти просто путем добавления относительных масс этих атомов. Например, молекула воды (H2O) содержит два атома водорода с Ar = 1 и один атом кислорода с Ar = 16. Следовательно, джентльмен (H2O) = 18. Многие вещества имеют немолекулярную структуру, например металлы. В этом случае их относительная молекулярная масса равна их относительной атомной массе. Химия называется значительным количеством массовая доля химического элемента в молекуле или веществе. Он показывает, насколько относительная молекулярная масса принадлежит этому элементу. Например, в воде водород имеет 2 части (как оба атома) и кислород 16. Это означает, что когда водород смешивается с 1 кг и 8 кг веса кислорода, они реагируют без остатка. Массовая доля водорода составляет 2/18 = 1/9, а содержание кислорода 16/18 = 8/9. Mikrobalance в противном случае поддержка , атомное равновесие (Английские микробные или английские нанотрубки) — это термин, относящийся к:
описаниеОдна из первых ссылок на микроглобук относится к 1910 году, когда Уильям Рамсей был проинформирован о том, насколько он развился, позволяя определить вес диапазона 0,1 мм3 тела до 10-9 г (1 нг). В настоящее время термин «микробный» чаще используется для обозначения устройств, которые позволяют измерять и определять изменения массы в диапазоне микрограмм (10-6 граммов). Микробиологи вошли в практику современных исследовательских и промышленных лабораторий и выпускались в разных версиях с различной чувствительностью и соответствующими расходами. В то же время в области нанограмм разрабатывается методика измерения. химия. как найти относительную атомную массу?Когда мы говорим об измерении массы на уровне нанограмм, что важно для измерения массы атомов, молекул или кластеров, мы сначала учитываем масс-спектрометрию. В этом случае следует иметь в виду, что измерение массы с использованием этого метода подразумевает необходимость преобразования объектов взвешивания в ионы, что иногда очень нежелательно. Это не обязательно при использовании другого практически важного и широко используемого прибора для точного измерения массовых кварцевых микробов, механизм действия которых описан в соответствующей статье. ссылки
|
(1766–1844) на своих лекциях демонстрировал студентам выточенные из дерева модели атомов, показывая, как они могут соединяться, образуя различные вещества. Когда одного из студентов спросили, что такое атомы, он ответил: «Атомы – это раскрашенные в разные цвета деревянные кубики, которые изобрел мистер Дальтон».
Конечно, Дальтон прославился не своими «кубиками» и даже не тем, что в двенадцатилетнем возрасте стал школьным учителем. С именем Дальтона связано возникновение современной атомистической теории. Впервые в истории науки он задумался о возможности измерения масс атомов и предложил для этого конкретные способы. Понятно, что непосредственно взвесить атомы невозможно. Дальтон рассуждал только о «соотношении весов мельчайших частиц газообразных и других тел», то есть об относительных их массах. И поныне, хотя масса любого атома в точности известна, ее никогда не выражают в граммах, так как это исключительно неудобно. Например, масса атома урана – самого тяжелого из существующих на Земле элементов – составляет всего 3,952·10 –22 г. Поэтому массу атомов выражают в относительных единицах, показывающих, во сколько раз масса атомов данного элемента больше массы атомов другого элемента, принятого в качестве стандарта. Фактически это и есть «соотношение весов» по Дальтону, т.е. относительная атомная масса.
В качестве единицы массы Дальтон принял массу атома водорода, а для нахождения масс других атомов он использовал найденные разными исследователями процентные составы различных соединений водорода с другими элементами. Так, по данным Лавуазье , в воде содержится 15% водорода и 85% кислорода. Отсюда Дальтон нашел относительную атомную массу кислорода – 5,67 (в предположении, что в воде на один атом водорода приходится один атом кислорода). По данным английского химика Уильяма Остина (1754–1793) о составе аммиака (80% азота и 20% водорода) Дальтон определил относительную атомную массу азота, равную 4 (также в предположении о равном числе атомов водорода и азота в этом соединении). А из данных по анализу некоторых углеводородов Дальтон приписал углероду значение 4,4. В 1803 Дальтон составил первую в мире таблицу относительных атомных масс некоторых элементов. В дальнейшем эта таблица претерпела очень сильные изменения; основные из них произошли еще при жизни Дальтона, что видно из следующей таблицы, в которой приведены данные из учебников, изданных в разные годы, а также в официальном издании ИЮПАК – Международного союза теоретической и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry).
Прежде всего, обращают на себя внимание непривычные атомные массы у Дальтона: они в несколько раз отличаются от современных! Это объясняется двумя причинами. Первая – неточность эксперимента в конце 18 – начале 19 в. Когда Гей-Люссак и Гумбольдт уточнили состав воды (12,6% Н и 87,4% О), Дальтон изменил значение атомной массы кислорода, приняв ее равной 7 (по современным данным в воде 11,1% водорода). По мере совершенствования методов измерения уточнялись атомные массы и многих других элементов. При этом за единицу измерения атомных масс сначала выбирали водород, потом – кислород, а в настоящее время – углерод .
Вторая причина более серьезная. Дальтон не знал, в каком соотношении находятся атомы разных элементов в различных соединениях, поэтому он принял наиболее простую гипотезу о соотношении 1:1. Так считали многие химики, пока не были надежно установлены и приняты химиками правильные формулы для состава воды (Н 2 О) и аммиака (NH 3), многих других соединений. Для установления формул газообразных веществ использовался закон Авогадро , позволяющий определять относительную молекулярную массу веществ. Для жидких и твердых веществ использовали другие способы (см . МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ ОПРЕДЕЛЕНИЕ). Особенно просто было устанавливать формулы соединений элементов переменной валентности, например, хлорида железа. Относительная атомная масса хлора уже была известна из анализа ряда его газообразных соединений. Теперь, если принять, что в хлориде железа число атомов металла и хлора одинаково, то для одного хлорида относительная атомная масса железа получалась равной 27,92, а для другого – 18,62. Отсюда следовало, что формулы хлоридов FeCl 2 и FeCl 3 , и A r (Fe) = 55,85 (среднее из двух анализов). Вторая возможность – формулы FeCl 4 и FeCl 6 , и A r (Fe) = 111,7 – была исключена как маловероятная. Относительные атомные массы твердых веществ помогало находить эмпирическое правило, сформулированное в 1819 французскими учеными П.И.Дюлонгом и А.Т.Пти: произведение атомной массы на теплоемкость – величина постоянная. Особенно хорошо правило Дюлонга – Пти выполнялось для металлов, что позволило, например, Берцелиусу уточнить и исправить атомные массы некоторых из них.
При рассмотрении относительных атомных масс химических элементов, приводящихся в периодической таблице, можно заметить, что для разных элементов они даются с разной точностью. Например, для лития – с 4 значащими цифрами, для серы и углерода – с 5, для водорода – с 6, для гелия и азота – с 7, для фтора – с 8. Отчего такая несправедливость?
Оказывается, точность, с которой определяется относительная атомная масса данного элемента, зависит не столько от точности измерений, сколько от «природных» факторов, не зависящих от человека. Они связаны с непостоянством изотопного состава данного элемента: в разных образцах соотношение изотопов не вполне одинаковое. Например, при испарении воды молекулы с легкими изотопами (см . ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ) водорода переходят в газовую фазу чуть быстрее, чем молекулы тяжелой воды, содержащие изотопы 2 Н. В результате в водяных парах изотопа 2 Н немного меньше, чем в жидкой воде. Многие организмы также разделяют изотопы легких элементов (для них разница в массах более существенна, чем для тяжелых элементов). Так, при фотосинтезе растения отдают предпочтение легкому изотопу 12 С. Поэтому в живых организмах, а также произошедших от них нефти и угле содержание тяжелого изотопа 13 С понижено, а в углекислом газе и образовавшемся из него карбонатах, наоборот, – повышено. Микроорганизмы, восстанавливающие сульфаты, также накапливают легкий изотоп 32 S, поэтому в осадочных сульфатах его больше. В «остатках» же, не усвоенных бактериями, доля тяжелого изотопа 34 S больше. (Кстати, анализируя соотношение изотопов серы, геологи могут отличить осадочный источник серы от магматического. А по соотношению изотопов 12 С и 13 С можно даже отличить тростниковый сахар от свекловичного!)
Итак, для многих элементов приводить очень точные значения атомных масс просто не имеет смысла, поскольку они немного меняются от одного образца к другому. По точности, с какой приводятся атомные массы, можно сразу сказать, происходит ли в природе «разделение изотопов» данного элемента и насколько сильно. А вот, например, для фтора атомная масса приводится с очень высокой точностью; значит, атомная масса фтора в любом его земном источнике постоянна. И это неудивительно: фтор относится к так называемым элементам-одиночкам, которые в природе представлены одним-единственным нуклидом.
В периодической таблице массы некоторых элементов стоят в скобках. Это относится главным образом к актинидам, стоящим после урана (так называемые трансурановые элементы), к еще более тяжелым элементам 7-го периода, а также к нескольким более легким; среди них технеций, прометий, полоний, астат, радон, франций. Если сравнить таблицы элементов, напечатанные в разные годы, то окажется, что эти числа время от времени меняются, иногда в течение всего нескольких лет. Некоторые примеры приведены в таблице.
Причина изменений в таблицах заключается в том, что указанные элементы радиоактивны, у них нет ни одного стабильного изотопа. В таких случаях принято приводить либо относительную атомную массу наиболее долгоживущего нуклида (например, для радия), либо массовые числа; последние приводятся в скобках. Когда открывают новый радиоактивный элемент, то получают вначале лишь один из многих его изотопов – конкретный нуклид с определенным числом нейтронов. Исходя из теоретических представлений, а также экспериментальных возможностей, стараются получить нуклид нового элемента с достаточным временем жизни (с таким нуклидом легче работать), однако удавалось это «с первого захода» не всегда. Как правило, при дальнейших исследованиях выяснялось, что существуют и могут быть синтезированы новые нуклиды с бoльшим временем жизни, и тогда проставленное в Периодической таблице элементов Д.И.Менделеева число надо было заменять. Сопоставим массовые числа некоторых трансуранов, а также прометия, взятые из книг, изданных в разные годы. В скобках в таблице приведены современные данные для периодов полураспада. В старых изданиях вместо принятых в настоящее время символов элементов 104 и 105 (Rf – резерфордий и Db – дубний) фигурировали Ku – курчатовий и Ns – нильсборий.
| Таблица 2. | ||||
| Элемент Z | Год издания | |||
| 1951 | 1958 | 1983 | 2000 | |
| Pm 61 | 147 (2,62 года) | 145 (18 лет) | 145 | 145 |
| Pu 94 | 239 (24100 лет) | 242 (3,76 . 10 5 лет) | 244 (8,2 . 10 7 лет) | 244 |
| Am 95 | 241 (432 года) | 243 (7370 лет) | 243 | 243 |
| Cm 96 | 242 (163 сут) | 245 (8500 лет) | 247 (1,58 . 10 7 лет) | 247 |
| Bk 97 | 243 (4,5 час) | 249 (330 сут) | 247 (1400 лет) | 247 |
| Cf 98 | 245 (44 мин) | 251 (900 лет) | 251 | 251 |
| Es 99 | – | 254 (276 сут) | 254 | 252 (472 сут) |
| Fm 100 | – | 253 (3 сут) | 257 (100,5 сут) | 257 |
| Md 101 | – | 256 (76 мин) | 258 (52 сут) | 258 |
| No 102 | – | – | 255 (3,1 мин) | 259 (58 мин) |
| Lr 103 | – | – | 256 (26 сек) | 262 (3,6 час) |
| Rf 104 | – | – | 261 (78 сек) | 261 |
| Db 105 | – | – | 261 (1,8 сек) | 262 (34 сек) |
Как видно из таблицы, все приведенные в ней элементы радиоактивные, их периоды полураспада намного меньше возраста Земли (несколько млрд. лет), поэтому в природе этих элементов нет и получены они искусственно. По мере совершенствования техники эксперимента (синтез новых изотопов и измерение времени их жизни) иногда удавалось найти нуклиды, живущие в тысячи и даже миллионы раз дольше известных до этого. Например, когда в 1944 на циклотроне в Беркли были поставлены первые опыты по синтезу элемента № 96 (впоследствии его назвали кюрием), то единственная имевшаяся тогда возможность получения этого элемента заключалась в облучении a-частицами ядер плутония-239: 239 Pu + 4 He ® 242 Cm + 1 n. Полученный нуклид нового элемента имел период полураспада около полугода; он оказался очень удобным компактным источником энергии, и позднее его использовали с этой целью, например, на американских космических станциях «Сервейор». В настоящее время получен кюрий-247, который имеет период полураспада 16 млн. лет, что в 36 млн. раз превышает время жизни первого известного нуклида этого элемента. Так что изменения, вносимые время от времени в таблицу элементов, могут быть связаны не только с открытием новых химических элементов!
В заключение – о том, как узнали, в каком соотношении присутствуют в элементе разные изотопы? Например, о том, что в природном хлоре на долю 35 Cl приходится 75,77% (остальное – изотоп 37 Cl)? В данном случае, когда в природном элементе всего два изотопа, решить задачу поможет такая аналогия.
В 1982 в результате инфляции стоимость меди, из которых чеканились одноцентовые монеты США, превысила номинал монеты. Поэтому с этого года монеты делают из более дешевого цинка и лишь сверху покрывают тонким слоем меди. При этом содержание дорогой меди в монете снизилось с 95 до 2,5%, а масса – с 3,1 до 2,5 г. Через несколько лет, когда в обращении находилась смесь монет двух типов, преподаватели химии сообразили, что эти монеты (на глаз они почти неразличимы) – прекрасное пособие для их «изотопного анализа», либо по массе, либо по числу монет каждого типа (аналогия массовой или мольной доли изотопов в смеси). Будем рассуждать так: пусть у нас имеется 210 монет, среди которых есть и легкие, и тяжелые (это соотношение не зависит от числа монет, если их достаточно много). Пусть также общая масса всех монет равна 540 г. Если бы все эти монеты были «легкой разновидности», то общая их масса была бы равна 525 г, что на 15 г меньше действительной. Почему так? Потому что не все монеты легкие: есть среди них и тяжелые. Замена одной легкой монеты на тяжелую приводит к увеличению общей массы на 0,6 г. Нам же надо увеличить массу на 40 г. Следовательно, легких монет имеется 15/0,6 = 25. Таким образом, в смеси 25/210 = 0,119 или 11,9% легких монет. (Конечно, со временем «изотопное соотношение» монет разного типа будет меняться: легких будет все больше, тяжелых – все меньше. Для элементов же соотношение изотопов в природе постоянно.)
Точно так же и в случае изотопов хлора или меди: известна средняя атомная масса меди – 63,546 (ее определили химики, анализируя различные соединения меди), а также массы легкого 64 Cu и тяжелого 65 Cu изотопов меди (эти массы определили физики, используя свои, физические, методы). Если элемент содержит более двух стабильных изотопов, их соотношение определяется другими методами.
Наши монетные дворы – Московский и Санкт-Петербургский тоже, оказывается, чеканили разные «изотопные разновидности» монет. Причина та же – подорожание металла. Так, 10- и 20-рублевые монеты в 1992 чеканились из немагнитного медно-никелевого сплава, а в 1993 – из более дешевой стали, и эти монеты притягиваются магнитом; по внешнему виду они практически не различаются (кстати, часть монет этих годов отчеканены «не в том» сплаве, такие монеты очень редкие, а некоторые стоят дороже золота!). В 1993 чеканились также 50-рублевые монеты из медного сплава, и в том же году (гиперинфляция!) – из стали, покрытой латунью. Правда, массы наших «изотопных разновидностей» монет отличаются не так сильно, как у американских. Тем не менее, точное взвешивание кучи монет дает возможность рассчитать, сколько в них монет каждого сорта – по массе, либо по числу монет, если подсчитано общее их число.
Илья Леенсон
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. |