Масса атома. Относительная атомная масса

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

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),

>> Масса атома. Относительная атомная масса

Масса атома. Относительная атомная масса

Материал параграфа поможет вам выяснить:

> в чем различие между массой атома и относительной атомной массой ;
> почему удобно пользоваться относительными атомными массами;
> где найти значение относительной атомной массы элемента.

Это интересно

Масса электрона составляет приблизительно 9 10 -28 г.

Масса атома.

Важной характеристикой атома является его масса. Почти вся масса атома сконцентрирована в ядре. Электроны имеют настолько малую массу, что ею обычно пренебрегают.

сравнивают с 1/12 - массы атома Карбона (он почти в 12 раз тяжелее атома Гидрогена). Эту маленькую массу назвали атомной единицей массы (сокращенно - а. е. м.):

1 а. е. м. = 1/12m a (С) = 1/12 1,994 10 -23 г = 1,662 10 -24 г.

Масса атома Гидрогена почти совпадает с атомной единицей массы: m а (Н)~ 1а. е. м. Масса атома Урана больше ее в

То есть
m a (U) ~ 238 а. е. м.

Число, которое получают делением массы атома элемента на атомную единицу массы, называют относительной атомной массой элемента. Эту величину обозначают A r (E):

Индекс возле буквы А - первая буква в латинском слове relativus - относительный.

Относительная атомная масса элемента показывает, во сколько раз масса атома элемента больше 1/12 массы атома Карбона.

m а (Н) = 1,673 10 -2 4 г

m a (H)= 1 а. е. м.

A r (H) = 1

Относительная атомная масса элемента не имеет размерности.

Первую таблицу относительных атомных масс составил почти 200 лет назад английский ученый Дж. Дальтон.

На основании изложенного материала можно сделать такие выводы:

Относительные атомные массы пропорциональны массам атомов;
соотношения масс атомов такие же, как и относительных атомных масс.

Значения относительных атомных масс химических элементов записаны в периодической системе .

Джон Дальтон (1766- 1844)

Выдающийся английский физик и химик. Член Лондонского королевского общества (Английской академии наук). Первым выдвинул гипотезу о разных массах и размерах атомов, определил относительные атомные массы многих элементов и составил первую таблицу их значений (1803). Предложил символы элементов и обозначения химических соединений.

Сделав свыше 200 000 метеорологических наблюдений, изучив состав и свойства воздуха, открыл законы парциальных (частичных) давлений газов (1801), теплового расширения газов (1802), растворимости газов в жидкостях (1803).

Рис. 35. Клетка элемента Урана

Они определены с очень высокой точностью; соответствующие числа являются в основном пяти- и шестизначными (рис. 35).

В обычных химических расчетах значения относительных атомных масс принято округлять до целых чисел. Так, для Гидрогена и Урана

A r (H) = 1,0079 ~ 1;
A r (U) = 238,029 ~ 238.

Лишь значение относительной атомной массы Хлора округляют до десятых:

A r (Cl) = 35,453 ~ 35,5.

Найдите в периодической системе значения относительных атомных масс Лития, Карбона, Оксигена, Неона и округлите их до целых чисел.

Во сколько раз массы атомов Карбона, Оксигена, Неона и Магния больше массы атома Гелия? Для вычислений используйте округленные значения относительных атомных масс.

Обратите внимание : элементы размещены в пeриодической системе в порядке возрастания атомных масс.

Выводы

Атомы имеют чрезвычайно малую массу.

Для удобства вычислений используют относительные массы атомов.

Относительная атомная масса элемента является отношением массы атома элемента к - массы атома Карбона.

Значения относительных атомных масс указаны в периодической системе химических элементов.

?
48. В чем различие между понятиями «масса атома» и относительная атомная масса»?
49. Что такое атомная единица массы?
50. Что означают записи A r и A r ?
51. Какой атом легче - Карбона или Титана? Во сколько раз?
52. Что имеет большую массу: атом Флуора или два атома Лития; два ато­ма Магния или три атома Сульфура?
53. Найдите в периодической системе три-четыре пары элементов, соот­ношение масс атомов которых составляет: а) 1: 2; б) 1: 3.
54. Вычислите относительную атомную массу Гелия, если масса атома этого элемента равна 6,647 - 10 -24 г.
55. Рассчитайте массу атома Бериллия.

Попель П. П., Крикля Л. С., Хімія: Підруч. для 7 кл. загальноосвіт. навч. закл. - К.: ВЦ «Академія», 2008. - 136 с.: іл.

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

(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.

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

ПРИМЕР 2