Одной из основных характеристик любого химического элемента является его относительная атомная масса.
(Атомная единица массы - это 1/12 массы атома углерода, масса которого принимается равной 12 а. е. м. и составляет 1,66 10 24 г.
Сравнивая массы атомов элементов с одной а.е.м., находят численные значения относительной атомной массы (Аг).
Относительная атомная масса элемента показывает, во сколько раз масса его атома больше 1/12 массы атома углерода.
Например, для кислорода Аг (О) = 15,9994, а для водорода Аг (Н) = 1,0079.
Для молекул простых и сложных веществ определяют относительную молекулярную массу, которая численно равна сумме атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы. Например, молекулярная масса воды Н2 О
Мг (Н2O) = 2 1,0079 + 1 15,9994 = 18,0153.
Закон авогадро
В химии наряду с единицами массы и объёма используется единица количества вещества, называемая молем.
!МОЛЬ (v ) - единица измерения количества вещества, содержащего столько структурных единиц (молекул, атомов, ионов), сколько атомов содержится в 0,012 кг (12 г) изотопа углерода "С’’.
Это означает, что 1 моль любого вещества содержит одно и то же число структурных единиц, равное 6,02 10 23 . Эта величина носит название постоянной Авогадро (обозначение N А , размерность 1/моль).
Итальянский ученый Амадео Авогадро в 1811 году выдвинул гипотезу, которая в дальнейшем была подтверждена опытными данными и получила впоследствии название закона Авогадро. Он обратил внимание на то, что все газы одинаково сжимаются (закон Бойля-Мариотта) и обладают одинаковыми коэффициентами термального расширения (закон Гей-Люссака). В связи с этим он предположил, что:
в равных объёмах различных газов, находящихся при одинаковых условиях, содержится одинаковое число молекул.
При одинаковых условиях (обычно говорят о нормальных условиях: абсолютное давление равно 1013 миллибар и температура 0° С) расстояние между молекулами у всех газов одинаково, а объём молекул ничтожно мал. Учитывая все вышесказанное, можно сделать предположение:
!если в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул, то и массы, в которых содержится одинаковое число молекул,должны иметь одинаковые объёмы.
Другими словами,
При одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает одинаковый объем. При норальных условиях 1 моль любого газа занимает объем v , равный 22,4 л. Этот объем называется молярным объемом газа (размерность л/моль или м ³ /моль).
Точное значение молярного объёма газа при нормальных условиях (давление 1013 миллибар и температура 0° С) составляет 22,4135 ± 0,0006 л/моль. При стандартных условиях (t =+15° С, давление = 1013 мбар) 1 моль газа занимает объём 23,6451 л, а при t =+20° С и давлении 1013 мбар 1 моль занимает объём около 24,2 л.
В численном выражении молярная масса совпадает с массами атомов и молекул (в а. е. м.) и с относительными атомными и молекулярными массами.
Следовательно, 1 моль любого вещества имеет такую массу в граммах, которая численно равна молекулярной массе данного вещества, выраженной в атомных единицах массы.
Например, М(O2) = 16 а. е. м. 2 = 32 а. е. м., таким образом, 1 моль кислорода соответствует 32 г. Плотности газов, измеренные при одинаковых условиях, относятся как их молярные массы. Так как при перевозке сжиженных газов на газовозах основным объектом практических задач являются молекулярные вещества (жидкости, пары, газы), то и основными искомыми величинами будут молярная масса М (г/моль), количество вещества v в молях и масса т вещества в граммах или килограммах.
Зная химическую формулу того или иного газа, можно решить некоторые практические задачи, возникающие при транспортировке сжиженных газов.
Пример 1. В дек-танке находится 22 т сжиженного этилена (С 2 Н 4 ). Необходимо определить, достаточно ли на борту груза, для того чтобы продуть три грузовых танка объёмом 5000 м 3 каждый, если после продувки температура танков будет составлять 0° С, а давление 1013 миллибар.
1. Определяем молекулярную массу этилена:
М = 2 12,011 + 4 1,0079 = 28,054 г/моль.
2. Рассчитываем плотность паров этилена при нормальных условиях:
ρ = M/V = 28,054: 22,4 = 1,232 г/л.
3. Находим объём паров груза при нормальных условиях:
22∙10 6: 1,252= 27544 м 3 .
Общий объём грузовых танков составляет 15000 м 3 . Следовательно, на борту достаточно груза, для того чтобы продуть все грузовые танки парами этилена.
Пример 2 . Необходимо определить, какое количество пропана (С 3 Н 8 ) потребуется для продувки грузовых танков общей вместимостью 8000 м 3 , если температура танков составляет +15° С, а давление паров пропана в танке после окончания продувки не будет превышать 1013 миллибар.
1. Определим молярную массу пропана С 3 Н 8
М = 3 12,011 + 8 1,0079 = 44,1 г/моль.
2. Определим плотность паров пропана после продувки танков:
ρ = М: v = 44,1: 23,641 = 1,865 кг/м 3 .
3. Зная плотность паров и объём, определяем общее количество пропана, необходимое для продувки танка:
m = ρ v = 1,865 8000 = 14920 кг ≈ 15 т.
Общие сведения [ | ]
Одним из фундаментальных свойств атома является его масса . Абсолютная масса атома - величина, чрезвычайно малая. Так, атом водорода имеет массу около 1,67⋅10 −24 г . Поэтому в химии (для практических целей) преимущественно и значительно удобнее пользоваться относительной [условной] величиной, которую называют относительной атомной массой или просто атомной массой и которая показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше массы атома другого элемента, принятой за единицу измерения массы.
В качестве единицы измерения атомных и молекулярных масс принята 1 ⁄ 12 часть массы нейтрального атома наиболее распространённого изотопа углерода 12 C . Эта внесистемная единица измерения массы получила название атомная единица массы (а. е. м. ) или дальтон (Да).
Разность между атомной массой изотопа и его массовым числом называется избытком массы (обычно его выражают в МэВ). Он может быть как положительным, так и отрицательным; причина его возникновения - нелинейная зависимость энергии связи ядер от числа протонов и нейтронов, а также различие в массах протона и нейтрона.
Зависимость атомной массы изотопа от массового числа такова: избыток массы положителен у водорода-1 , с ростом массового числа он уменьшается и становится отрицательным, пока не достигается минимум у, потом начинает расти и возрастает до положительных значений у тяжёлых нуклидов . Это соответствует тому, что деление ядер, более тяжёлых, чем железо, высвобождает энергию, тогда как деление лёгких ядер требует энергии. Напротив, слияние ядер легче железа высвобождает энергию, слияние же элементов тяжелее железа требует дополнительной энергии.
Молекулярная (молярная) масса [ | ]
История [ | ]
При вычислениях атомных масс изначально (с начала XIX века, по предложению Дж. Дальтона ; см. Атомистическая теория Дальтона) за единицу массы [относительную] принимали массу атома водорода как самого лёгкого элемента и по отношению к нему вычисляли массы атомов др. элементов. Но так как атомные массы большинства элементов определяются, исходя из состава их кислородных соединений , то фактически (де-факто) вычисления производились по отношению к атомной массе кислорода, которая принималась равной 16; отношение между атомными массами кислорода и водорода считали равным 16: 1. Впоследствии более точные измерения показали, что это отношение равно 15,874: 1 или, что то же самое, 16: 1,0079 , - в зависимости от того, к какому атому - кислорода или водорода - относить целочисленное значение. 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 1,0079.
Таким образом, за единицу атомной массы принималась 1 ⁄ 16 часть массы 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 (кислорода-16, и кислорода-18), которое оказалось непостоянным из-за природных вариаций изотопного состава 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 O. В результате оформились две шкалы атомных масс - химическая и физическая. Наличие двух шкал атомных масс создавало большие неудобства. Величины многих констант, рассчитанных по физической и химической шкалам, оказывались различными . Это неприемлемое положение привело к введению углеродной шкалы атомных масс вместо кислородной.
Единая шкала относительных атомных масс и новая единица атомной массы принята Международным съездом физиков (1960) и унифицирована Международным съездом химиков (1961; спустя 100 лет после 1-го Международного съезда химиков), вместо предыдущих двух кислородных единиц атомной массы - физической и химической. Кислородная химическая единица равна 0,999957 новой углеродной единицы атомной массы. В современной шкале относительные атомные массы кислорода и водорода равны соответственно 15,9994: 1,0079… Поскольку новая единица атомной массы привязана к конкретному изотопу, а не к среднему значению атомной массы химического элемента, природные изотопные вариации не сказываются на воспроизводимости этой единицы.
Примечания [ | ]
Литература [ | ]
Ссылки [ | ]
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.
Одним из фундаментальных свойств атомов, является их масса. Абсолютная (истинная) масса атома – величина чрезвычайно малая. Взвесить атомы на весах невозможно, поскольку таких точных весов не существует. Их массы были определены с помощью расчетов.
Например, масса одного атома водорода равна 0,000 000 000 000 000 000 000 001 663 грамма! Масса атома урана – одного из самых тяжелых атомов, составляет приблизительно 0,000 000 000 000 000 000 000 4 грамма.
Точное значение массы атома урана – 3,952 ∙ 10−22 г, а атома водорода, самого легкого среди всех атомов, – 1,673 ∙ 10−24 г.
Производить расчеты с малыми числами неудобно. Поэтому вместо абсолютных масс атомов используют их относительные массы.
Относительная атомная масса
О массе любого атома можно судить, сравнивая ее с массой другого атома (находить отношение их масс). С момента определения относительных атомных масс элементов использовались различные атомы в качестве сравнения. Своеобразными эталонами для сравнения в свое время были атомы водорода и кислорода.
Единая шкала относительных атомных масс и новая единица атомной массы, принята Международным съездом физиков (1960) и унифицирована Международным съездом химиков (1961).
По сегодняшний день эталоном для сравнения является 1/12 часть массы атома углерода. Данное значение называют атомной единицей массы, сокращенно а.е.м
Атомная единица массы (а.е.м.) – масса 1/12 части атома углерода
Сравним, во сколько раз отличается абсолютная масса атома водорода и урана от 1 а.е.м., для этого разделим эти числа одно на другое:
Полученные при расчетах значения и являются относительными атомными массами элементов – относительно 1/12 массы атома углерода.
Так, относительная атомная масса водорода приблизительно равна 1, а урана – 238. Обратите внимание, что относительная атомная масса не имеет единиц измерения, так как при делении единицы измерения абсолютных масс (граммы) сокращаются.
Относительные атомные массы всех элементов указаны в Периодической Системе химических элементов Д.И. Менделеева. Символ, при помощи которого обозначают относительную атомную массу – Аr (буква r – сокращение от слова relative, что означает относительный).
Значения относительных атомных масс элементов используются во многих расчетах. Как правило, значения, приведенные в Периодической Системе, округляются до целых чисел. Обратите внимание, что элементы в Периодической Системе размещены в порядке увеличения относительных атомных масс.
Например, при помощи Периодической Системы определим относительные атомные массы ряда элементов:
Ar(O) = 16; Ar(Na) = 23; Ar(P) = 31.
Относительную атомную массу хлора принято записывать равной 35,5!
Ar(Сl) = 35,5
- Относительные атомные массы пропорциональны абсолютным массам атомов
- Эталоном для определения относительной атомной массы является 1/12 часть массы атома углерода
- 1 а.е.м. = 1,662 ∙ 10−24 г
- Относительную атомную массу обозначают Ar
- Для расчетов значения относительных атомных масс округляют до целых, исключение – хлор, для которого Ar = 35,5
- Относительная атомная масса не имеет единиц измерения
Каждый атом обладает определенной массой, значение которой чрезвычайно мало (от 1·10 -24 до 1·10 -22 г.). Пользоваться такими значениями в химических расчетах очень неудобно, поэтому на практике вместо абсолютных масс атомов используются относительные атомные массы (называть эту величину просто, атомная масса — не верно) и обозначаются символом Ar. Относительные атомные массы являются некоторым соотношением между абсолютными массами различных атомов.
Относительная атомная масса элемента — это число, показывающее, во сколько раз масса одного атома данного элемента больше 1/12 части массы атома изотопа углерода-12 (12 С).
Например, округленные значения относительной атомной массы кислорода и фтора составляют 16,00 и 19,00. Отсюда следует, что значения абсолютной атомной массы для одного атома кислорода больше в 16 раз, а значение той же величины для одного атома фтора больше в 19 раз, чем значение 1/12 части абсолютной атомной массы атома 12 С, а массы атомов O и F относятся между собой как 16: 19.
Относительные атомные массы элементов указаны в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. В электронной таблице представленной ниже, вы можете получить данные об относительной атомной массе всех элементов Периодической системы.
Для большинства элементов в Периодической системе указаны среднеарифметические значения относительных атомных масс для природной смеси изотопов этих элементов (изотопно-смешанные элементы). Углерод также встречается в природе в виде двух изотопов 12 С (98,90%) и 13 С (1,10%); этой природной смеси отвечает значение относительной атомной массы 12,0000·0,9890 + 13,0034·0,0110 = 12,011 а.е.м. Природный фтор состоит только из одного изотопа — изотопно чистый элемент, его относительная атомная масса определена достаточно точно 18.9984032 а.е.м.
Ранее за точку отсчета относительных атомных масс принимался кислород (масса 1/16 части атома кислорода называлась кислородной единицей), причем в физике использовался чистый изотоп 16 O (относительная атомная масса 16,0000 а.е.м.), а в химии — природная смесь изотопов с тем же значением относительной атомной массы. Таким образом, в старой физической литературе относительные массы элементов соответствовали физической шкале с кислородной единицей, масса которой равна 1,65976·10 -24 г, а в старой химической литературе — химической шкале с кислородной единицей, масса которой 1,66022·10 -24 г. С целью унификации в 1959-1961 г. Международные союзы теоретической и прикладной физики и теориетической и прикладной химии утвердили новую шкалу, основанную на относительной атомной массе 12С для которого значение относительной атомной массы установлено равным 12,0000 (точно). По современной шкале атомной единицей массы (а.е.м.) является унифицированная углеродная единица, равная 1,660538782(83)·10 -27 кг (по данным 2006 г). Значения относительных атомных масс элементов определяют как частное от деления значения абсолютной атомной массы атома данного элемента к 1/12 части абсолютной массы атома изотопа 12 С.
Пример. Масса атома фтора 3,15481·10 -23 г, следовательно, относительная атомная масса фтора Ar(F) = 3,15481·10 -23 г / 1,660538782(83)·10 -24 г = 18,9984 а.е.м.
Атомная единица массы — фундаментальная физико-химическая постоянная, значение которой будет уточняться по мере развития техники измерения. Официально рекомендованными являются англоязычные термины atomic mass unit (a.m.u.) или unified atomic mass unit (u.a.m.u.).
Международный союз теоретической и прикладной химии — ИЮПАК (International Union of Pure and Applied Chemistry) — IUPAC, каждые два года публикует сводку уточненных значений Ar для всех химических элементов. В последние десятиления появились две тенденции: для изотопно-чистых элементов значения Ar определяются все более точно за счет повышения чувствительности измерительных приборов, а для изотопно-смешанных элементов точность определения Ar снижается из-за различия изотопного состава в пробах разного происхождения. Комиссия ИЮПАК по химическому образованию рекомендует использовать для учебных целей значения Ar, содержащие не менее четырех значащих цифр.
Значения относительной атомной массы известны и для каждого изотопа любого элемента (т.е. для каждого нуклида). Значения Ar для изотопа водорода 1 H (протий) и 2 H (дейтерий) равны 1,0078 и 2,0141, для изотопов 16 O, 17 O и 18 O — соответственно 15,9949; 16,9991 и 17,9992; для изотопа 27 Al = 26,9815. Целое число, которое указано в левом верхнем индексе у символа элемента (12 С), есть фактически округленное значение его относительной атомной массы. Оно называется массовым числом изотопа и равно сумме нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре атома этого изотопа.
Из вышесказанного следует, что масса (точнее масса покоя) одного нуклона в атомных единицах массы равна примерно единице; точные значения: mp = 1.007276 а.е.м. для протона, и mn = 1.008665 а.е.м. для нейтрона. Отсюда ясен выбор шкалы для относительных масс элементов; простейший атом водорода (один протон в ядре) должен иметь единичное значение Ar, приблизительно равное массе протона (точное значение 1,00794 а.е.м.).
Коэффициентом пропорциональности между единицей массы — граммом и единицей относительной атомной массы является число Авогадро равно N A = 6.02214082(11)·10 23 моль -1 .