Одно из фундаментальных понятий химии - атомная масса элемента, которая используется в практически любых химических расчетах. Умение вычислять атомную массу пригодится в основном школьникам и тем, кто планирует заниматься химией в будущем. Впрочем, формула для расчета атомной массы проста до невозможности.

Определение и формула

Атомная масса - это сумма масс всех протонов, нейтронов и электронов, которые и составляют атом. В сравнении с массами протонов и нейтронов, масса электронов ничтожно мала, поэтому в расчетах электроны не учитывают. Так как масса самих нейтронов и протонов вычисляется бесконечно малыми числами в 27 отрицательной степени, то для удобства вычислений используется относительная атомная масса, которая выражается в безликих атомных единицах.

Атомная единица массы - это относительная величина, равная 1/12 от массы ядра углерода-12, ядро которого имеет в своем составе 6 нейтронов и 6 протонов. Таким образом, формула для определения атомной массы выглядит так:

Масса = количество нейтронов + количество протонов.

По данной формуле рассчитываются атомные массы отдельных изотопов химических элементов. Это значит, что масса урана-238 равно 238 а.е.м, в то же время уран-235 имеет массовое число 235. Данный химических элемент вообще богат на изотопы, поэтому существуют ядра урана с массовыми числами 232, 233, 234, 235, 236 и 238. Несмотря на подобное разнообразие, уран-238 занимает 99% всего урана в природе, поэтому если вычислять среднее значение атомных чисел, то химический элемент уран получает атомный вес, равный 238,029.

Таким образом, важно понимать разницу между атомной массой и средним атомным весом:

• атомная масса - сумма нейтронов и протонов конкретного изотопа (всегда целое число);
• атомный вес - среднее арифметическое атомных масс всех изотопов, которые встречаются в природе (обычно дробное число).

Еще пример

Водород - наиболее распространенный элемент во Вселенной. 99% водорода - это протий или водород-1, который содержит всего 1 протон. Также существуют изотопы: дейтерий или водород-2 и тритий или водород-3. Данные изотопы имеют атомные массы 2 и 3 соответственно, однако они крайне редко встречаются в природе, поэтому атомный вес водорода составляет 1,00784.

Нахождение атомной массы

Определить атомное число для выбранного элемента можно при помощи таблицы Менделеева. Номер элемента в таблице всегда совпадает с количеством протонов в ядре. К примеру, упомянутый выше водород имеет первый номер в таблице и в его составе содержится всего 1 протон. Ниже в таблице всегда указан средний атомный вес элемента, который для расчетов требуется округлить до ближайшего целого числа.

Изначально отображает всю информацию по количеству протонов и электронов в атоме, а также его атомной массе. Именно поэтому в школьных задачах на определение атомной массы достаточно использовать периодическую таблицу и не вычислять ничего специально.

Обычно на уроках по химии ставится обратная задача: как определить количество нейтронов в конкретном изотопе? В этом случае действует простая формула:

Количество нейтронов = атомная масса – порядковый номер.

К примеру, атом водорода-1 не содержит нейтронов, так как его атомное число равняется также единице. А вот тритий - это уже водород с одним протоном и двумя нейтронами. Тритий - нестабильный изотоп. Он легко распадается на атомы гелия, свободные электроны и антинейтрино, при этом выделяется некоторое количество энергии. Нестабильные изотопы носят название радиоактивных.

Рассмотрим пример

Определение атомной массы

Рассмотрим кислород - химический элемент, который имеет 8 порядковый номер в периодической таблице Менделеева. Это значит, что кислород в своем ядре имеет 8 протонов, а также 8 электронов на орбитах. Атомная масса, указанная в таблице, составляет 16 а. е. м, для вычисления которой нам не понадобится калькулятор. Из этой информации мы можем определить, что атом кислорода содержит 8 нейтронов. Однако количество нейтронов может легко изменяться в зависимости от внешних условий.

Если кислород потеряет или добавит один нейтрон, мы получим новый изотоп, атомная масса которого изменится. Используя калькулятор, вы можете вычислить массовые числа разных изотопов кислорода, которые, впрочем, в самом своем названии содержат ответ на этот вопрос. В природе существует 3 устойчивых изотопа оксигена: кислород-16, кислород-17 и кислород-18. Последние два имеют в ядре «лишние» нейтроны.

Кроме того, существуют неустойчивые изотопы кислорода, период полураспада которых составляет от нескольких минут до миллионных долей наносекунд.

Заключение

Массовое число - важный параметр любого элемента, при помощи которого рассчитываются молярные массы при проведении химических реакций. Впрочем, массовое число всегда указывается в периодической таблице Менделеева, поэтому наш калькулятор пригодится в основном школьникам, которые еще только начинают изучение удивительной науки химии.

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

Шаги

Нахождение атомной массы по периодической таблице элементов

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

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

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

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

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

Расчет атомной массы отдельного атома

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

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

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

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

Вычисление относительной атомной массы (атомного веса) элемента

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Массы некоторых изотопов

Изотоп		Изотоп	Масса нейтрального атома, а.е.м.
Н (водород) H (дейтерий) H (тритий) Нe (гелий) Не (гелий) Li(литий) Li(литий) Ве (бериллий) Ве (бериллий) B (бор) В (бор) C (углерод) N (азот) N (азот) О(кислород) О (кислород)	1,00783 2,01410 3,01605 3,01602 4,00260 6,01513 7,01601 8,00531 9,01219 10,01294 11,00931 12,00000 14,00307 15,00011 15,99491 16,99913	F (фтор) Al (алюминий) P (фосфор) Si (кремний) Ca (кальций) Co (кобальт) Cu (медь) Cd (кадмий) Hg (ртуть) Rn (родон) Ra (радий) U (уран) U (уран) Np (нептуний) Pu (плутоний)	18,99843 26,98153 29,97867 29,97377 39,96257 55,93984 62,92960 111,90276 199,96832 222,01922 226,02435 235,04299 238,05006 237,04706 239,05122

Находим в табл. 26.1 и 26.2 значения:

масса атома 1 Н 2: 2,01410 а.е.м.,

масса протона: 1,00728 а.е.м.,

масса нейтрона: 1,00866 а.е.м.,

масса электрона: 0,00055 а.е.м.

Масса ядра 1 Н 2 = (масса атома 1 Н 2) – (масса электрона) =

2,01410 – 0,00055 = 2,01355 а.е.м.;

(масса протона + масса нейтрона) = 1,00728 + 1,00866 =

2,01594 а.е.м.

Как видим, 2,01594 > 2,01355!

Разницу между массами нуклонов, составляющих ядро, и массой самого ядра называют дефектом массы .

Задача 26.4. Вычислить дефект массы, энергию связи и удельную энергию связи ядра гелия 2 Не 4 (в МэВ).

Масса атома складывается из массы ядра и массы Z электронов:

т а = т я + Zm e Þ т я = т а – Zm е .

Тогда дефект массы ядра равен:

Dт = Zm p + (A – Z )m n – (т а – Zm е ) =

= Z (m p + т е ) + (A – Z )m n – т а.

Учтем, что атом водорода 1 Н 1 – это как раз «протон+электрон», поэтому можно считать, что m p + т е = т Н, где т Н – масса атома водорода 1 Н 1 . Тогда формула для дефекта масса примет вид:

Dт = Zm н + (A – Z )m n – т а . (26.3)

Применим формулу (26.3) к нашему случаю: Z = 2, А = 4, получим

Dт = 2m н + (4 – 2)m n – т а .

Значение массы атомов водорода 1 Н 1 и 2 Не 4 находим в табл. 26.2, а значения массы нейтрона в табл. 26.1. Подставим в формулу численные значения и получим

Dт = 2×1,00783 + (4 – 2)×1,00866 – 4,00260 » 0,03038 а.е.м.

Вспомним, что 1 а.е.м. = (г) = кг.

Переведем Dт в килограммы: Dт = 5,05×10 –29 кг.

Теперь найдем энергию связи по формуле:

Е св = Dтс 2 , (26.4)

Е св = 5,05×10 –29 кг × (3,0×10 8 м/с) 2 » 4,55×10 –12 Дж.

Переведем джоули в электрон-вольты:

Е св = эВ » 28,4 МэВ.

По формуле (26.2) найдем удельную энергию связи:

7,1 МэВ.

Ответ : Dт » 0,03038 а.е.м.; Е св » 28,4 МэВ; Е уд » 7,1 МэВ.

СТОП! Решите самостоятельно: А5–А7, В6–В8.

Задача 26.5. Выделяется или поглощается энергия в ядерной реакции 7 N 14 + 2 Не 4 ® 8 О 17 + 1 Н 1 ?

Решение . Чтобы ответить на вопрос задачи, необходимо выяснить, увеличивается или уменьшается масса системы в результате реакции. Масса атомов до реакции равна

Масса атомов после реакции:

18,00696 > 18,00567.

Значит, энергия увеличилась: Е 2 > Е 1 , поэтому чтобы реакция прошла, надо добавить «внешнюю» энергию. А в ходе реакции эта добавленная энергия будет поглощена: она пойдет на увеличение массы системы.

Ответ : энергия поглощается.

СТОП! Решите самостоятельно: В9.

Задача 26.6. Сколько энергии поглотится в ядерной реакции 7 N 14 + 2 Не 4 ® 8 О 17 + 1 Н 1 ?

Решение . Поглощенная энергия – это та энергия, которая пошла на увеличение массы системы: Е = Dтс 2 .

Величину Dт можно найти, воспользовавшись результатом предыдущей задачи:

Dт = 18,00696 – 18,00567 » 1,29×10 –3 а.е.м.

Переведем а.е.м. в килограммы:

Dт = кг.

Е = Dтс 2 = 2,14×10 –30 ×(3,0×10 8 м/с) 2 » 1,93×10 –13 Дж.

Переведем эту энергию в электрон-вольты:

Е = эВ = 1,2 МэВ.

Ответ : Е = Dтс 2 » 1,2 МэВ.

СТОП! Решите самостоятельно: В10, С1, С2.

Задача 26.7. Найти минимальную кинетическую энергию W к протона, способного «разбить» ядро дейтерия на протон и нейтрон.

Решение.

Читатель : Это просто: W к = Dтс 2 , где Dт – дефект массы ядра дейтерия.

Автор : Не совсем так. Ведь «осколки» деления – протон и нейтрон – будут иметь какие-то скорости, а значит, они будут обладать кинетической энергией. Кроме того, и «налетающий» протон после соударения будет иметь какую-то скорость.

Пусть начальная скорость протона υ 0 . Разобьем процесс его взаимодействия с ядром на два этапа: сначала ядро захватывает протон и составляет с ним одно целое, а затем распадается на три осколка: 2 протона и 1 нейтрон.

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.