Как определить атомную массу элемента. Относительная атомная масса элемента в химии и история её определения

Инструкция

Единственное, что вам понадобится - Таблица Менделеева. В ней каждому элементу отведено строго определенное место – «клетка» или «ячейка». В любой ячейке есть информация, содержащая такие сведения: элемента, состоящий из одной или двух букв латинского , порядковый (атомный) , соответствующий количеству протонов в ядре атома и величине его положительного заряда, распределение электронов по электронным уровням и подуровням. И есть еще одна очень важная величина – та самая атомная масса, указывающая, во раз атом этого элемента тяжелее эталонной углеродной единицы.

Рассмотрите на конкретном примере. Возьмите щелочной металл натрий, располагающийся в Таблице Менделеева под номером 11. Его относительная атомная масса, указанная там – примерно 22,99 а.е.м. (атомных единиц массы). Это значит, что каждый атом натрия тяжелее углеродной единицы, принятой за эталон сравнения, приблизительно в 22, 99 раза. Округленно можно принять эту величину за 23. Следовательно, его масса равна 23*1,66*10 в степени -24 = 3,818*10 в степени -23 грамм. Или 3,818*10 в степени -26 кг. Вы вычислили абсолютную массу атома натрия.

Но, разумеется, пользоваться в расчетах такими величинами крайне неудобно. Поэтому, как правило, пользуются относительными атомными массами. А относительная атомная масса для того же натрия равна приблизительно 22,99 а.е.м.

Для любого элемента в Таблице Менделеева указана его относительная атомная масса. Если возникнет необходимость, можно легко вычислить и абсолютную атомную массу, умножив величину относительной атомной массы на величину углеродной единицы (1,66*10 в степени -24 грамм).

Видео по теме

Химия - наука точная, поэтому при смешивании различных веществ просто необходимо знать их четкие пропорции. Для этого нужно уметь находить массу вещества. Сделать это можно различными способами, в зависимости от того, какие величины вам известны.

Инструкция

Если вам известны значения вещества и его количество, примените для определения массы вещества другую формулу, умножив значение количества вещества на его молярную массу (m(x) = n*M). Если же количество вещества неизвестно, но дано число молекул в нем, то используйте число Авогадро. Найдите количество вещества, поделив число молекул вещества (N) на число Авогадро (NA=6,022х1023): n=N/NA, и подставьте в формулу выше.

Чтобы найти молярную массу сложного вещества, сложите атомные массы всех , входящих в его . Атомные массы возьмите из таблицы Д. И. Менделеева в обозначениях соответствующих элементов (для удобства округлите атомные массы до первой цифры после запятой). Затем действуйте в формуле, подставив туда значение молярной массы. Не забывайте об индексах: каков индекс элемента в химической формуле (т.е. сколько атомов в веществе), на столько нужно умножить атомную массу.

Если приходится иметь дело с раствором, и вам известна массовая доля нужного вещества, для определения массы этого вещества умножьте массовую долю вещества на массу всего раствора и поделите результат на 100% (m(x) = w*m/100%).

Составьте уравнение реакции вещества, из него вычислите количество полученного или потраченного вещества, а потом полученное количество вещества подставьте в данную вам формулу.

Каждое вещество не является чем-то сплошным, оно состоит из маленьких частиц, представляющих собой молекулы. Молекулы из атомов. Отсюда можно сделать выводы, что определяемая масса вещества может охарактеризовать молекулы и атомы входящих элементов. В свое время Ломоносов большую часть работ посветил данной теме. Однако, многих любопытных естественников всегда интересовал вопрос: «В каких единицах выражается масса молекулы, масса атома?»

Но, для начала, окунемся немного в историю

В прошлом в расчетах за единицу массы атома всегда брали массу водорода (Н). И, исходя из этого, производили все необходимые расчеты. Однако, большинство соединений присутствуют в природе в виде кислородных соединений, поэтому массу атома элемента рассчитывали по отношению к кислороду (О). Что довольно неудобно, так как приходилось в расчётах постоянно учитывать соотношение О:Н, равное 16:1. К тому же, исследования показали неточность в соотношении, оно на самом деле было равно 15,88:1 или 16:1,008. Такие изменения послужили причиной для пересчета массы атомов для многих элементов. Было принято решение оставить для О значение массы 16, а для Н - 1,008. Дальнейшее развитие науки привело к раскрытию природы самого кислорода. Выяснилось, что молекула кислорода имеет несколько изотопов с массами 18, 16, 17. Для физики не приемлемо использование единицы, имеющей Таким образом, были сформированы две шкалы атомных весов: в химии и физике. Только в 1961 году ученые пришли к выводу, что необходимо создать единую шкалу, которая используется и в наши дни под названием "углеродная единица". В результате, относительная элемента представляет собой массу атома в углеродных единицах.

Способы расчета

Любого вещества состоит из масс атомов, которые образуют данную молекулу. Отсюда следует вывод, что масса молекулы должна выражаться в углеродных единицах, так же, как и масса атома, т.е. относительная атомная масса определяется с учетом относительной Как известно, с помощью можно определить число атомов в молекуле. Зная число атомов и массу молекулы, можно рассчитать атомную массу. Существует еще несколько способов ее определения. В 1858 году Канниццаро предложил метод, по которому относительная атомная масса определяется у тех элементов, которые способны образовывать газообразные соединения. Однако такой способностью не обладают металлы. Поэтому для определения их атомной массы был выбран метод, использующий зависимость атомной массы и теплоемкости соответствующего вещества. Но все рассмотренные способы дают только приближенные значения атомных масс.

Как была рассчитана точная масса атомов элемента?

Как показали научные исследования, из этих приближенных значений можно определить точное. Для этого только требуется сравнить данное значение с эквивалентом. Эквивалент элемента равен отношению относительной атомной массы элемента к его валентности в соединении. Из этого соотношения была определена верная относительная атомная масса каждого элемента.

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.

Относительная атомная масса (сокращенно – атомная масса ) элемента — есть отношение массы его атома к 1 /12 части массы атома 12 С (углерод).

История

Первоначально при вычислениях атомных масс за единицу массы принимали массу атома водорода как самого легкого элемента и по отношению к нему вычисляли массы других элементов. Но так как атомные массы большинства веществ определяются, исходя из состава их кислородных соединений, то фактически вычисления производились по отношению к атомной массе кислорода , которая считалась равной 16 . Отношение между атомными массами кислорода и водорода принимали равным 16 :1 . Впоследствии более точные измерения показали, что это отношение равно 15.874 :1 или 16 :1.0079 . Изменение атомной массы кислорода повлекло бы за собой изменение атомных масс большинства элементов. Поэтому было решено оставить для кислорода атомную массу 16 , приняв атомную массу водорода равной 1.0077 .

Кислородная единица массы

Таким образом, за единицу атомной массы принималась 1 /16 часть атома кислорода , получившая название кислородной единицы.

В дальнейшем было установлено, что природный кислород представляет собой смесь изотопов, так что кислородная единица массы характеризует среднее значение массы атомов природных изотопов кислорода .

Для атомной физики такая единица оказалась неприемлемой, и в этой отрасли науки за единицу атомной массы была принята 1 /16 часть массы атома кислорода 16 О. В результате оформились две школы атомных масс — химическая и физическая. Наличие двух шкал атомных масс создавало большие неудобства.

В 1961 году принята единая шкала относительных атомных масс, в основу которой положена 1 /12 часть массы атома изотопа углерода 12 С, названная атомной единицей массы (а.е.м.) .

\[ 1 а.е.м = 1.66·10^{-27} (кг) \]

В современной шкале относительные массы кислорода и водорода равны соответственно 15.9994 и 1.00794 .

Абсолютные массы атомов 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. Записывать и читать эти числа непросто; можно ошибиться, пропустив ноль или добавить лишний. Существует другой способ записи – в виде произведения: 4 ∙ 10−22 (22 – количество нулей в предыдущем числе). 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

]]>