Атомная масса природного элемента

Химия. Учебники по химии. Шпаргалки по химии.

§2.4 Атомные веса природных элементов. Изотопный состав элементов. Дефект массы.

В природе элементы за редким исключением существуют в виде смесей из нескольких изотопов. Это ведет к тому, что атомный вес природного элемента несколько отличается от атомного веса любого из его чистых изотопов. Легче всего это понять из таблицы 2-2, где приведены атомные веса природных элементов и их изотопный состав.

Таблица 2-2. Символы, названия, атомные веса и природный изотопный состав некоторых химических элементов.

Элемент и его символ с массовым числом и зарядом ядра

Атомный вес природного элемента

Содержание изотопов в природном элементе, %

Названия элементов на латинском и русском языке и латинские символы этих элементов приведены для того, чтобы мы постепенно начинали знакомиться со всеми элементами. Из таблицы видно, что средний измеренный атомный вес найденного в природе элемента зависит от того, сколько в нем содержится разных изотопов.

Итак, в первой колонке таблицы 2-2 приведено русское название элемента. Ниже — латинский символ элемента, связанный обычно с его латинским названием. Слева вверху от символа элемента указываются массовое число ( сумма протонов и нейтронов в ядре), а слева внизу — заряд ядра атома (количество протонов). Например:

Как видно из таблицы 2-2, атомные веса элементов, найденных в природе в виде единственного изотопа (например, натрия), в точности равны атомному весу этого изотопа. Иначе обстоит дело с элементами, которые существуют на Земле в виде нескольких изотопов (например, хлор, кислород): их атомный вес зависит от того, какой изотоп этого элемента наиболее распространен и сколько в нем «примесей» других изотопов этого элемента.

Атомный вес элемента равен среднему значению из атомных весов всех его природных изотопов с учетом их распространенности.

** Например, элемент хлор в природе находится в виде двух изотопов: хлор-35 и хлор-37. Их содержание составляет 75,53% и 24,47% (см. табл. 2-2). Если общее содержание двух изотопов хлора в сумме принять за единицу, то одного из них — примерно 0,75 и другого — примерно 0,25 (в долях единицы). Тогда атомный вес природной смеси двух изотопов хлора округленно равен:

34,97 × 0,75 + 36,96 × 0,25 = 35,5 а.е.м.

Можно решать и обратную задачу. Допустим, точно известно, что природный хлор состоит из двух изотопов 35 Cl и 37 Cl. Найденный в эксперименте атомный вес природного хлора составил 35,5 а.е.м. Сколько каждого изотопа содержится в природном хлоре? Если принять сумму изотопов за единицу, а содержание, например, 35 Cl за x, то содержание изотопа 37 Cl составит (1 — x). Тогда: 35x + 37(1 — x) = 35,5. Решив это простое уравнение, получим содержание изотопа 35 Cl равным 0,75 или 75%.

Есть еще один важный фактор, влияющий (хотя и в меньшей степени) на атомный вес элемента — дефект массы. Внимательный читатель мог заметить некоторые «странности» в табл. 2-2. Например, атомный вес единственного изотопа натрия 23 11 Na немного меньше, чем 23 а.е.м. Но нам уже известно, что массы протона и нейтрона чуть больше 1 а.е.м. Почему же атом натрия, содержаший в своем ядре 11 протонов и 12 нейтронов имеет массу меньше 23 (22,9898 а.е.м.)? То же явление хорошо заметно для изотопов кислорода и хлора (см. табл. 2-2). Дело в том, что связывание между собой одноименно заряженных протонов в ядрах атомов требует больших затрат энергии. Нейтроны тоже участвуют в этом связывании, выполняя роль своеобразного ядерного «клея». При этом часть массы протонов и нейтронов переходит в энергию связывания нуклонов в ядре. Такая потеря массы протонов и нейтронов, возникающая в результате их связывания, называется дефектом массы.

Дефект массы — уменьшение массы атома по сравнению с суммарной массой всех отдельно взятых составляющих его элементарных частиц, обусловленное энергией их связи в атоме.

Если «разобрать» ядро атома на отдельные протоны и нейтроны (например, с помощью ядерной реакции), то их масса вновь примет именно те значения, которые нам уже известны: 1,00728 а.е.м. для протона и 1,00867 а.е.м. для нейтрона.

Дефект массы является следствием универсального соотношения E = Mc 2 , вытекающего из теории относительности А. Эйнштейна, где E — полная энергия системы, c = 3 . 10 10 см/сек — скорость света в пустоте, M — масса системы (в нашем случае — атома). Тогда D M = D Е/c 2 , где D M — дефект массы, а D E — энергия связи нуклонов в ядре, т.е. энергия, которую необходимо затратить для разделения ядра атома на отдельные протоны и нейтроны. Таким образом, чем больше дефект массы, тем больше энергия связывания нуклонов в ядре и тем устойчивее ядро атома элемента. С увеличением числа протонов в ядре (и массового числа) дефект массы сначала возрастает от нуля (для 1 H) до максимума (у 64 Ni), а затем постепенно убывает для более тяжелых элементов.

Нет никакой необходимости запоминать изотопный состав, заряд ядра, массовые числа и атомные веса разных элементов. Эти значения всегда можно найти в справочниках. Важно понимать физический смысл этих величин.

Иначе обстоит дело с названиями и символами элементов. Это один из немногих разделов химии, который требует простого запоминания. В таблице 2-3 приведены названия и символы некоторых наиболее известных и распространенных химических элементов. Интересно, что во многих случаях русские и латинские названия элементов расходятся довольно сильно — и это естественно, потому что в России химическая наука (и связанное с ней производство) развивались самостоятельно и необходимые термины вводились в язык по мере того, как в них возникала потребность.

На первый взгляд кажется, что запомнить названия и символы элементов чрезвычайно трудно. К счастью, необходимо знать не все, а только важнейшие элементы. Например, только те, которые представлены в таблице 2-3. Кроме того, в конце этой главы мы расскажем о том, как можно довольно легко и весело помочь себе в этом нелегком деле.

Таблица 2-3. Названия и символы некоторых элементов.

Источник