Масса атома и относительная атомная масса. Атомная масса. Исторический ход подсчёта вещества

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 [ | ]

Атомно-молекулярное учение определяет атом, как мельчайшую химически неделимую частицу. А если это частица, то она должна иметь массу, которая очень мала. Современные методы исследования позволяют с большой точностью определять эту величину.

Пример: m(H) = 1,674· 10 -27 кг

m(O) = 2,667 · 10 -26 кг Абсолютные массы

m (C) = 1,993 · 10 -26 кг

Представленные величины очень неудобны для проведения вычислений. Поэтому в химии чаще используют не абсолютные, а относительные атомные массы. Относительная атомная масса (Аr) представляет собой отношение абсолютной массы атома к 1/12 массы атома углерода. С помощью формулы - это можно записать так

1/12m(c) является величиной сравнения и называется 1 а.е.м.

1а.е.м. = 1/12· 1,993 · 10 -26 кг = 1,661 · 10-27 кг

Посчитаем Аr для некоторых элементов.

Аr(О) = = = 15,99 ~ 16

Аr(H) = = = 1,0079 ~ 1

Сравнивая относительные атомные массы кислорода и водорода с абсолютными, хорошо видны преимущества Аr. Величины Аr намного проще. Их удобнее использовать в вычислениях. Готовые величины Аr приведены в таблице Менделеева. Используя Аr элементов, можно проводить сравнения их масс.

Данное вычисление показывает, что атом цинка весит в 2,1 раза больше, чем атом фосфора.

Относительная молекулярная масса (Mr) равна сумме относительных атомных масс, входящих в нее атомов (безразмерна). Вычислим относительную молекулярную массу воды. Вы знаете, что в состав молекулы воды входят два атома водорода и один атом кислорода. Тогда ее относительная молекулярная масса будет равна сумме произведений относительной атомной массы каждого химического элемента на число его атомов в молекуле воды:

вычислите относительные молекулярные массы веществ.

Mr (Cu 2 O)=143,0914

Mr (Na 3 PO 4)= 163,9407

Mr (AlCl 3)= 133,3405

Mr (Ba 3 N 2)= 439,9944

Mr (KNO 3)= 101,1032

Mr (Fe (OH) 2)= 89,8597

Mr (Mg(NO 3) 2)= 148,3148

Mr (Al 2 (SO 4) 3)= 342,1509

Количество вещества (n) - физическая величина, характеризующая количество однотипных структурных единиц, содержащихся в веществе. Под структурными единицами понимаются любые частицы, из которых состоит вещество (атомы, молекулы, ионы, электроны или любые другие частицы).

Единицей измерения количества вещества (n) является моль. Моль – количество вещества, содержащее столько структурных элементарных единиц (молекул, атомов, ионов, электронов и т.д.), сколько содержится атомов в 0,012 кг (12 г) = 1 моль изотопа углерода 12 С.

Число атомов N A в 0,012 кг (12 г) углерода, или в 1 моль, легко определить следующим образом:

Величина N A называется постоянной Авогадро.

При описании химических реакций, количество вещества является более удобной величиной, чем масса, так как молекулы взаимодействуют независимо от их массы в количествах, кратных целым числам.

Например, для реакции горения водорода (2H2 + O2 → 2H2O) требуется в два раза большее количество вещества водорода, чем кислорода. Соотношение между количествами реагирующих веществ непосредственно отражается коэффициентами в уравнениях.

Пример: в 1 моле хлорида кальция = содержит 6,022×10 23 молекул (формульных единиц) - CaCl 2 .

1 моль (1 М) железа = 6 . 10 23 атомов Fe

1 моль (1 М) ионов хлора Cl - = 6 . 10 23 ионов Cl - .

1 моль (1 М) электронов е - = 6 . 10 23 электронов е - .

Для вычисления количества вещества на основании его массы пользуются понятием молярная масса:

Молярная масса (М) - это масса одного моля вещества (кг/моль, г/моль ). Относительная молекулярная масса и молярная масса вещества численно совпадают, но имеют разную размерность, например, для воды М r = 18 (относительная атомная и молекулярная массы величины безразмерные), М = 18 г/моль. Количество вещества и молярная масса связаны простым соотношением:

Большую роль в формировании химической атомистики сыграли основные стехиометрические законы, которые были сформулированы на рубеже XVII и XVIII столетий.

1. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ (М.В. Ломоносов,1748).

Сумма масс продуктов реакции равна сумме масс исходных веществ . В качестве дополнения к этому закону может служить закон сохранения массы элемента (1789, А.Л. Лавуазье) - масса химического элемента в результате реакции не изменяется . Эти законы имеют для современной химии определяющее значение, поскольку позволяют моделировать химические реакции уравнениями и выполнять на их основе количественные вычисления.

2. ЗАКОН ПОСТОЯНСТВА СОСТАВА (Ж. Пруст,1799-1804).

Индивидуальное химическое вещество молекулярного строения имеет постоянный качественный и количественный состав, не зависящий от способа его получения . Соединения, подчиняющиеся закону постоянства состава, называют дальтонидами. Дальтонидами являются все известные к настоящему времени органические соединения (около 30 миллионов) и часть (около 100 тыс.) неорганических веществ. Вещества, имеющие немолекулярное строение (бертолиды), не подчиняются данному закону и могут иметь переменный состав, зависящий от способа получения образца. К ним относятся большинство (около 500 тыс.) неорганических веществ.

3. ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ (И. Рихтер, Дж. Дальтон, 1792-1804).

Каждое сложное вещество, независимо от способа его получения, имеет постоянный качественный и количественный состав. Следовательно, химические вещества взаимодействуют друг с другом в строго определенных (эквивалентных) соотношениях. Массы реагирующих веществ прямо пропорциональны их эквивалентным массам .

где Э А и Э В - эквивалентные массы реагирующих веществ.

4. ЗАКОН АВОГАДРО (А. Авогадро,1811).

В равных объемах разных газов, измеренных в одинаковых условиях (давление, температура), содержится одинаковое число молекул . Из закона следует, что:

Ø При нормальных условиях (н.у., Т = 273 К, р = 101,325 кПа) один моль любого газа занимает одинаковый объем - молярный объем (V m), равный 22,4 л/моль.

Ø Отношение масс равных объемов разных газов, измеренных в одинаковых условиях (относительная плотность газа по газу ), равна отношению их молекулярных (молярных) масс.

Чаще всего определяют относительную плотность по водороду или воздуху. Соответственно,

,

где 29 - средняя, точнее средневзвешенная, молекулярная масса воздуха.

Ø Объемы реагирующих газов относятся друг к другу и к объемам газообразных продуктов реакции как простые целые числа (закон объемных отношений Гей-Люссака).

Задача

Сколько граммов газообразного хлора нужно потратить и сколько граммов жидкого хлорида фосфора(III) получиться если в реакции использовано 1,45 граммов фосфора?

Р 4 (тв.) + Cl 2 (г.) = PCl 3 (ж.)

Решение: 1. Необходимо убедиться, что уравнение находиться в равновесии, т.е. необходимо проставить стехиометрические коэффициенты: Р 4 (тв.) + 6Cl 2 (г.) = 4PCl 3 (ж.). На 1 моль Р 4 я могу потратить 6 моль Cl 2 , чтобы получить 4 моля PCl 3

2. У нас есть масса Р 4 в реакции, следовательно, можно узнать сколько молей фосфора использовано. По Т.М. узнаем атомную массу фосфора ~ 31, это говорит, что 1 моль фосфора будет иметь массу 31 г (молярная масса), а атомная масса Р 4 будет 124 г. Найдем сколько молей в 1,45 г фосфора:

1,45 г – х моль х=0,0117 моль

124 г – 1 моль

3. Теперь узнаем сколько молей хлора нужно взять для использования 0,0117 молей фосфора. По равновесной реакции мы видим, что на 1 моль фосфора нужно взять 6 молей хлора, следовательно, хлора нужно взять в 6 раз больше. Считаем:

0,0117 х 6 = 0,07 молей хлора.

0,07 молей х 70,906 г (в 1 моле Cl 2) = 4,963 г Cl 2

5. Теперь найдем сколько граммов жидкого хлорида фосфора(III) получиться. Можно воспользоваться двумя разными решениями:

5.1. Закон сохранения массы 1,45г Р 4 (тв.) + 4,963 г. Cl 2 (г.) = 6,413 г. PCl 3 (ж.)

5.2. А можно воспользоваться способом как мы находили массу необходимого фосфора.

Примеры:

Условие

Определите массовую долю кристаллизационной воды в дигидрате хлорида бария BaCl2 2H2O

Решение

Молярная масса BaCl2 2H2O составляет:

М(BaCl2 2H2O) = 137+ 2 35,5 + 2 18 =244 г/моль

Из формулы BaCl2 2H2O следует, что 1 моль дигидрата хлорида бария содержит 2 моль Н2О.

Определяем массу воды, содержащейся в BaCl2 2H2O: m(H2O) = 2 18 = 36 г.

Находим массовую долю кристаллизационной воды в дигидрате хлорида бария

BaCl2 2H2O. ω(H2O) = m(H2O)/ m(BaCl2 2H2O) = 36/244 = 0,1475 = 14,75%.

Пример самостоятельно

1. Химическое соединение содержит по массе 17,56% натрия, 39,69% хрома и 42,75% кислорода. Определите простейшую формулу соединения. (Na 2 Cr 2 O 7).

2. Элементный состав вещества следующий: массовая доля элемента железа 0,7241 (или 72,41%), массовая доля кислорода 0,2759 (или 27,59%). Выведите химическую формулу. (Fe 3 O 4)

Пример (разбор) . Установите молекулярную формулу вещества, если массовая доля углерода в нем составляет 26,67%, водорода – 2,22%, кислорода – 71,11%. Относительная молекулярная масса этого вещества равна 90.

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 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.

Химия относится к естественным наукам. Она изучает состав, строение, свойства и превращения веществ, а также явления, сопровождающие эти превращения.

Вещество является одной из основных форм существования материи. Вещество как форма материи состоит из отдельных частиц различной степени сложности и обладает собственной массой, так н а з ы в а е м о й

массой покоя.

1. Простые и сложные вещества. Аллотропия.

Все вещества можно разделить на простые и сложные .

Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента, сложные - из атомов нескольких химических элементов.

Химический элемент - это определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Следовательно, атом - это мельчайшая частица химического элемента.

Понятие простое вещество нельзя отождествлять с понятием

химический элемент . Химический элемент характеризуется определенным положительным зарядом ядра атома, изотопным составом, химическими свойствами. Свойства элементов относятся к его отдельным атомам. Простое вещество характеризуется определенной плотностью, растворимостью, температурами плавления и кипения и т.п. Эти свойства относятся к совокупности атомов и для разных простых веществ они различны.

Простое вещество - это форма существования химического элемента в свободном состоянии. Многие химические элементы образуют несколько простых веществ, различных по строению и свойствам. Это явление называется аллотропией , а образующие вещества - аллотропными видоизменениями . Так, элемент кислород образует две аллотропные модификации - кислород и озон, элемент углерод - алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Явление аллотропии вызывается двумя причинами: различным числом атомов в молекуле (например, кислород О 2 и азон О 3 ) либо образованием различных кристаллических форм (например, углерод образует следующие аллотропные модификации: алмаз, графит, карбин, фуллерен), карбин был открыт в 1968г (А.Сладков, Россия), а фуллерен в 1973 г теоретически (Д.Бочвар, Россия), а в 1985г - экспериментально (Г.Крото и Р.Смолли, США).

Сложные вещества состоят не из простых веществ, а из химических элементов. Так водород и кислород, входящие в состав воды, содержатся в воде не в виде газообразных водорода и кислорода с их характерными свойствами, а в виде элементов - водорода и кислорода.

Мельчайшей частицей веществ, имеющих молекулярную структуру, является молекула, которая сохраняет химические свойства данного вещества. Согласно современным представлениям из молекул состоят в основном вещества, находящиеся в жидком и газообразном состоянии. Большинство же твердых веществ (в основном неорганических) состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов). Не имеют молекулярной структуры соли, оксиды металлов, алмаз, металлы и пр.

1. Относительная атомная масса

Современные методы исследования позволяют определить чрезвычайно малые массы атомов с большей точностью. Так, например, масса атома водорода составляет 1,674  10 -27 кг, углерода – 1,993  10 -26 кг.

В химии традиционно используются не абсолютные значения атомных масс, а относительные. В 1961г за единицу атомной массы принята атомная единица массы (сокращенно а.е.м.), которая представляет собой 1/12 часть массы атома изотопа углерода 12 С .

Большинство химических элементов имеют атомы с различной массой (изотопы). Поэтому относительной атомной массой (или просто атомной массой) А r химического элемента называется величина, равная отношению средней массы атома элемента к 1/12 массы атома углерода 12 С.

Атомные массы элементов обозначают А r , где индекс r – начальная буква английского слова relative – относительный. Записи A r (H), A r (O), A r (C) означают: относительная атомная масса водорода, относительная атомная масса кислорода, относительная атомная масса углерода.

Относительная атомная масса – одна из основных характеристик химического элемента.

1. Заполните пропуски в предложениях.

Абсолютная атомная масса показывает массу одной двенадцатьй части 1/12 от массы одной молекулы изотопа углерода 12 6 С измеряется в следющих единицах: г, гк, мг, т.

Относительная атомная масса показываетво во сколько раз масаа стала данного вещества элемента больше массы атома водорода; единицы измерения не имеет.

2. Запишите с помощью обозначений оку=ругленное до целого числа значение:

а) относительной атомоной массы кислорода - 16 :
б) относительной атомной массы натрия - 23 ;
в) относительной атомной массы меди - 64 .

3. Приведены названия химических элементов: ртуть, фосфор, водород, сера, углерод, кислород, калий, азот. В пустые клеточки впишите символы элементов таким образом, чтобы получился ряд, в октором относительная атомная масса увеличивается.

4. Подчеркните верные утверждения.

а) Масса десяти атомов кислорода равна массе двух атомов брома;
б) Масса пяти атомов углеродабольше массы трех атомов серы;
в) Масса семи атомов кислорода меньше массы пяти атомов магния.

5. Заполните схему.

6. Рассчитайте относительные молекулярные массы веещств по их фомулам:

а) M r (N 2) = 2*14=28
б) M r (CH 4) = 12+4*1=16
в) M r (CaCO 3) = 40+12+3*16=100
г) M r (NH 4 Cl) = 12+41+35,5=53,5
д) M r (H 3 PO 4) = 3*1+31+16*4=98

7. Перед вами пирамида, "строительными камнями" которой являются формулы химических соединений. Найдите такой путь с вершины пирамиды к ее основанию, чтобы сумма относительных молекулярных масс соединений была минимальной. При выборе каждого следующего "камня" нужно учитывать, что можно выбирать лишь тот, который непостредственно прилегает к предыдущему.

В ответ запишите формулы веществ выиграшного пути.

Ответ : С 2 H 6 - H 2 CO 3 - SO 2 - Na 2 S

8. Лимонная кислота содержится не только в лимонах, но также в незрелых яблоках, смородине, вишне и т.п. Лимонную кислоту использкют в кулинарии, в домашнем хозяйстве (например, для выведения ржавых пятен с ткани). Молекула этого вещества состоит из 6 атомов углерода, 8 атомов водорода, 7 атомов кислорода.

С 6 Н 8 О 7

Отметьте верное утверждение:

а) относительная молекулярная масса этого вещества равна 185;
б) относительная молекулярная масса этого вещества равна 29;
в) относительная молекулярная масса этого вещества равна 192.