Атомна маса (атомний вага) природного елементу. Ізотопний склад елементів. Дефект маси

У природі елементи за рідкісним винятком існують у вигляді сумішей з декількох ізотопів. Це веде до того, що атомна вага природного елемента дещо відрізняється від атомної ваги будь-якого з його чистих ізотопів. Найлегше це зрозуміти з таблиці 2-2, де наведені атомні ваги природних елементів і їх ізотопний склад.

Назви елементів латинською та російською мовою і латинські символи цих елементів наведені для того, щоб ми поступово починали знайомитися з усіма елементами.

** Зверніть увагу: всі ізотопи якогось одного елемента позначаються одним і тим же символом. Наприклад, О – будь ізотоп кисню, N – будь-який ізотоп азоту і т.д. Змінюються тільки масові числа у верхній частині символу. Єдиний виняток – ізотопи водню 21H і 31H, які удостоїлися в науці власних назв і символів: D (дейтерій) і T (тритій) за особливу роль, яку вони грають в ядерній фізиці і в хімії при вивченні механізмів хімічних реакцій. Тритій радіоактивний і в природі його зникаюче мало. Щоб відрізняти від дейтерію і тритію “звичайний” водень 11H, його іноді називають протием. Однак все це – один і той же елемент водень (Hydrogenium).

З наведеної таблиці видно, що середній виміряний атомний вага знайденого в природі елемента залежить від того, скільки в ньому міститься різних ізотопів.

Отже, у першій колонці таблиці 2-2 наведено російська назва елемента. Нижче – латинська символ елемента, пов’язаний зазвичай з його латинською назвою. Зліва вгорі від символу елемента вказуються масове число (сума протонів і нейтронів в ядрі), а зліва внизу – заряд ядра атома (кількість протонів).

Атомний вагу елемента дорівнює середньому значенню з атомних ваг всіх його природних ізотопів з урахуванням їх поширеності.

** Наприклад, елемент хлор в природі знаходиться у вигляді двох ізотопів: хлор -35 і хлор -37. Їх зміст становить 75,53 % і 24,47 % (див. табл. 2-2). Якщо загальний вміст двох ізотопів хлору в сумі прийняти за одиницю, то одного з них – приблизно 0,75 та іншого – приблизно 0,25 (у частках одиниці). Тоді атомний вага природної суміші двох ізотопів хлору округлено дорівнює:

34,97 ? 0,75 + 36,96 ? 0,25 = 35,5.

Можна вирішувати і зворотну задачу. Припустимо, точно відомо, що природний хлор складається з двох ізотопів 35Cl і 37Cl. Знайдений в експерименті атомний вага природного хлору склав 35,5. Скільки кожного ізотопу міститься в природному хлорі ? Якщо прийняти суму ізотопів за одиницю, а зміст, наприклад, 35Cl за x, то вміст ізотопу 37Cl складе (1 – x). Тоді: 35x + 37 (1 – x) = 35,5. Вирішивши це просте рівняння, отримаємо вміст ізотопу 35Cl рівним 0,75 або 75 %.

Є ще один важливий фактор, що впливає (хоча і меншою мірою) на атомну вагу елемента – дефект маси. Уважний читач міг помітити деякі ” дивацтва” в табл. 2-2. Наприклад, атомна маса єдиного ізотопу натрію 2311Na трохи менше, ніж 23 а.е.м. Але нам вже відомо, що маси протона і нейтрона трохи більше 1 а.е.м. Чому ж атом натрію, содержашій у своєму ядрі 11 протонів і 12 нейтронів має масу менше 23 (22,9898 а.о.м.) ? Те ж явище добре помітно для ізотопів кисню і хлору (див. табл. 2-2). Справа в тому, що зв’язування між собою однойменно заряджених протонів в ядрах атомів вимагає великих витрат енергії. Нейтрони теж беруть участь у цьому зв’язуванні, виконуючи роль своєрідного ядерного ” клею “. При цьому частина маси протонів і нейтронів переходить в енергію зв’язування нуклонів в ядрі. Така втрата маси протонів і нейтронів, що виникає в результаті їх зв’язування, називається дефектом маси.

Дефект маси – зменшення маси атома в порівнянні з сумарною масою всіх окремо взятих складових його елементарних частинок, обумовлене енергією їх зв’язку в атомі.

Якщо ” розібрати ” ядро атома на окремі протони і нейтрони (наприклад, за допомогою ядерної реакції), то їх маса знову прийме саме ті значення, які нам вже відомі: 1,00728 а.е.м. для протона і 1,00867 а.е.м. для нейтрона.

Дефект маси є наслідком універсального співвідношення E = Mc2, що випливає з теорії відносності А. Ейнштейна, де E – повна енергія системи, c = 3.1010 см / сек – швидкість світла в порожнечі, M – маса системи (у нашому випадку – атома). Тоді DM = DЕ/c2, де DM – дефект маси, а DE – енергія зв’язку нуклонів в ядрі, тобто енергія, яку необхідно затратити для розділення ядра атома на окремі протони і нейтрони. Таким чином, чим більше дефект маси, тим більше енергія зв’язування нуклонів в ядрі і тим стійкіше ядро атома елемента. Зі збільшенням числа протонів в ядрі (і масового числа) дефект маси спочатку зростає від нуля (для 1H) до максимуму (у 64Ni), а потім поступово убуває для більш важких елементів.

Немає ніякої необхідності запам’ятовувати ізотопний склад, заряд ядра, масові числа і атомні ваги різних елементів. Ці значення завжди можна знайти в довідниках. Важливо розуміти фізичний зміст цих величин.

Інакше йде справа з назвами і символами елементів. Це один з небагатьох розділів хімії, який вимагає простого запам’ятовування. У таблиці 2-3 наведено назви і символи деяких найбільш відомих і поширених хімічних елементів. Цікаво, що в багатьох випадках російські та латинські назви елементів розходяться досить сильно – і це природно, тому що в Росії хімічна наука (і пов’язане з нею виробництво) розвивалися самостійно і необхідні терміни вводилися в мову в міру того, як у них виникала потреба.

На перший погляд здається, що запам’ятати назви і символи елементів надзвичайно важко. На щастя, необхідно знати не всі, а тільки найважливіші елементи. Наприклад, тільки ті, які представлені в таблиці 2-3. Крім того, в кінці цієї глави ми розповімо про те, як можна досить легко і весело допомогти собі в цій нелегкій справі.

Ссылка на основную публикацию