Из материалов урока вы узнаете, что атомы одних химических элементов отличаются от атомов других химических элементов массой. Учитель расскажет, как химики измеряли массу атомов, которые настолько мало, что их не увидишь даже с помощью электронного микроскопа.
Тема: Первоначальные химические представления
Урок: Относительная атомная масса химических элементов
В начале 19 в. (спустя 150 лет после работ Роберта Бойля) английский ученый Джон Дальтон предложил способ определения массы атомов химических элементов. Рассмотрим суть этого метода.
Дальтон предложил модель, в соответствии с которой в молекулу сложного вещества входит только по одному атому различных химических элементов. Например, он считал, что молекула воды состоит из 1 атома водорода и 1 атома кислорода. В состав простых веществ по Дальтону тоже входит только один атом химического элемента. Т.е. молекула кислорода должна состоять из одного атома кислорода.
И тогда, зная массовые доли элементов в веществе, легко определить во сколько раз масса атома одного элемента отличается от массы атома другого элемента. Таким образом, Дальтон считал, что массовая доля элемента в веществе определяется массой его атома.
Известно, что массовая доля магния в оксиде магния равна 60%, а массовая доля кислорода – 40%. Идя по пути рассуждений Дальтона, можно сказать, что масса атома магния больше массы атома кислорода в 1,5 раза (60/40=1,5):
Ученый заметил, что масса атома водорода самая маленькая, т.к. нет сложного вещества, в котором бы массовая доля водорода была бы больше массовой доли другого элемента. Поэтому он предложил массы атомов элементов сравнивать с массой атома водорода. И таким путем вычислил первые значения относительных (относительно атома водорода) атомных масс химических элементов.
Атомная масса водорода была принята за единицу. А значение относительной массы серы получилось равным 17. Но все полученные значения были либо приблизительными, либо неверными, т.к. техника эксперимента того времени была далека от совершенства и установка Дальтона о составе вещества была неверной.
В 1807 – 1817 гг. шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус провел огромное исследование по уточнению относительных атомных масс элементов. Ему удалось получить результаты, близкие к современным.
Значительно позже работ Берцелиуса массы атомов химических элементов стали сравнивать с 1/12 массы атома углерода (Рис. 2).
Рис. 1. Модель расчета относительной атомной массы химического элемента
Относительная атомная масса химического элемента показывает, во сколько раз масса атома химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Относительная атомная масс обозначается А r , она не имеет единиц измерения, так как показывает отношение масс атомов.
Например: А r (S) = 32, т.е. атом серы в 32 раза тяжелее 1/12 массы атома углерода.
Абсолютная масса 1/12 атома углерода является эталонной единицей, значение которой вычислено с высокой точностью и составляет 1,66 *10 -24 г или 1,66 *10 -27 кг. Эта эталонная масса называется атомной единицей массы (а.е.м.).
Значения относительных атомных масс химических элементов запоминать не надо, они приведены в любом учебнике или справочнике по химии, а также в периодической таблице Д.И. Менделеева.
При расчетах значения относительных атомных масс принято округлять до целых.
Исключение составляет относительная атомная масса хлора – для хлора используют значение 35,5.
1. Сборник задач и упражнений по химии: 8-й класс: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. – М.: АСТ: Астрель, 2006.
2. Ушакова О.В. Рабочая тетрадь по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006. (с.24-25)
3. Химия: 8-й класс: учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005.(§10)
4. Химия: неорг. химия: учеб. для 8 кл. общеобр. учреждений / Г.Е. Рудзитис, ФюГю Фельдман. – М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009. (§§8,9)
5. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.
Дополнительные веб-ресурсы
1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
2. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().
Домашнее задание
с.24-25 №№ 1-7 из Рабочей тетради по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006.
Атомная масса , относительная атомная масса (устаревшее название - атомный вес ) - значение массы атома, выраженное в атомных единицах массы. В настоящее время атомная единица массы принята равной 1/12 массы нейтрального атома наиболее распространённого изотопа углерода 12C, поэтому атомная масса этого изотопа по определению равна точно 12. Для любого другого изотопа атомная масса не является целым числом, хотя и близка к массовому числу данного изотопа (т. е. суммарному количеству нуклонов - протонов и нейтронов - в его ядре). Разность между атомной массой изотопа и его массовым числом называется избытком массы (обычно его выражают в МэВах). 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 от массового числа такова: избыток массы положителен у водорода-1, с ростом массового числа он уменьшается и становится отрицательным, пока не достигается минимум у железа-56, потом начинает расти и возрастает до положительных значений у тяжелых 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.
Атомная масса химического элемента (также «средняя атомная масса», «стандартная атомная масса») является средневзвешенной атомной массой всех стабильных изотопов данного химического элемента с учётом их природной распространённости в земной коре и атмосфере. Именно эта атомная масса представлена в периодической таблице, её используют в стехиометрических расчетах. Атомная масса элемента с нарушенным изотопным соотношением (например, обогащённого каким-либо изотопом) отличается от стандартной.
Молекулярной массой мо химического соединения называется сумма атомных масс элементов, составляющих ее, умноженных на стехиометрические коэффициенты элементов по химической формуле соединения. Строго говоря, масса молекулы меньше массы составляющих её атомов на величину, равную энергии связи молекулы. Однако этот дефект массы на 9-10 порядков меньше массы молекулы, и им можно пренебречь.
Определение моля (и числа Авогадро) выбирается таким образом, чтобы масса одного моля вещества (молярная масса), выраженная в граммах, была численно равна атомной (или молекулярной) массе этого вещества. Например, атомная масса железа равна 55,847. Поэтому один моль атомов железа (т. е. их количество, равное числу Авогадро, 6,022·1023) содержит 55,847 граммов.
Прямое сравнение и измерение масс атомов и молекул выполняется с помощью масс-спектрометрических методов.
История
До 1960-х годов атомную массу определяли таким образом, чтобы изотоп кислород-16 имел атомную массу 16 (кислородная шкала). Однако соотношение кислорода-17 и кислорода-18 в природном кислороде, который также использовался в расчетах атомной массы, приводило к наличию двух разных таблиц атомных масс. Химики использовали шкалу, основанную на том, что естественная смесь изотопов кислорода должна была иметь атомную массу 16, тогда как физики присваивали то же число 16 атомной массе наиболее распространённого изотопа кислорода (имеющего восемь протонов и восемь нейтронов).
Википедия
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.
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
Массы атомов и молекул очень малы, поэтому в качестве единицы измерения удобно выбрать массу одного из атомов и выражать массы остальных атомов относительно нее. Именно так и поступал основоположник атомной теории Дальтон, который составил таблицу атомных масс, приняв массу атома водорода за единицу.
До 1961 года в физике за атомную единицу массы (а.е.м. сокращенно) принимали 1/16 массы атома кислорода 16 О, а в химии - 1/16 средней атомной массы природного кислорода, который является смесью трех изотопов. Химическая единица массы была на 0,03% больше, чем физическая.
В настоящее время за в физике и химии принята единая система измерения. В качестве стандартной единицы атомной массы выбрана 1/12 часть массы атома углерода 12 С.
1 а.е.м. = 1/12 m(12 С) = 1,66057×10 -27 кг = 1,66057×10 -24 г.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительная атомная масса элемента (A r) - это безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента к 1/12 массы атома 12 С.
При расчете относительной атомной массы учитывается распространенность изотопов элементов в земной коре. Например, хлор имеет два изотопа 35 Сl (75,5%) и 37 Сl (24,5%).Относительная атомная масса хлора равна:
A r (Cl) = (0,755×m(35 Сl) + 0,245×m(37 Сl)) / (1/12×m(12 С) = 35,5.
Из определения относительной атомной массы следует, что средняя абсолютная масса атома равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м.:
m(Cl) = 35,5 ×1,66057×10 -24 = 5,89×10 -23 г.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | В каком из указанных веществ массовая доля элемента кислорода больше: а) в оксиде цинка (ZnO); б) в оксиде магния (MgO)? |
| Решение |
Найдем молекулярную массу оксида цинка: Mr (ZnO) = Ar(Zn) + Ar(O); Mr (ZnO) = 65+ 16 = 81. Известно, что M = Mr, значит M(ZnO) = 81 г/моль. Тогда массовая доля кислорода в оксиде цинка будет равна: ω (O) = Ar (O) / M (ZnO) × 100%; ω (O) = 16 / 81 × 100% = 19,75%. Найдем молекулярную массу оксида магния: Mr (MgO) = Ar(Mg) + Ar(O); Mr (MgO) = 24+ 16 = 40. Известно, что M = Mr, значит M(MgO) = 60 г/моль. Тогда массовая доля кислорода в оксиде магния будет равна: ω (O) = Ar (O) / M (MgO) × 100%; ω (O) = 16 / 40 × 100% = 40%. Таким образом, массовая доля кислорода больше в оксиде магния, поскольку 40 > 19,75. |
| Ответ | Массовая доля кислорода больше в оксиде магния. |
ПРИМЕР 2
| Задание | В каком из указанных соединений массовая доля металла больше: а) в оксиде алюминия (Al 2 O 3); б) в оксиде железа (Fe 2 O 3)? |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Рассчитаем массовую долю каждого элемента кислорода в каждом из предложенных соединений (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева округлим до целых чисел). Найдем молекулярную массу оксида алюминия: Mr (Al 2 O 3) = 2×Ar(Al) + 3×Ar(O); Mr (Al 2 O 3) = 2×27 + 3×16 = 54 + 48 = 102. Известно, что M = Mr, значит M(Al 2 O 3) = 102 г/моль. Тогда массовая доля алюминия в оксиде будет равна: ω (Al) = 2×Ar(Al) / M (Al 2 O 3) × 100%; ω (Al) = 2×27 / 102 × 100% = 54 / 102 × 100% = 52,94%. Найдем молекулярную массу оксида железа (III): Mr (Fe 2 O 3) = 2×Ar(Fe) + 3×Ar(O); Mr (Fe 2 O 3) = 2×56+ 3×16 = 112 + 48 = 160. Известно, что M = Mr, значит M(Fe 2 O 3) = 160 г/моль. Тогда массовая доля железа в оксиде будет равна: ω (O) = 3×Ar (O) / M (Fe 2 O 3) × 100%; ω (O) = 3×16 / 160 × 100% = 48 / 160× 100% = 30%. Таким образом, массовая доля металла больше в оксиде алюминия, поскольку 52,94 > 30. |
| Ответ | Массовая доля металла больше в оксиде алюминия. |
Массы атомов и молекул очень малы. Поэтому логично было ввести новые единицы измерения массы в химии, выбрав в качестве эталона массу одного из элементов. В современной физике и химии в качестве единицы атомной массы выбрана 112 массы атома углерода 12C. Новая единица получила название атомной единицы массы.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Атомная единица массы (а.е.м.) - внесистемная единица, применяемая для выражения масс атомов, молекул, атомных ядер и элементарных частиц. Определяется как 112 массы атома углерода 12C в основном состоянии.
1 а.е.м. = 1,660539040⋅10−27 кг ≈ 1,66⋅10−27 кг
Массы всех атомов и молекул, таким образом, могут быть выражены в атомных единицах массы. В таких случаях говорят об абсолютной атомной массе (A) или абсолютной молекулярной массе (молMмол). Эти величины имеют размерность [а.е.м.].
Довольно удобно выражать атомные массы всех элементов относительно массы эталонной единицы. Масса атома, рассчитанная относительно 1 а.е.м., получила название относительной атомной массы.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительная атомная масса элемента Ar - отношение массы атома к 112 массе атома углерода 12C:
Ar(X)=m(X)112m(12C)
Относительная атомная масса - величина безразмерная!
Относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса данного атома больше 112 массы атома углерода. Например, Ar(H)=1, т.е. один атом водорода имеет такую же массу, как 112 атома углерода; а запись Ar(Mg)=24 означает, что атом магния в 24 раза тяжелее, чем 112 атома углерода.
Изначально (в XIX веке) атомные веса элементов относили к массе водорода, приняв по предложению Джона Дальтона последнюю за единицу, так как водород - самый легкий элемент. Затем в качестве эталона использовали массу кислорода, принятую за 16, поскольку при расчете массы элементов в основном использовались их кислородные соединения. Отношение массы кислорода к массе водорода принималось как 16 к 1. Однако у кислорода существует три изотопа: 16O, 17O, 18O, поэтому 1/16 веса природного кислорода характеризовала лишь среднее значение массы всех известных изотопов кислорода. В результате оформили две шкалы: физическая (основанная на массе 16O) и химическая (основанная на среднем значении массы природного кислорода), что создавало определенные трудности. Поэтому в 1961 году за единицу массы была принята 1/12 веса атома углерода 12C.
Атомные массы многих элементов были установлены в XIX веке опытным путем. Так, например, было известно, что медь реагирует с серой с образованием сульфида меди состава CuS, где на один атом меди приходится один атом серы. Рассчитав массы вступивших
в реакцию серы и меди, заметили, что масса прореагировавшей серы в два раза меньше массы прореагировавшей меди, а следовательно, каждый атом меди в 2 раза тяжелее атома серы. Аналогичным образом были установлены атомные массы других элементов по реакциям образования их соединений с кислородом - оксидов.
Численные значения абсолютных масс атомов, выраженные в а.е.м., совпадают со значениями относительных атомных масс.
Значения относительных атомных масс элементов приведены в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. В случае, если у элемента есть несколько изотопов, в качестве атомной массы в периодической таблице указывается среднее значение массы всех изотопов.
При решении расчетных задач атомная масса округляется по правилам арифметики, до ближайшего целого числа .
Например: Ar(P)=31, Ar(Ge)=73, Ar(Zn)=65
Исключением является хлор, атомная масса которого округляется до десятых:
Однако, в большинстве экзаменационных заданий и задач базового уровня масса меди округляется до целого числа: Ar(Cu)=64.
РАСЧЁТ СРЕДНЕЙ АТОМНОЙ МАССЫ ЭЛЕМЕНТА
Атомные массы элементов, приведённые в таблице Менделеева, имеют дробные значения. Это связано с тем, что в данном случае речь идёт о средней относительной атомной массе элемента. Она рассчитывается с учётом распространённости изотопов элемента в земной коре:
Ar(X)=Ar(aX)⋅ω(aX)+Ar(bX)⋅ω(bX)+…,
где Ar - средняя относительная атомная масса элемента X,
Ar(aX),Ar(bX) - относительные атомные массы изотопов элемента X,
ω(aX),ω(bX) - массовые доли соответствующих изотопов элемента X по отношению к общей массе всех атомов данного элемента в природе.
Например, хлор имеет два природных изотопа - 35Cl (75,78% по массе) и 37Cl (24,22%). Относительная атомная масса элемента хлора равна:
Ar(Cl)=Ar(35Cl)⋅ω(35Cl)+Ar(37Cl)⋅ω(37Cl)
Ar(Cl)=35⋅0,7578+37⋅0,2422=26,523+8,9614=35,4844≈35,5