"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Атомы имеют массу, но она настолько мала, что записывать её в килограммах неудобно. Поэтому химики используют атомную единицу массы — 1/12 массы атома углерода-12. Сравнивая массу атома с этой единицей, получают относительную атомную массу Aᵣ — число без единиц измерения. Значение элемента в периодической таблице часто не целое: оно учитывает массы природных изотопов и долю каждого из них.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Масса атома — масса одного атома, образованная массами входящих в него частиц. Она чрезвычайно мала, поэтому запись в килограммах получается неудобной: например, приходится использовать числа с очень большой отрицательной степенью десяти. Для сравнений и химических расчётов вводят более удобную единицу.
Атомная единица массы обозначается а.е.м. или u и равна 1/12 массы атома углерода-12. Выбор углерода-12 даёт общую меру, с которой можно сравнивать массы атомов разных элементов. Приблизительно 1 а.е.м. = 1,66 · 10⁻²⁷ кг.
Относительная атомная масса элемента — отношение массы его атома к 1/12 массы атома углерода-12, то есть к одной атомной единице массы. Её обозначают Aᵣ. Это число без единиц измерения: при делении одной массы на другую единицы сокращаются, поэтому Aᵣ удобно использовать в формулах и сравнениях.
Изотопы — атомы одного элемента, у которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, а значит, различается масса. В природе обычно встречается смесь изотопов, и относительная атомная масса элемента отражает их среднее с учётом распространённости. Поэтому число Aᵣ в таблице нередко получается дробным, хотя масса каждого отдельного изотопа близка к целому числу а.е.м.
Атомы настолько малы, что даже их масса в килограммах выглядит неудобно: числа приходится записывать с множеством нулей после запятой. С такими значениями трудно быстро сравнить два атома или выполнить расчёт без ошибок. Поэтому вместо килограммов в химии часто используют небольшую специальную единицу, выбранную так, чтобы массы атомов выражались компактнее.
За основу приняли атом углерода-12, а атомную единицу определили как одну двенадцатую его массы. Значит, масса всего атома углерода-12 равна 12 а.е.м., а не одной а.е.м. Такое соглашение создаёт единую шкалу: если масса атома в а.е.м. больше, то он тяжелее относительно выбранной меры. Приблизительный перевод в килограммы позволяет связать эту шкалу с обычными единицами.
Чтобы найти относительную атомную массу, массу атома делят на атомную единицу массы: Aᵣ = mₐ / 1 а.е.м., где mₐ — масса атома. Например, если масса атома равна 16 а.е.м., то его Aᵣ равна 16. Деление массы на массу не оставляет единицы измерения, поэтому нельзя писать для Aᵣ «кг» или «а.е.м.»; а.е.м. используют для выражения самой массы атома.
Причина дробного значения Aᵣ обычно в изотопном составе. Изотопы одного элемента имеют разные массы, а в природе могут встречаться в разных количествах. Для среднего значения массу каждого изотопа умножают на его долю, затем результаты складывают: распространённый изотоп влияет на итог сильнее редкого. Поэтому табличное число может не совпадать с массой ни одного отдельного атома.
В периодической таблице обычно приводят относительную атомную массу элемента, усреднённую с учётом природных изотопов. Её используют, например, при нахождении относительной молекулярной массы: складывают Aᵣ всех атомов, входящих в формулу вещества, с учётом их числа. Если же нужна масса конкретного атома в килограммах, табличное значение само по себе не является ответом: его приблизительно умножают на 1,66 · 10⁻²⁷ кг. Так различают относительное число и физическую массу.
| Понятие | Обозначение | Смысл | Единица или размерность |
|---|---|---|---|
| Масса конкретного атома | mₐ | Масса одного определённого атома | кг или а.е.м. |
| Атомная единица массы | а.е.м., u | 1/12 массы атома углерода-12 | Единица массы; 1 а.е.м. ≈ 1,66 · 10⁻²⁷ кг |
| Относительная атомная масса элемента | Aᵣ | Отношение массы атома к 1 а.е.м. | Безразмерная величина |
| Связь относительной атомной массы с изотопным составом | Aᵣ | Среднее значение масс изотопов с учётом их долей | Безразмерная величина |
Сначала определите, о чём говорится: о массе одного атома или об относительной атомной массе элемента. Для перевода массы в а.е.м. делите её на массу одной а.е.м.; для массы в килограммах умножайте число а.е.м. на 1,66 · 10⁻²⁷ кг. Доли изотопов нужны, когда вычисляют среднее значение Aᵣ.
Задача 1. Масса атома равна 3,32 · 10⁻²⁶ кг. Выразите её в атомных единицах массы, если 1 а.е.м. ≈ 1,66 · 10⁻²⁷ кг. Нужно узнать, сколько раз масса атома больше одной а.е.м. Поэтому значение в килограммах делим на массу одной атомной единицы в килограммах.
Ответ: 20 а.е.м. Проверка здравого смысла: масса атома больше атомной единицы, поэтому результат больше единицы, а единицы килограммов после деления сократились.
Задача 2. Масса атома элемента в 16 раз больше атомной единицы массы. Определите его относительную атомную массу. По определению Aᵣ показывает, во сколько раз масса атома больше 1 а.е.м. Следовательно, достаточно записать это отношение числом.
Ответ: Aᵣ = 16, без единиц измерения. Не следует записывать «16 а.е.м.»: такое обозначение относилось бы к массе атома, а не к относительной атомной массе.
Задача 3. Элемент состоит из двух изотопов с относительными массами 10 и 11; их доли равны 20% и 80%. Найдём среднее значение Aᵣ. Нельзя просто сложить 10 и 11 и разделить пополам, потому что изотопы распространены неодинаково. Долю каждого переводим в десятичную дробь и учитываем при умножении.
Ответ: Aᵣ = 10,8. Полученное значение ближе к 11, потому что изотоп с массой 11 составляет большую долю природной смеси.
Ошибка: приписывать Aᵣ единицу измерения. Её допускают, смешивая относительную атомную массу с массой атома в а.е.м. Проверка простая: если величина получена делением массы на массу, единицы сокращаются, и ответ записывают только числом.
Ошибка: путать массу атома в килограммах с Aᵣ. Первая — физическая масса с единицей измерения, вторая — отношение к а.е.м. Путаница возникает потому, что числовые значения часто близки. Проверьте обозначение и единицы: для массы пишут, например, кг, для относительной массы — только число.
Ошибка: считать, что а.е.м. равна массе целого атома углерода-12. В определении говорится об одной двенадцатой его массы, а весь атом углерода-12 имеет массу 12 а.е.м. Чтобы проверить себя, восстановите соотношение: 12 атомных единиц составляют массу одного такого атома.
Ошибка: ожидать целое значение Aᵣ. Табличная величина часто учитывает несколько изотопов и долю каждого из них, поэтому получается среднее, не обязательно целое число. Если результат задачи о природном элементе дробный, это не признак ошибки; проверьте, учтены ли доли изотопов и дают ли они в сумме 100%.
Для понимания темы нужно знать строение атома и различать протоны, нейтроны и электроны. Число нейтронов может меняться, поэтому у одного элемента бывают изотопы с разными массами. Знание относительных атомных масс помогает читать периодическую таблицу, вычислять относительную молекулярную массу и выполнять расчёты по химическим формулам. При этом важно отличать табличное Aᵣ от массы отдельного атома.
Почему массу атома обычно не записывают в килограммах?
Масса атома очень мала: например, она может составлять около 10⁻²⁶ кг. Такая запись неудобна для сравнения и вычислений, поэтому используют атомную единицу массы.
Как определяется атомная единица массы?
Одна атомная единица массы, или 1 а.е.м. (1 u), равна 1/12 массы атома углерода-12. В килограммах это примерно 1,66 · 10⁻²⁷ кг.
Почему относительная атомная масса не имеет единиц измерения?
Её находят делением массы атома на атомную единицу массы. Это отношение двух масс, выраженных в одинаковых единицах, поэтому единицы сокращаются.
Почему относительная атомная масса элемента часто не является целым числом?
У элемента могут быть изотопы — атомы с разным числом нейтронов и разной массой. Значение в таблице учитывает среднее по природным изотопам, причём более распространённые изотопы влияют на него сильнее.
Как масса атома связана с числом в периодической таблице?
В таблице обычно указана относительная атомная масса элемента Aᵣ, а не масса одного конкретного атома в килограммах. Чтобы получить приблизительную массу отдельного атома в а.е.м., можно умножить Aᵣ на 1 а.е.м.
§ 9. Масса атома. Атомная единица массы. Относительная атомная масса элемента
