§ 10. Відносна атомна маса. Відносна молекулярна маса
Пригадайте: визначити, яке тіло важче за інше, можна, порівнюючи маси цих тіл. Маса тіл вимірюється в кілограмах, грамах, тоннах та інших одиницях.
Відносна атомна маса
Однією з найважливіших характеристик хімічного елемента є його відносна атомна маса. Атоми — надзвичайно маленькі частинки. Їхня маса настільки мала, що виражати її в грамах або кілограмах дуже незручно. Маса навіть найважчих атомів становить близько 10 -22 г, тобто 0,0000000000000000000001 г. Зручніше виражати масу атомів, порівнюючи її з якою-небудь маленькою величиною.
Раніше масу атомів порівнювали з масою найлегшого атома — атома Гідрогену. У сучасній хімії маси атомів порівнюють з 1/12 маси атома Карбону. Цю одиницю вимірювання називають атомною одиницею маси, скорочено а. о. м. (мал. 61). Маса атома Карбону дорівнює 1,99 · 10 -23 г, отже, атомна одиниця маси дорівнює:
Мал. 61. Одна атомна одиниця маси — це маса 1/12 атома Карбону
Знаючи значення а. о. м., можна порівняти з нею маси інших атомів і дізнатися, наскільки вони важчі за 1/12 маси атома Карбону. Масу атома, визначену порівнянням з атомною одиницею маси, називають відносною атомною масою і позначають Аr (індекс r — від англ. relative — відносний).
Відносна атомна маса — це відношення маси атома даного елемента до 1/12 маси атома Карбону.
Отже, для хімічного елемента Е:
Відносна атомна маса — це безрозмірна величина, оскільки вона є відношенням двох величин з однаковою розмірністю.
Відносні атомні маси легко обчислити, знаючи маси атомів у грамах. Наприклад, маса атома Сульфуру дорівнює 5,312 · 10 -23 г, отже, його відносна атомна маса дорівнює (мал. 62):
Мал. 62. Один атом Сульфуру в 32 рази важчий за 1/12 маси атома Карбону, отже, його відносна атомна маса дорівнює 32
Відносна атомна маса Карбону, обчислена аналогічним чином, дорівнює 12. Відносна атомна маса показує, у скільки разів маса будь-якого атома більша за 1/12 маси атома Карбону. Наприклад, відносна атомна маса Оксигену Аr(О) = 16, отже, атом Оксигену в 16 разів важчий за 1/12 маси атома Карбону.
Сьогодні відносні атомні маси майже всіх елементів визначені з високою точністю і наведені в Періодичній системі хімічних елементів (мал. 57, с. 67). Зазвичай точні значення відносних атомних мас округляють до цілих чисел. Тільки значення відносної атомної маси для Хлору округляють із точністю до десятих: Аr(Сl) = 35,5.
Відносна молекулярна маса
Відносна маса застосовується не тільки для атомів, але й для молекул.
Відносна молекулярна маса Мr показує, у скільки разів маса молекули більша за 1/12 маси атома Карбону.
Відносна молекулярна маса дорівнює сумі відносних атомних мас усіх хімічних елементів, що містяться у складі молекули, з урахуванням числа атомів кожного елемента.
Для визначення відносної молекулярної маси речовини з формулою ЕxDy необхідно відносні атомні маси елементів Е та D помножити на число їхніх атомів, відповідно на х та у, а потім підсумувати:
Наприклад, молекула води Н2О складається з двох атомів Гідрогену й одного атома Оксигену. Отже, відносна молекулярна маса води дорівнює сумі двох відносних атомних мас Гідрогену й однієї відносної атомної маси Оксигену:
Аналогічно можна обчислити відносну молекулярну масу будь-якої речовини, якщо відома її хімічна формула. Наприклад, обчислимо відносні молекулярні маси азоту N2 і вуглекислого газу СО2:
Якщо в хімічній формулі речовини є дужки, то перед обчисленням їх необхідно розкрити, наприклад:
Відносні молекулярні маси речовин, у складі яких містяться атоми тільки одного хімічного елемента, прийнято вважати такими, що дорівнюють їхній відносній атомній масі, наприклад:
Знаючи відносну молекулярну масу, можна обчислити абсолютну масу молекули речовини X (у грамах).
Якщо відносна молекулярна маса води дорівнює 18, то маса молекули води дорівнює:
• Для речовин немолекулярної будови часто використовують термін «відносна формульна маса», але позначення цієї величини та її обчислення таке саме, як і для відносної молекулярної маси.
1. Відносна атомна маса — це відношення маси атома до 1/12 маси атома Карбону. Використовуючи відносну атомну масу, порівнюють маси атомів. Відносні атомні маси елементів наведено в Періодичній системі.
2. Масу молекул також визначають, порівнюючи з масою 1/12 маси атома Карбону. Молекулярну масу обчислюють як суму відносних атомних мас елементів, що містяться у складі молекул.
Контрольні запитання
1. Дайте визначення поняттям «відносна атомна маса», «відносна молекулярна маса». Що в даному випадку означає слово «відносна»?
2. Виберіть правильну відповідь. Атомну одиницю маси використовують: а) для обчислення відносної атомної маси елементів; б) як одиницю вимірювання атомної та молекулярної маси; в) для обчислення мас усіх маленьких частинок; г) для обчислення мас великих тіл.
3. Виберіть правильну відповідь. Атомна одиниця маси дорівнює; а) 1/12 маси атома Оксигену; б) 1/12 маси атома Карбону; в) масі електрона, помноженій на 12; г) 1,66 х 10 -24 г.
4. Чому масу атомів рідко виражають у грамах?
5. Що спільного і чим відрізняються такі поняття; а) «маса атома» і «відносна атомна маса»; б) «відносна молекулярна маса» і «маса молекули»; в) «відносна молекулярна маса» і «відносна атомна маса»?
Завдання для засвоєння матеріалу
1. Укажіть у Періодичній системі та випишіть символи і відносні атомні маси (з округленням до цілих чисел) хімічних елементів: Алюмінію, Флуору, Цинку, Аргентуму, Стануму.
2. Обчисліть, атом якого елемента важчий і у скільки разів: а) Нітроген і Гелій; б) Оксиген і Сульфур; в) Ферум і Силіцій; г) Сульфур і Купрум.
3. Обчисліть, скільки атомних одиниць маси міститься в 1 г речовини.
4. Скільки атомів Оксигену мають таку саму масу, як один атом Купруму?
5. Обчисліть відносні молекулярні (формульні) маси таких речовин: хлор Сl2, сульфатна кислота H2SО4, сахароза С12Н22О11, мідь Сu, гіпс CaSO4, крейда СаСO3, малахіт (СuOН)2СO3.
6. Обчисліть, що важче: п’ять молекул води Н2O чи три молекули вуглекислого газу СO2.
7. У «перекису водню (гідроген пероксиді)» на один атом Оксигену припадає один атом Гідрогену. Визначте хімічну формулу перекису водню, якщо його молекулярна маса дорівнює 34.
8. Речовина пірит складається з атомів Феруму та Сульфуру і має відносну формульну масу 120. Визначте хімічну формулу цієї речовини.
9. Визначте відносні атомні маси поданих елементів, використовуючи маси їхніх атомів: а) Платини, якщо маса її атомів 3,24 · 10 -25 кг; б) Урану, якщо маса його атомів 3,95 · 10 -22 г. Відповідь порівняйте зі значеннями, указаними в Періодичній системі.
10. Формула жасмоналю, що має запах квітів жасмину, С6Н5СНС(С5Н11)СНО. Обчисліть його відносну молекулярну масу.
11. Обчисліть масу молекули сахарози С12Н22О11 у грамах, визначте, скільки молекул сахарози міститься у зразку цукру масою 1 г.
12 * . Як у XVII—XIX століттях визначали відносну атомну масу (атомну вагу)? Маси яких елементів були взяті за основу для визначення відносних атомних мас? Чому в сучасній хімії для визначення відносних атомних мас використовується карбонова одиниця?
Techemy
Твердотільні та електрохімічні сонячні батареї
Магніт подвоює вихід водню при електролізі води (відео)
Наногель регулює рівень цукру в крові
Коди біологічної регуляції
Твердий, рідкий, газоподібний
Таємниці хімічних перетворень
Відносна атомна маса
Кожен атом має певну масу, значення якої надзвичайно мале (від 1·10 -24 до 1·10 -22 кг). Користуватися такими значеннями в хімічних розрахунках дуже незручно, тому на практиці замість абсолютних мас атомів використовуються відносні атомні маси (називати цю величину просто, атомна маса – не вірно) і позначаються символом Ar. Відносні атомні маси є співвідношенням між абсолютними масами різних атомів.
Відносна атомна маса елемента – це число, що показує, у скільки разів маса одного атома даного елемента більше 1/12 частини маси атома ізотопу Карбону-12 ( 12 С).
Наприклад, округлені значення відносної атомної маси Оксиґену і Флуору складають 16,00 і 19,00. Звідси, значення абсолютної атомної маси для одного атома Оксиґену більше в 16 разів, а значення тієї ж величини для одного атома Флуору більше в 19 разів, ніж значення 1/12 частини абсолютної атомної маси атома 12 С , а маси атомів O і F відносяться між собою як 16 : 19.
Відносні атомні маси елементів вказані в Періодичній системи елементів. В електронній таблиці представленій нижче, є дані про відносну атомну масу всіх елементів Періодичної системи.
Для більшості елементів в Періодичній системі вказані середньоаріфметичні значення відносних атомних мас для природної суміші ізотопів цих елементів (ізотопно-змішані елементи). Карбон також зустрічається в природі у вигляді двох ізотопів 12 С (98,90%) і 13 С (1,10%); цій природній суміші відповідає значення відносної атомної маси 12,0000·0,9890 + 13,0034·0,0110 = 12,011 а.о.м. яку і відображено в таблиці. Природний Флуор складається тільки з одного ізотопу – изотопно чистий елемент, його відносна атомна маса визначена досить точно 18.9984032 а.о.м.
Раніше за точку відліку відносних атомних мас приймався Оксиґен (маса 1/16 частини атома Оксиґену називалася кисневою одиницею), причому у фізиці використовувався чистий ізотоп 16 O (відносна атомна маса 16,0000 а.о.м. ), а в хімії – природна суміш ізотопів з тим самим значенням відносної атомної маси. Таким чином, в старій фізичній літературі відносні маси елементів відповідали фізичній шкалі з кисневою одиницею, маса якої дорівнює 1,65976·10 -24 г, а в старій хімічній літературі – хімічній шкалі з кисневою одиницею, маса якої 1,66022·10 -24 г. З метою уніфікації в 1959-1961 р Міжнародні союзи теоретичної та прикладної фізики і теоретичної і прикладної хімії затвердили нову шкалу, засновану на відносній атомній масі 12 С для якого значення відносної атомної маси встановлено рівним 12,0000 (точно). За сучасною шкалою атомною одиницею маси (а.о.м.) є уніфікована карбонова одиниця, яка дорівнює 1,660538782(83)·10 -27 кг (за даними 2006 г). Значення відносних атомних мас елементів визначають як частка від ділення значення абсолютної атомної маси атома даного елемента до 1/12 частини абсолютної маси атома ізотопу 12 С.
Приклад. Маса атома Флуору 3,15481·10 -23 г, отже, відносна атомна маса Флуору Ar(F) = 3,15481·10 -23 г / 1,660538782 (83)·10 -24 г = 18,9984 а.о.м.
Атомна одиниця маси – фундаментальна фізико-хімічна постійна, значення якої буде уточнюватися в міру розвитку техніки вимірювання. Офіційно рекомендованими є англомовні терміни atomic mass unit (a.m.u.) або unified atomic mass unit (u.a.m.u.).
Міжнародний союз теоретичної і прикладної хімії – ІЮПАК (International Union of Pure and Applied Chemistry) – IUPAC, кожні два роки публікує зведення уточнених значень Ar для всіх хімічних елементів. В останні десятиріччя з’явилися дві тенденції: для ізотопно-чистих елементів значення Ar визначаються все більш точно за рахунок підвищення чутливості вимірювальних приладів, а для ізотопно-змішаних елементів точність визначення Ar знижується через відмінності ізотопного складу в пробах різного походження.
! Комісія ІЮПАК з хімічної освіти рекомендує використовувати для навчальних цілей значення Ar, що містять не менше чотирьох значущих цифр.
Значення відносної атомної маси відомі і для кожного ізотопу будь-якого елементу (тобто для кожного нукліду). Значення Ar для ізотопу Гідрогену 1 H (протій) і 2 H (дейтерій) дорівнюють 1,0078 і 2,0141, для ізотопів 16 O, 17 O i 18 O – відповідно 15,9949; 16,9991 і 17,9992; для ізотопу 27 Al = 26,9815. Ціле число, яке зазначено в лівому верхньому індексі у символу елемента ( 12 С), тобто фактично округлене значення його відносної атомної маси. Воно називається масовим числом ізотопу і дорівнює сумі нуклонів (протонів і нейтронів) в ядрі атома цього ізотопу.
З вищесказаного випливає, що маса (точніше маса спокою) одного нуклона в атомних одиницях маси дорівнює приблизно одиниці; точні значення: mp = 1.007276 а.о.м. для протона, і mn = 1.008665 а.о.м. для нейтрона. Звідси ясний вибір шкали для відносних мас елементів; найпростіший атом водню (один протон в ядрі) повинен мати одиничне значення Ar, приблизно рівне масі протона (точне значення 1,00794 а.о.м.).
Коефіцієнтом пропорційності між одиницею маси – грамом і одиницею відносної атомної маси є число Авогадро одно NA = 6.02214082 (11)·10 23 моль -1 .