§2.4 Атомная масса (атомный вес) природного элемента. Изотопный состав элементов. Дефект массы.

В природе элементы за редким исключением существуют в виде смесей из нескольких изотопов. Это ведет к тому, что атомный вес природного элемента несколько отличается от атомного веса любого из его чистых изотопов. Легче всего это понять из таблицы 2-2, где приведены атомные веса природных элементов и их изотопный состав.

Таблица 2-2. Символы, названия, атомные веса и природный изотопный состав некоторых химических элементов.

Из приведенной таблицы видно, что средний измеренный атомный вес найденного в природе элемента зависит от того, сколько в нем содержится разных изотопов.

Как видно из таблицы 2-2, атомные веса элементов, найденных в природе в виде единственного изотопа (например, натрия), в точности равны атомному весу этого изотопа. Иначе обстоит дело с элементами, которые существуют на Земле в виде нескольких изотопов (например, хлор, кислород): их атомный вес зависит от того, какой изотоп этого элемента наиболее распространен и сколько в нем "примесей" других изотопов этого элемента.

Атомный вес элемента равен среднему значению из атомных весов всех его природных изотопов с учетом их распространенности.

** Например, элемент хлор в природе находится в виде двух изотопов: хлор-35 и хлор-37. Их содержание составляет 75,53% и 24,47% (см. табл. 2-2). Если общее содержание двух изотопов хлора в сумме принять за единицу, то одного из них - примерно 0,75 и другого - примерно 0,25 (в долях единицы). Тогда атомный вес природной смеси двух изотопов хлора округленно равен:

Есть еще один важный фактор, влияющий (хотя и в меньшей степени) на атомный вес элемента - дефект массы. Внимательный читатель мог заметить некоторые "странности" в табл. 2-2. Например, атомная масса единственного изотопа натрия ²³₁₁Na немного меньше, чем 23 а.е.м. Но нам уже известно, что массы протона и нейтрона чуть больше 1 а.е.м. Почему же атом натрия, содержаший в своем ядре 11 протонов и 12 нейтронов имеет массу меньше 23 (22,9898 а.е.м.)? То же явление хорошо заметно для изотопов кислорода и хлора (см. табл. 2-2). Дело в том, что связывание между собой одноименно заряженных протонов в ядрах атомов требует больших затрат энергии. Нейтроны тоже участвуют в этом связывании, выполняя роль своеобразного ядерного "клея". При этом часть массы протонов и нейтронов переходит в энергию связывания нуклонов в ядре. Такая потеря массы протонов и нейтронов, возникающая в результате их связывания, называется дефектом массы.

Дефект массы - уменьшение массы атома по сравнению с суммарной массой всех отдельно взятых составляющих его элементарных частиц, обусловленное энергией их связи в атоме.

Если "разобрать" ядро атома на отдельные протоны и нейтроны (например, с помощью ядерной реакции), то их масса вновь примет именно те значения, которые нам уже известны: 1,00728 а.е.м. для протона и 1,00867 а.е.м. для нейтрона.

Дефект массы является следствием универсального соотношения E = Mc², вытекающего из теории относительности А. Эйнштейна, где E - полная энергия системы, c = 3^.10¹⁰ см/сек - скорость света в пустоте, M - масса системы (в нашем случае - атома). Тогда DM = DЕ/c², где DM - дефект массы, а DE - энергия связи нуклонов в ядре, т.е. энергия, которую необходимо затратить для разделения ядра атома на отдельные протоны и нейтроны. Таким образом, чем больше дефект массы, тем больше энергия связывания нуклонов в ядре и тем устойчивее ядро атома элемента. С увеличением числа протонов в ядре (и массового числа) дефект массы сначала возрастает от нуля (для ¹H) до максимума (у ⁶⁴Ni), а затем постепенно убывает для более тяжелых элементов.

Нет никакой необходимости запоминать изотопный состав, заряд ядра, массовые числа и атомные веса разных элементов. Эти значения всегда можно найти в справочниках. Важно понимать физический смысл этих величин.

Иначе обстоит дело с названиями и символами элементов. Это один из немногих разделов химии, который требует простого запоминания. В таблице 2-3 приведены названия и символы некоторых наиболее известных и распространенных химических элементов. Интересно, что во многих случаях русские и латинские названия элементов расходятся довольно сильно - и это естественно, потому что в России химическая наука (и связанное с ней производство) развивались самостоятельно и необходимые термины вводились в язык по мере того, как в них возникала потребность.

На первый взгляд кажется, что запомнить названия и символы элементов чрезвычайно трудно. К счастью, необходимо знать не все, а только важнейшие элементы. Например, только те, которые представлены в таблице 2-3. Кроме того, в конце этой главы мы расскажем о том, как можно довольно легко и весело помочь себе в этом нелегком деле.

Таблица 2-3. Названия и символы некоторых элементов.

Задачи

2.4. В атоме элемента кальция 20 протонов и 20 нейтронов. Какой заряд несет ион кальция с 18 электронами в электронной оболочке? Напишите латинский символ этого иона.

2.7. Заполните пропуски в таблице: