§ 10. Маса атома. Атомна одиниця маси. Відносні атомні маси хімічних елементів

Атомна одиниця маси. Ви вже знаєте, що атоми – дуже малі частинки. Проте за допомогою сканувального тунельного мікроскопа можна спостерігати зображення окремих атомів на поверхні.

Чи можна атом зважити? Пригадайте: зважування – це порівняння маси тіла з масою певного еталона. Кілограм є еталоном маси (рис. 10.1). Та чи зручно порівнювати з ним масу атома?

Понад 200 років тому науковці почали обчислювати маси атомів хімічних елементів. Виявилося, що маса атома Гідрогену, найлегшого з-поміж атомів, становить

0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 67 кг.

Маса одного з найважчих атомів – атома Урану – дорівнює

0,000 000 000 000 000 000 000 000 4 кг.

Очевидно, що використовувати кілограм як еталон для вимірювання маси атомів незручно.

Що може бути зразком, з масою якого доцільно порівняти масу атома? Об’єкт, маса якого зрівняна з масою цієї частинки. Спочатку масу атомів порівнювали з масою атома Гідрогену. Потім за зразок було вибрано 1/16 атома Оксигену. Нині маси атомів порівнюють з іншим еталоном. Ним є 1/12 атома Карбону, в ядрі якого 6 протонів і 6 нейтронів, а в електронній оболонці – 6 електронів. Цю одиницю вимірювання назвали атомною одиницею маси, скорочено а. о. м. Її позначають m_u (u – перша літера англійського слова «unit» – одиниця вимірювання). Атомна одиниця маси дуже мала величина.

Цікаво і пізнавально

У квітні 2012 року іспанські науковці запропонували схему найчутливіших ваг на основі нанотрубок з атомів Ксенону й молекули нафталену. Точність вимірювання ваг – до маси протона.

Відносна атомна маса хімічних елементів – це відношення абсолютної маси атома до атомної одиниці маси 1 . Її позначають A_r. Таке позначення поєднало в собі перші літери слів «атомна» і «relativus» – «відносний» (лат.). Формула для обчислення відносної атомної маси така:

де A_r(X) – відносна атомна маса хімічного елемента; m(X) – абсолютна маса його атома; m_u – атомна одиниця маси.

Чи має відносна атомна маса одиницю вимірювання? Ні, як і будь-яка відносна величина. Із запису

очевидно, що одиниці вимірювання (кг) скорочуються. Отже, відносна атомна маса є безрозмірною величиною. Вона показує, у скільки разів маса атома хімічного елемента більша за масу еталона.

Обчислені за наведеною формулою значення відносних атомних мас є порівняно невеликими й зручними для користування числами. Їх визначено з великою точністю. Проте, виконуючи хімічні розрахунки, ви для зручності здебільшого послуговуватиметесь значеннями відносних атомних мас, округленими до цілих чисел. Зверніть увагу: Хлор є винятком – ви використовуватимете значення його відносної атомної маси 35,5.

Наприклад, запис A_r(Al) = 27 означає: відносна атомна маса Алюмінію 27. Тобто маса атома Алюмінію у 27 разів більша за атомну одиницю маси.

Рис. 10.1. Кілограм дорівнює масі міжнародного прототипу, який зберігають у Міжнародному бюро мір і ваги у Севрі, поблизу Парижа. Прототип кілограма – циліндричну гирю – виготовлено з платино-іридієвого сплаву (90 % Pt, 10 % Ir)

1 Абсолютний – той, що існує без порівняння із чим-небудь. Відносний – той, що визначається у зіставленні із чим-небудь.

Поясніть, що означають записи: A_r(Mg) = 24; A_r(S) = 32.

Рис. 10.2. Клітинка № 9 періодичної системи хімічних елементів Д.І. Менделєєва

Звернімося до періодичної системи хімічних елементів Д.І. Менделєєва. В її клітинках, окрім порядкового номера, назви й символу хімічного елемента, зазначено його відносну атомну масу (рис. 10.2).

Використовуючи періодичну систему, визначте й запишіть відносні атомні маси Оксигену, Кальцію, Силіцію.

Ви пересвідчилися, що з періодичної системи можна багато чого дізнатися про хімічні елементи. Знайдемо в періодичній системі хімічний елемент Флуор. Із написів у клітинці № 9 дізнаємося: відносна атомна маса Флуору 19. Порядковий номер Флуору 9. Отже, величина заряду ядра його атома +9.

У ядрі атома Флуору є 9 протонів, у електронній оболонці – 9 електронів.

Згодом ви навчитеся за значеннями відносних атомних мас хімічних елементів обчислювати відносні маси молекул.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Атомна одиниця маси є еталоном атомних мас, який зручно використовувати, бо його маса зрівняна з масами атомів.
• Відносною атомною масою називають відношення абсолютної маси атома до атомної одиниці маси.
• У клітинках періодичної системи Д.І. Менделєєва, окрім порядкових номерів, назв і хімічних символів для кожного хімічного елемента, зазначено його відносну атомну масу.

Перевірте себе

• 1. Що таке зважування?
• 2. Що є еталоном маси?
• 3. Що нині прийнято за зразок, з масою якого доцільно порівнювати масу атома?
• 4. Що називають атомною одиницею маси?
• 5. Як позначають атомну одиницю маси?
• 6. Що таке відносна атомна маса хімічного елемента?
• 7. Яка інформація про хімічні елементи є у клітинках періодичної системи Д.І. Менделєєва?
• 8. У якого хімічного елемента маса атома найменша? Найбільша?

Застосуйте свої знання й уміння

• 9. Чому важко зважити атом?
• 10. Для чого було введено атомну одиницю маси?
• 11. Чому відносна атомна маса не має одиниці вимірювання?
• 12. Чи однаковими є поняття «маса атома» й «відносна атомна маса»?
• 13. Чому в періодичній системі Д.І. Менделєєва зазначено не абсолютні значення мас атомів, а відносні атомні маси?
• 14. Порівняйте маси атомів Нітрогену та Силіцію, Хлору та Брому або, на ваш розсуд, будь-яких інших хімічних елементів.
• 15. Ви вже знаєте, що в періодичній системі хімічні елементи розташовано за зростанням зарядів ядер їхніх атомів. Чи правильно стверджувати, що всі вони розташовані за збільшенням мас їхніх атомів?
• 16. Розташуйте хімічні символи Карбону, Гідрогену, Магнію, Брому за зростанням мас їхніх атомів.
• 17. У скільки разів маса атома Сульфуру більша за масу атома Оксигену? Магнію? Менша за масу атома Купруму?
• 18. Якщо на одну шальку уявних терезів покласти чотири атоми Карбону, то скільки атомів Магнію потрібно покласти на іншу шальку, щоб зрівноважити терези?
• 19. Схарактеризуйте Калій за його положенням у періодичній системі хімічних елементів: зазначте його хімічний символ, порядковий номер, відносну атомну масу, число протонів у ядрі й електронів у електронній оболонці.
• 20. Знайдіть у періодичній системі хімічні елементи, названі на честь країни, частин світу, символи яких зображено на рисунку 10.3, та давньогрецької богині веселки (рис. 10.4). Запишіть значення відносних атомних мас цих хімічних елементів і округліть їх до цілих.

Рис. 10.3. 1. Герб. 2. Монета. Який зв’язок між ними й назвами хімічних елементів?

Рис. 10.4. Ірида – давні греки вважали її спочатку богинею веселки, а пізніше – вісницею олімпійських богів. Який зв’язок між нею, назвами квітки й хімічного елемента?

Творча майстерня

• 21. За зразком завдання 20 рубрики «Застосуйте свої знання й уміння» створіть віртуальну колекцію державних символів, гербів, монет, поштових марок тощо, пов’язаних з назвами хімічних елементів. Біля кожного експоната зазначте порядковий номер відповідного хімічного елемента та його відносну атомну масу. Укажіть, скільки протонів у ядрі атома цього хімічного елемента й електронів в електронній оболонці. Презентуйте свій доробок.

Дізнайтеся більше про маси атомів (с. 177).

1. Атомна одиниця маси

Атом — електронейтральна частинка, що складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів.

Ядро атома складається з елементарних частинок: протонів і нейтронів .

Протони і нейтрони мають однакову масу. Маса електрона складає \(1/1840\) маси протона і нейтрона. Основна маса атома зосереджена у його ядрі.

Реальні маси атомів є дуже малими. Так, абсолютна маса атома Гідрогену становить 1,673 ⋅ 10 − 24 г, Карбону — 1,994 ⋅ 10 − 23 г, Оксигену — 5,31 ⋅ 10 − 23 г. Отже, реальні маси атомів є дуже малими, і є незручними у використанні.

Еталон порівняння було запропоновано Джоном Дальтоном — універсальна атомна одиниця маси ( а. о. м. ). Вона становить \(1/12\) частини маси атома Карбону.

Відносна атомна маса A r — це фізична величина, що визначається відношенням маси атома елемента до \(1\) а. о. м. Вона показує, у скільки раз маса даного атома більша за \(1/12\) маси атома Карбону.

Діленням справжніх мас атомів елементів на значення атомної одиниці маси одержують відносну атомну масу.

Відносні атомні маси усіх елементів обчислені та внесені у Періодичну систему хімічних елементів. Графічним зображенням Періодичної системи є періодична таблиця хімічних елементів.