Относительная атомная масса и изотопы

Что такое относительная атомная масса?

В химии существует понятие относительной атомной массы (Ar).

Относительная атомная масса (Ar) показывает, во сколько раз масса атома больше 1/12 массы атома углерода. Иными словами, масса атома сравнивается с эталоном — атомом углерода.

Примеры относительной атомной массы

Водород (H) → Ar ≈ 1
Кислород (O) → Ar ≈ 16
Натрий (Na) → Ar ≈ 23

Относительная атомная масса является безразмерной величиной и используется для расчётов в химии.

Почему относительная атомная масса не всегда целое число?

Для многих элементов значение Ar не является целым числом. Это связано с тем, что в природе химические элементы существуют в виде нескольких разновидностей атомов — изотопов.

Что такое изотопы?

Определение

Изотопы — это атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но различное число нейтронов.

Следовательно:

число протонов одинаковое;
химические свойства практически одинаковые;
масса атомов различается.

Пример изотопов водорода

¹H — протий (1 протон, 0 нейтронов);
²H — дейтерий (1 протон, 1 нейтрон);
³H — тритий (1 протон, 2 нейтрона).

Несмотря на различия в массе, все эти атомы являются водородом, поскольку содержат один протон.

Как рассчитывается относительная атомная масса?

Относительная атомная масса элемента определяется как средневзвешенное значение масс всех его природных изотопов с учётом их распространённости.

Формула расчёта

[ Ar=\frac{\sum(m_i \cdot w_i)}{\sum w_i} ]

где:

mᵢ — масса изотопа;
wᵢ — доля данного изотопа в природе.

Пример расчёта для хлора

В природе хлор представлен двумя основными изотопами:

³⁵Cl — доля около 75% (0,75);
³⁷Cl — доля около 25% (0,25).

Подставим данные в формулу:

Ar = (35 × 0,75 + 37 × 0,25) / (0,75 + 0,25)

Ar = (26,25 + 9,25) / 1

Ar = 35,5

Получаем:

Ar(Cl) = 35,5

Именно такое значение указано в Периодической таблице химических элементов.

Почему изучение изотопов важно?

Изотопы помогают:

правильно выполнять химические расчёты;
понимать происхождение дробных значений атомных масс;
объяснять различия в массе атомов одного элемента;
изучать радиоактивные процессы.

Изотопы одного элемента обладают практически одинаковыми химическими свойствами, но могут отличаться по массе и радиоактивности.

Пример из жизни

Обычная вода содержит изотоп водорода ¹H, а тяжёлая вода — изотоп ²H (дейтерий).

При этом химические свойства воды остаются практически одинаковыми, хотя её масса изменяется.

Почему теллур расположен перед йодом?

На первый взгляд может показаться, что элементы в Периодической системе должны располагаться строго по возрастанию атомной массы. Однако это не всегда так.

Пример теллура и йода

Теллур (Te): Ar ≈ 127,6
Йод (I): Ar ≈ 127

Несмотря на то что атомная масса теллура больше, он находится в таблице раньше йода.

Причина заключается в том, что порядок элементов определяется не атомной массой, а зарядом ядра (числом протонов):

Теллур → Z = 52
Йод → Z = 53

Следовательно, теллур располагается раньше йода, поскольку его порядковый номер меньше.

Главное запомнить

Относительная атомная масса

показывает относительную массу атома;
обозначается как Ar;
может быть дробным числом.

Изотопы

имеют одинаковое число протонов;
отличаются числом нейтронов;
обладают почти одинаковыми химическими свойствами;
отличаются массой и иногда радиоактивностью.

Положение элемента в таблице Менделеева

определяется числом протонов;
не зависит напрямую от атомной массы.

Именно поэтому некоторые элементы с большей атомной массой могут располагаться перед элементами с меньшей атомной массой.