§ 12. Маса атома

Вам уже відомо, що атоми — дуже маленькі частинки. Вони настільки малі, що на вістрі голки їх може поміститись багато мільярдів.

Тому масу атомів важко виражати у звичних одиницях — грамах чи кілограмах. Наприклад, маса атома Гідроґену становить m_а(Н) = 1,66 • 10 -27 кг; маса атома Оксиґену — m_а(О) = 2,66 • 10 -26 кг; а маса атома Сульфуру дорівнює m_а(S) = 5,31 • 10 -26 кг.

Значно зручніше порівнювати масу певного атома з якоюсь іншою дуже малою масою, прийнятою за одиницю вимірювання.

Як одиницю виміру вчені домовились використовувати 1/12 маси атома Карбону. Цю одиницю називають атомною одиницею маси (а. о. м). Масу атома, яку виражають через цю величину, називають відносною атомною масою.

• Відносна атомна маса показує, у скільки разів маса даного атома більша за 1/12 маси атома Карбону.

Відносну атомну масу позначають A_r (індекс r — перша буква англійського слова relative — відносний).

A_r(Е) — відносна атомна маса елемента;

m_а(E) — маса атома хімічного елемента;

1 а. о. м. = 1,66 • 10 -27 кг

Потрібно пам’ятати, що 1 а. о. м. — надзвичайно мала величина, вона менша від маси кілограма у стільки разів, у скільки разів маса людини менша за масу Земної кулі.

Поділивши абсолютні значення атомних мас елементів на числове значення атомної одиниці маси, отримаємо відносні атомні маси, наприклад:

Відносна атомна маса, подібно до інших відносних величин, — величина безрозмірна.

Наприклад, A_r(F) = 19 означає, що атом Флуору в 19 разів важчий за 1/12 атома Карбону. Відносну атомну масу не можна ототожнювати з абсолютною масою атома, яку виражено в атомних одиницях маси (а. о. м.). Числові значення абсолютних мас атомів, виражених в а. о. м., співпадають зі значеннями відносних атомних мас.

Назва хімічного елемента

Маса атома (в кг)

Маса атома (в а. о. м.)

Відносна атомна маса

Атоми різних хімічних елементів різняться за масою не більш як у 300 разів, тому відносні атомні маси є невеликими цілими числами. Значення відносної атомної маси кожного хімічного елемента подано у періодичній системі Д.І. Менделєєва (мал. 62).

Мал. 62. Відносні атомні маси хімічних елементів подано у періодичній системі.

На практиці ці значення заокруглюють до цілих чисел, наприклад: A_r(Al) = 27; A_r(Si) = 28; A_r(P) = 31.

Атомні маси деяких хімічних елементів вперше визначив Д. Дальтон на початку ХІХ. Він, звичайно, не зважував окремі атоми. Дальтон визначив, у скільки разів одні атоми важчі чи легші за інші.

Мал. 63. Порівняння мас атомів

Відомо, наприклад, що мідь у реакції з сіркою утворює речовину, у якій на один атом Купруму припадає один атом Сульфуру. (Забігаючи трохи наперед, зазначимо, що речовина мідь складається з атомів хімічного елемента Купруму, а речовина сірка — з атомів хімічного елементу Сульфуру). Дослідним шляхом було встановлено, що маса міді у цій сполуці у два рази більша, ніж маса сірки. Отже, кожний атом Купруму у два рази важчий за атом Сульфуру (мал. 63).

Якби атоми можна було зважувати на терезах, то ми б помітили, що атоми Купруму важчі за атоми Сульфуру: а — сім атомів Купруму важчі, ніж сім атомів Сульфуру; б — сім атомів Купруму (A_r(Cu) = 64) мають таку ж масу, як і чотирнадцять атомів Сульфуру (A_r(S) = 32).

Аналогічно було визначено, що атом Купруму у 4 рази важчий за атом Оксиґену. Виявилося, що найлегший атом — це атом Гідроґену, тому тривалий час його масу вважали одиницею виміру. Згодом маси інших атомів стали порівнювати з 1/16 маси атома Оксиґену, а з 1961 року — з 1/12 маси атома Карбону.

• Оскільки атоми мають дуже малу масу, то під час обчислень користуються значенням відносної атомної маси.
• Відносна атомна маса елемента — це відношення маси його атома до 1/12 маси атома Карбону, яку називають атомною одиницею маси (а. о. м.).
• 1 а. о. м. = 1,66 • 10 -27 кг.
• Відносні атомні маси пропорційні масам атомів.
• Значення відносної атомної маси і маси атома, вираженої в а. о. м., чисельно збігаються.
• Значення відносних атомних мас хімічних елементів подано в періодичній системі хімічних елементів Д.І. Менделєєва.

Початковий рівень

• 1. Дайте визначення поняття «відносна атомна маса».
• 2. Що означає запис A_r(С)= 12?
• 3. Знайдіть за періодичною системою значення відносних атомних мас таких хімічних елементів:

4. Укажіть назви хімічних елементів, що мають такі значення відносних атомних мас:

Середній рівень

• 5. Розмістіть хімічні елементи у порядку зростання їхніх відносних атомних мас: Ba, І, Cu, B, Li.
• 6. У скільки разів маси атомів Карбону, Оксиґену і Маґнію більші за масу атома Гелію?
• 7. Вкажіть відносну атомну масу хімічних елементів, заряд ядра яких дорівнює:

Достатній рівень

A) в головній підгрупі ІІ групи 2 періоду;

Б) у побічній підгрупі VI групи 5 періоду;

B) в головній підгрупі V групи 6 періоду.

Високий рівень

• 9. У якій групі, підгрупі та періоді розміщено хімічний елемент, відносна атомна маса якого в два рази більша за відносну атомну масу Кальцію?

Додаткове завдання

• 10. Маса атома Нітроґену становить 2,32 • 10 -26 кг. Обчисліть його відносну атомну масу.
• 11. Що легше: два атоми Алюмінію чи три атоми Сульфуру?
• 12. Чи може до складу будь-якої молекули входити Оксиґен масою:

§ 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).

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

МАСА АТОМА. Як вам відомо з попереднього параграфа, атоми мають надзвичайно малі розміри. Відповідно й маса атомів (позначають m_A) великою бути не може.

Відновіть у пам’яті

У яких одиницях та якими приладами вимірюють масу?

Наприклад, маса 1 атома Гідрогену m_A(Н) дорівнює всього лише 0,000 000 000 000 000 000 000 001 674 г. Це число можна записати як 1,674 • 10 -24 г. Маса 1 атома Карбону m_а(С) дорівнює 0,000 000 000 000 000 000 000 01993 г, або 1,993 • 10 -23 , або 19,93 • 10 -24 г.

Атом якого з хімічних елементів важчий? Приблизно у скільки разів?

АТОМНА ОДИНИЦЯ МАСИ Й ВІДНОСНА АТОМНА МАСА ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ. Наведені приклади свідчать, наскільки малою є маса атомів. Записувати повсякчас такі величини незручно, розрахунки за їх участю громіздкі. Тому хіміки у своїй практиці використовують відносні атомні маси хімічних елементів. Їх визначають, порівнюючи масу атома хімічного елемента з 1/12 частиною маси атома Карбону, у ядрі якого містяться 6 протонів і 6 нейтронів.

Поділимо масу 1 атома Карбону на 12 та дізнаємося, скільки це грамів: 19,93 • 10 -24 г : 12 ≈ 1,662 • 10 -24 г.

Це число дістало назву атомна одиниця маси (а. о. м.). З нею порівнюють маси атомів різних елементів задля встановлення відносних атомних мас хімічних елементів.

• Атомна одиниця маси (а.о.м.) — маса 1/12 частини атома Карбону, ядро якого складається з 6 протонів і 6 нейтронів.

ВІДНОСНА АТОМНА МАСА ХІМІЧНОГО ЕЛЕМЕНТА. Число, яке одержують діленням маси атома конкретного хімічного елемента на атомну одиницю маси (приблизно на 1,662 · 10 -24 г) має назву відносна атомна маса хімічного елемента й позначається Ar (вимовляють «а-ер»). Літера А означає слово «атомна», літера r є першою буквою латинського слова relativus — відносний.

• Відносна атомна маса хімічного елемента (А_r) показує, у скільки разів маса атома даного хімічного елемента більша за атомну одиницю маси. A_r не має одиниць вимірювання, тобто є безрозмірною величиною.

Відносна атомна маса Гідрогену дорівнює 1. Карбон має відносну атомну масу 12, Оксиген 16. Скорочено це записують так:

Можна впевнено сказати, що серед наведених хімічних елементів атоми Гідрогену — найлегші (мал. 50).

Мал. 50. Відносна атомна маса Карбону у 12 разів більша за відносну атомну масу Гідрогену

Як бачите, відносні атомні маси хімічних елементів є цілими числами, з якими легко проводити математичні обчислення.

Наприклад, ставимо завдання: з’ясувати, у скільки разів 1 атом Магнію важчий за 1 атом Карбону. Поділимо відносну атомну масу Магнію на відносну атомну масу Карбону: A_r(Mg): A_r(C) = 24 : 12 = 2. Отже, атом Магнію важчий за атом Карбону у 2 рази (мал. 51).

Мал. 51. Порівняння відносних атомних мас Магнію й Карбону

Відносні атомні маси хімічних елементів настільки увійшли в науковий обіг, що доволі часто в підручниках і посібниках слово «відносна», коли мовиться про атомну масу, не пишуть.

1. Сформулюйте визначення атомної одиниці маси.

2. Що називають відносною атомною масою хімічного елемента?

3. Поясніть, чому у відносної атомної маси хімічних елементів немає одиниці виміру

4. Користуючись табл. 2 параграфа 10 (с. 57), знайдіть відповіді на запитання:

• а) у скільки разів атом Силіцію легший за атом Феруму?
• б) скільки атомів Силіцію потрібно, аби зрівноважити масу 4-х атомів Нітрогену?
• в) маса скількох атомів Оксигену дорівнює масі одного атома Сульфуру?

5. Назвіть хімічний елемент, відносна атомна маса якого дорівнює сумі відносних атомних мас Магнію й Сульфуру.

6. У якого хімічного елемента відносна атомна маса дорівнює сумі відносних атомних мас Карбону й Алюмінію?

7. Уявіть, що на одній шальці терезів міститься 100 атомів Купруму. Скільки атомів Сульфуру необхідно помістити на другу шальку терезів, аби зрівноважити прилад?