stringtranslate.com

Стандартный атомный вес

Пример: медь в земных источниках. Присутствуют два изотопа: медь-63 (62,9) и медь-65 (64,9), в содержаниях 69% + 31%. Стандартный атомный вес ( A r °(Cu)) меди представляет собой среднее значение, взвешенное по их естественному содержанию, а затем разделенное на константу атомной массы m u . [1]

Стандартный атомный вес химического элемента (символ A r ° (E) для элемента «E») — это среднее арифметическое взвешенное относительных изотопных масс всех изотопов этого элемента , взвешенных по распространенности каждого изотопа на Земле . Например, изотоп 63 Cu ( Ar = 62,929) составляет 69% меди на Земле, а остальное составляет 65 Cu ( Ar = 64,927 ), поэтому

Поскольку относительные изотопные массы являются безразмерными величинами , это средневзвешенное значение также безразмерно. Ее можно преобразовать в меру массы (с размерностью M ), умножив ее на дальтон , также известный как константа атомной массы.

Среди различных вариантов понятия атомной массы ( Ar , также известной как относительная атомная масса ) , используемых учеными, стандартный атомный вес ( Ar °) является наиболее распространенным и практичным . Стандартный атомный вес каждого химического элемента определяется и публикуется Комиссией по изотопному содержанию и атомному весу (CIAAW) Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) на основе природных, стабильных земных источников элемента. В определении указано использование образцов из многих репрезентативных источников с Земли, так что это значение можно широко использовать в качестве «атомного веса» веществ в том виде, в котором они встречаются в действительности, например, в фармацевтических препаратах и ​​научных исследованиях. Нестандартизованный атомный вес элемента специфичен для источников и образцов, например, атомный вес углерода в конкретной кости из определенного археологического памятника. Стандартный атомный вес усредняет такие значения в диапазоне атомных весов , который химик мог бы ожидать получить из множества случайных образцов с Земли. Этот диапазон является основанием для обозначения интервалов , данного для некоторых стандартных значений атомного веса.

Из 118 известных химических элементов 80 имеют стабильные изотопы, а 84 имеют ценность, обусловленную воздействием на окружающую среду Земли. Обычно такой величиной является, например, гелий: A r °(He) = 4,002 602 (2) . «(2)» указывает на неопределенность в последней показанной цифре, чтобы прочитать4,002 602 ± 0,000 002 . ИЮПАК также публикует сокращенные значения , округленные до пяти значащих цифр. Для гелия A r, сокращенно °(He) = 4.0026 .

Для четырнадцати элементов выборки расходятся по этому значению, поскольку их источники образцов имели разную историю распада. Например, таллий (Tl) в осадочных породах имеет другой изотопный состав, чем в магматических породах и вулканических газах. Для этих элементов стандартный атомный вес отмечается в виде интервала: A r °(Tl) = [204,38, 204,39] . С таким интервалом для менее требовательных ситуаций IUPAC также публикует условное значение . Для таллия А r условная °(Tl) = 204.38 .

Определение

Отрывок из периодической таблицы ИЮПАК, показывающий интервальное обозначение стандартных атомных масс бора, углерода и азота (Chemistry International, IUPAC). Пример: круговая диаграмма бора показывает, что он состоит примерно из 20% 10 B и 80% 11 B. Из-за этой смеси изотопов ожидается, что атомный вес обычных земных образцов бора будет находиться в интервале от 10,806 до 10,821. и этот интервал представляет собой стандартный атомный вес. Образцы бора из необычных источников, особенно из неземных источников, могли иметь атомные массы, выходящие за пределы этого диапазона. Атомный вес и относительная атомная масса являются синонимами.

Стандартный атомный вес — это особое значение относительной атомной массы . Он определяется как «рекомендуемые значения» относительных атомных масс источников в местной среде земной коры и атмосферы , определенные Комиссией ИЮПАК по атомному весу и содержанию изотопов (CIAAW). [2] В целом, значения из разных источников подвержены естественным изменениям из-за разной радиоактивной истории источников. Таким образом, стандартные атомные веса представляют собой ожидаемый диапазон атомных весов из диапазона образцов или источников. Ограничивая источники только земным происхождением, значения, определенные CIAAW, имеют меньшую дисперсию и являются более точным значением относительных атомных масс (атомных весов), фактически обнаруженных и используемых в мировых материалах.

Значения, опубликованные CIAAW, используются , а иногда и требуются по закону при массовых расчетах. Значения имеют неопределенность (отмечена в скобках) или представляют собой интервал ожидания (см. пример на рисунке выше). Эта неопределенность отражает естественную изменчивость распределения изотопов элемента, а не неопределенность измерений (которая намного меньше при использовании качественных инструментов). [3]

Хотя существует попытка охватить диапазон изменчивости на Земле стандартными значениями атомного веса, известны случаи образцов минералов, которые содержат элементы с атомными весами, выходящими за пределы стандартного диапазона атомных весов. [2]

Для синтетических элементов образование изотопа зависит от способа синтеза, поэтому концепция распространенности природных изотопов не имеет смысла. Поэтому для синтетических элементов общее количество нуклонов наиболее стабильного изотопа (т.е. изотопа с самым длинным периодом полураспада) указано в скобках вместо стандартного атомного веса.

Когда в химии используется термин «атомный вес», обычно подразумевается более конкретный стандартный атомный вес. Именно стандартные атомные массы используются в таблицах Менделеева и во многих стандартных справочниках в обычной земной химии.

Литий представляет собой уникальный случай, когда в некоторых случаях было обнаружено, что естественное содержание изотопов было нарушено деятельностью человека по разделению изотопов до такой степени, что это повлияло на неопределенность его стандартного атомного веса даже в образцах, полученных из природных источников, таких как реки. [ нужна ссылка ] [ сомнительно – обсудить ]

Земное определение

Примером того, почему при указании стандартных значений атомного веса необходимо указывать «обычные наземные источники», является элемент аргон. В разных местах Солнечной системы атомный вес аргона варьируется на целых 10% из-за значительных различий в изотопном составе. Если основным источником аргона является распад40К в скалах,40
Ar будет доминирующим изотопом. К таким местам относятся планеты Меркурий и Марс, а также луна Титан. На Земле соотношение трех изотопов 36 Ar:  38 Ar:  40 Ar составляет примерно 5:1:1600, что дает земному аргону стандартный атомный вес 39,948(1).

Однако в остальной части Вселенной дело обстоит иначе. В аргоне, производимом непосредственно в результате звездного нуклеосинтеза , преобладает нуклид альфа-процесса.36
Ар . Соответственно, солнечный аргон содержит 84,6%36
Ar (по измерениям солнечного ветра ) [4] , а соотношение трех изотопов 36 Ar :  38 Ar :  40 Ar в атмосферах внешних планет составляет 8400 : 1600 : 1. [5] Атомный вес аргона в Следовательно, Солнце и большая часть Вселенной будут иметь лишь приблизительно 36,3. [6]

Причины неопределенности на Земле

Как известно, опубликованное значение атомного веса имеет неопределенность. Эта неопределенность (и связанная с ней точность) следует из ее определения, согласно которому источник является «земным и стабильным». Систематическими причинами неопределенности являются:

  1. Пределы измерения. Как всегда, физическое измерение никогда не бывает конечным. Всегда можно найти и прочитать более подробную информацию. Это относится к каждому найденному чистому изотопу. Например, сегодня массу основного природного изотопа фтора ( фтора-19 ) можно измерить с точностью до одиннадцати десятичных знаков:18.998 403 163 (6) . Но могла бы стать доступной еще более точная система измерения, дающая больше десятичных знаков.
  2. Несовершенные смеси изотопов. В взятых и измеренных пробах смесь (относительное содержание) этих изотопов может варьироваться. Например, медь. Хотя в целом два его изотопа составляют 69,15% и 30,85% от всей найденной меди, измеряемый природный образец мог иметь неполное «перемешивание», и поэтому процентные соотношения различаются. Конечно, точность повышается за счет измерения большего количества образцов, но остается причина неопределенности. (Пример: образцы свинца настолько различаются, что точнее четырех цифр невозможно отметить:207.2 )
  3. Земные источники с разной историей. Источником является большая исследуемая территория, например , «океанская вода» или «вулканическая порода» (в отличие от «образца»: единственной кучи исследуемого материала). Похоже, что некоторые элементы имеют разную изотопную смесь в зависимости от источника. Например, таллий в магматических породах имеет больше легких изотопов, а в осадочных – более тяжелых. Среднего земного числа не существует. Эти элементы обозначают интервальные обозначения: A r °(Tl) = [204,38 , 204.39 ]. По практическим соображениям также публикуется упрощенное «обычное» число (для Tl: 204,38).

Эти три неопределенности накапливаются. Опубликованная стоимость является результатом всего этого.

Определение относительной атомной массы

Современные относительные атомные массы (термин, характерный для данного образца элемента) рассчитываются на основе измеренных значений атомной массы (для каждого нуклида) и изотопного состава образца. Высокоточные атомные массы доступны [7] [8] практически для всех нерадиоактивных нуклидов, но изотопные составы сложнее измерить с высокой точностью и они более подвержены различиям между образцами. [9] [10] По этой причине относительные атомные массы 22 мононуклидных элементов (которые такие же, как изотопные массы для каждого из отдельных встречающихся в природе нуклидов этих элементов) известны с особенно высокой точностью.

Расчет приведен на примере кремния , относительная атомная масса которого особенно важна в метрологии . Кремний существует в природе в виде смеси трех изотопов: 28 Si, 29 Si и 30 Si. Атомные массы этих нуклидов известны с точностью до одной миллиардной для 28 Si и примерно до одной миллиардной для остальных. Однако диапазон естественного содержания изотопов таков, что стандартное содержание можно определить только с точностью до ±0,001% (см. Таблицу). Расчет

A r (Si) = (27,97693 × 0,922297) + (28,97649 × 0,046832) + (29,97377 × 0,030872) = 28,0854

Оценка неопределенности сложна , [11] особенно потому, что распределение выборки не обязательно симметрично: стандартные относительные атомные массы ИЮПАК указаны с расчетными симметричными неопределенностями, [12] , а значение для кремния составляет 28,0855(3). Относительная стандартная неопределенность этой величины составляет 1 × 10 –5 или 10 ppm. Чтобы еще больше отразить эту естественную изменчивость, в 2010 году ИЮПАК принял решение перечислить относительные атомные массы 10 элементов в виде интервала, а не фиксированного числа. [13]

Споры о названиях

Использование названия «атомный вес» вызвало много споров среди ученых. [14] Противники этого названия обычно предпочитают термин « относительная атомная масса » (не путать с атомной массой ). Основное возражение состоит в том, что атомный вес не является весом , то есть силой , действующей на объект в гравитационном поле и измеряемой в таких единицах силы, как ньютон или паундаль . [ нужна цитата ]

В ответ сторонники термина «атомный вес» отмечают (среди прочих аргументов) [14], что:

Можно добавить, что атомный вес также часто не является истинно «атомным», поскольку он не соответствует свойству какого-либо отдельного атома. Тот же аргумент можно привести и против термина «относительная атомная масса», используемого в этом смысле.

Опубликованные значения

ИЮПАК публикует одно формальное значение для каждого стабильного химического элемента , называемое стандартным атомным весом . [16] [1] : Таблица 1.  Любые обновления публикуются два раза в год (в нечетные годы). В 2015 году был обновлен атомный вес иттербия. [16] В 2017 году было изменено 14 атомных весов, в том числе изменение атомного веса аргона с единичного числа на интервальное значение. [17] [18]

Опубликованное значение может иметь неопределенность, как для неона:20.1797(6) или может быть интервалом, как для бора: [10.806, 10.821].

Помимо этих 84 значений, ИЮПАК также публикует сокращенные значения (только до пяти цифр на число), а для двенадцати интервальных значений - обычные значения (одночисловые значения).

Символ A r представляет собой относительную атомную массу, например, из конкретного образца. Точнее, стандартный атомный вес можно обозначить как A r °(E) , где (E) — символ элемента.

Сокращенный атомный вес

Сокращенный атомный вес , также опубликованный CIAAW, получен из стандартного атомного веса, сокращая числа до пяти цифр (пяти значащих цифр). В названии не сказано «округленный».

Границы интервалов округляются вниз для первой (самой нижней) границы и вверх для верхней (самой верхней) границы. Таким образом, полностью покрывается более точный исходный интервал. [1] : Таблица 2 

Примеры:

Условный атомный вес

Четырнадцать химических элементов – водород, литий, бор, углерод, азот, кислород, магний, кремний, сера, хлор, аргон, бром, таллий и свинец – имеют стандартный атомный вес, который определяется не одним числом, а числом. интервал. Например, у водорода A r °(H) = [1,00 784, 1,00811] . В этих обозначениях говорится, что различные источники на Земле имеют существенно разные изотопные составы и что неопределенности во всех них просто покрываются двумя числами. Для этих элементов не существует «среднего земного» состава, и «правильное» значение не является его серединой (которое для водорода было бы 1,007975, с неопределенностью (± 0,000135), которая заставляла бы его просто покрывать интервал). Однако для ситуаций, когда менее точное значение приемлемо, например, в торговле, CIAAW опубликовал однозначный условный атомный вес . Для водорода A r условное °(H) = 1,008 . [1] : Таблица 3 

Формальный короткий атомный вес

Используя сокращенное значение и обычное значение для четырнадцати интервальных значений, для всех стабильных элементов можно указать короткое значение, определенное IUPAC (5 цифр плюс неопределенность). Во многих ситуациях и в таблицах Менделеева это может быть достаточно подробно. [1] : Таблицы 2 и 3. 

Список атомных весов

  1. ^
      ( Этот список:
    )
    CIAAW может публиковать изменения атомного веса (включая его точность и производные значения). С 1947 года любое обновление номинально производится в нечетные годы; фактическая дата публикации может быть позже.
    • 2009 г. (введение интервальных обозначений; Ge):
    «Атомные веса элементов 2009 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистое приложение. Хим . 83 (2): 359–396. 12 декабря 2010 г. doi :10.1351/PAC-REP-10-09-14.
    • 2011 г. (интервал для Бр, Мг):
    «Атомные массы элементов 2011 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистое приложение. Хим . 85 (5): 1047–1078. 29 апреля 2013 г. doi :10.1351/PAC-REP-13-03-02.
    • 2013 г. ( все элементы перечислены ):
    Мейя, Юрис; и другие. (2016). «Атомные массы элементов 2013 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 88 (3): 265–91. дои : 10.1515/pac-2015-0305 .
    • 2015 г. (иттербий изменен):
    «Пересмотренный стандартный атомный вес иттербия». Химия Интернэшнл . 37 (5–6): 26 октября 2015 г. doi : 10.1515/ci-2015-0512 . eISSN  0193-6484. ISSN  0193-6484.
    • 2017 г. (изменено 14 значений):
    «Пересмотренные стандартные атомные веса 14 химических элементов». ЦИАВ. 05.06.2018.
    • 2019 г. (стоимость гафния изменена): Мейя, Юрис; и другие. (09.12.2019). «Пересмотренный стандартный атомный вес гафния». ЦИАВ . Проверено 25 февраля 2020 г.
    • 2020 * (значение лида изменено): Чжу, Сян-Кунь; Бенефилд, Жаклин; Коплен, Тайлер Б.; Гао, Чжаофу; Холден, Норман Э. (1 октября 2020 г.). «Изменение изотопного состава и атомного веса свинца в земных материалах (Технический отчет ИЮПАК)». doi : 10.1515/pac-2018-0916.
    * «2020» — непоследовательный год для публикации изменений: CIAAW утверждает, что изменения публикуются только в нечетные годы.
    • 2021 г. ( все перечисленные элементы ); (изменено 4 значения; введен новый символ; объединить «обычные» столбцы в «сокращенные»; изменить обозначение неопределенности (используйте «±»)
    Прохаска, Томас; Ирргехер, Йоханна; Бенефилд, Жаклин; Бёлке, Джон К.; Чессон, Лесли А.; Коплен, Тайлер Б.; Дин, Типинг; Данн, Филип Дж. Х.; Грёнинг, Манфред; Холден, Норман Э.; Мейер, Харро Эй Джей (04 мая 2022 г.). «Стандартные атомные массы элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . doi : 10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
    Обработка неопределенности

    Об обозначениях и обработке неопределенностей в значениях, в том числе в значениях диапазона [ ]:

    • Поссоло, Антонио; ван дер Вин, Адриан М.Х.; Мейя, Юрис; и другие. (4 января 2018 г.). «Интерпретация и распространение неопределенности стандартных атомных весов (Технический отчет ИЮПАК)». дои : 10.1515/pac-2016-0402 . Проверено 20 октября 2020 г.
    • {{ CIAAW2021 }}: изменение обозначения (т. е. интерпретации, а не значения) с123,45(2) в123,45 ± 0,02
    См. также: {{ Таблица/ссылки по изотопам }}

В периодической таблице

  • в
  • т
  • е
Периодическая таблица

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcdef Мейя, Юрис; и другие. (2016). «Атомные массы элементов 2013 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 88 (3): 265–91. дои : 10.1515/pac-2015-0305 .
  2. ^ ab "Золотая книга ИЮПАК". Сборник химической терминологии . дои : 10.1351/goldbook.S05907 . Проверено 12 июля 2019 г. стандартные атомные массы: рекомендуемые значения относительных атомных масс элементов, пересматриваемые раз в два года Комиссией ИЮПАК по атомным весам и изотопному содержанию и применимые к элементам в любой нормальной пробе с высоким уровнем достоверности. Обычный образец — это любой разумно возможный источник элемента или его соединений, используемый в промышленности и науке, и не подвергавшийся значительной модификации изотопного состава в течение геологически короткого периода.
  3. ^ Визер, МЭ (2006). «Атомные массы элементов 2005 г. (Технический отчет ИЮПАК)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 78 (11): 2051–2066. дои : 10.1351/pac200678112051. S2CID  94552853.
  4. ^ Лоддерс, К. (2008). «Изобилие солнечного аргона». Астрофизический журнал . 674 (1): 607–611. arXiv : 0710.4523 . Бибкод : 2008ApJ...674..607L. дои : 10.1086/524725. S2CID  59150678.
  5. ^ Кэмерон, AGW (1973). «Элементарное и изотопное содержание летучих элементов на внешних планетах». Обзоры космической науки . 14 (3–4): 392–400. Бибкод :1973ССРв...14..392С. дои : 10.1007/BF00214750. S2CID  119861943.
  6. ^ Это можно определить из предыдущих цифр согласно определению атомного веса и WP:CALC.
  7. ^ «Атомный вес и изотопный состав всех элементов». Национальный институт стандартов и технологий .
  8. ^ аб Вапстра, АХ; Ауди, Г.; Тибо, К. (2003), Оценка атомной массы AME2003 (онлайн-изд.), Национальный центр ядерных данных. На основе:
    • Вапстра, АХ; Ауди, Г.; Тибо, К. (2003), «Оценка атомной массы AME2003 (I)», Nuclear Physics A , 729 : 129–336, Бибкод : 2003NuPhA.729..129W, doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.002
    • Ауди, Г.; Вапстра, АХ; Тибо, К. (2003), «Оценка атомной массы AME2003 (II)», Nuclear Physics A , 729 : 337–676, Бибкод : 2003NuPhA.729..337A, doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003
  9. ^ аб Росман, KJR; Тейлор, PDP (1998), «Изотопный состав элементов 1997» (PDF) , Pure and Applied Chemistry , 70 (1): 217–35, doi : 10.1351/pac199870010217
  10. ^ Коплен, ТБ; и другие. (2002), «Вариации изотопного содержания отдельных элементов» (PDF) , Pure and Applied Chemistry , 74 (10): 1987–2017, doi : 10.1351/pac200274101987
  11. ^ Мейя, Юрис; Местер, Золтан (2008). «Распространение неопределенности результатов измерения атомного веса». Метрология . 45 (1): 53–62. Бибкод : 2008Метро..45...53М. дои : 10.1088/0026-1394/45/1/008. S2CID  122229901.
  12. ^ Холден, Норман Э. (2004). «Атомные веса и Международный комитет - исторический обзор». Химия Интернэшнл . 26 (1): 4–7.
  13. ^ «ИЮПАК - Международный союз теоретической и прикладной химии: атомные массы десяти химических элементов вот-вот изменятся» . Архивировано из оригинала 28 июля 2020 г. Проверено 12 июля 2019 г.
  14. ^ Аб де Бьевр, Поль; Пейзер, Х. Штеффен (1992). «Атомный вес - название, его история, определение и единицы измерения» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 64 (10): 1535–43. дои : 10.1351/pac199264101535.
  15. ^ Далтон, Джон (1808). Новая система химической философии. Манчестер.
  16. ^ ab «Стандартные атомные веса 2015». Комиссия по изотопному содержанию и атомному весу . 12 октября 2015 г. Проверено 18 февраля 2017 г.
  17. ^ «Пересмотренные стандартные атомные массы 14 химических элементов». ЦИАВ . 05.06.2018 . Проверено 2 февраля 2019 г.
  18. ^ «Пересмотренные стандартные атомные массы 14 химических элементов» . Химия Интернэшнл . 40 (4): 23–24. 2018. doi : 10.1515/ci-2018-0409 . ISSN  0193-6484.
  19. ^ аб Прохаска, Томас; Ирргехер, Йоханна; Бенефилд, Жаклин; Бёлке, Джон К.; Чессон, Лесли А.; Коплен, Тайлер Б.; Дин, Типинг; Данн, Филип Дж. Х.; Грёнинг, Манфред; Холден, Норман Э.; Мейер, Харро Эй Джей (04 мая 2022 г.). «Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . doi : 10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.

Внешние ссылки