stringtranslate.com

Стандартный атомный вес

Пример: медь в земных источниках. Присутствуют два изотопа: медь-63 (62,9) и медь-65 (64,9), в содержании 69% + 31%. Стандартный атомный вес ( A r °(Cu)) для меди — это среднее значение, взвешенное по их природному содержанию, а затем деленное на атомную массовую константу m u . [1]

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

Поскольку относительные изотопные массы являются безразмерными величинами , это взвешенное среднее также безразмерно. Его можно преобразовать в меру массы (с размерностью M ), умножив его на дальтон , также известный как атомная массовая константа.

Среди различных вариантов понятия атомного веса ( A r , также известного как относительная атомная масса ), используемых учеными, стандартный атомный вес ( A r °) является наиболее распространенным и практичным. Стандартный атомный вес каждого химического элемента определяется и публикуется Комиссией по изотопному содержанию и атомным весам (CIAAW) Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) на основе естественных, стабильных, земных источников элемента. Определение определяет использование образцов из многих репрезентативных источников с Земли, так что значение может широко использоваться в качестве атомного веса для веществ, которые встречаются в реальности, например, в фармацевтике и научных исследованиях. Нестандартизированные атомные веса элемента специфичны для источников и образцов, например, атомный вес углерода в конкретной кости из конкретного археологического памятника. Стандартный атомный вес усредняет такие значения до диапазона атомных весов , которые химик мог бы ожидать получить из многих случайных образцов с Земли. Этот диапазон является обоснованием интервальной записи, данной для некоторых стандартных значений атомного веса.

Из 118 известных химических элементов 80 имеют стабильные изотопы, а 84 имеют это значение, основанное на земной среде. Обычно такое значение, например, для гелия: A r °(He) = 4.002 602 (2) . «(2)» указывает на неопределенность последней показанной цифры, следует читать4,002 602 ± 0,000 002 . IUPAC также публикует сокращенные значения , округленные до пяти значащих цифр. Для гелия, Ar , сокращенно °(He) = 4.0026 .

Для четырнадцати элементов образцы расходятся по этому значению, поскольку их источники образцов имели различную 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 как интервал: A r °(Tl) = [204,38, 204,39] . С таким интервалом для менее требовательных ситуаций ИЮПАК также публикует условное значение . Для таллия, A r, условное °(Tl) = 204.38 .

Определение

Фрагмент периодической таблицы ИЮПАК, показывающий интервальную нотацию стандартных атомных весов бора, углерода и азота (Chemistry International, IUPAC). Пример: круговая диаграмма для бора показывает, что он состоит примерно из 20% 10B и 80% 11B . Эта смесь изотопов приводит к тому, что атомный вес обычных образцов земного бора, как ожидается, будет находиться в интервале от 10,806 до 10,821. и этот интервал является стандартным атомным весом. Образцы бора из необычных источников, в частности неземных источников, могли иметь атомные веса, которые выходят 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 локальной среде земной коры и атмосферы , как определено Комиссией ИЮПАК по атомным весам и изотопному содержанию (CIAAW). [2] В целом, значения из разных источников подвержены естественным вариациям из-за различной радиоактивной истории источников. Таким образом, стандартные атомные веса — это ожидаемый диапазон атомных весов из ряда образцов или источников. Ограничивая источники только земным происхождением, значения, определенные CIAAW, имеют меньшую дисперсию и являются более точным значением для относительных атомных масс (атомных весов), фактически найденных и используемых в мировых материалах.

Опубликованные CIAAW значения используются и иногда законно требуются в расчетах массы. Значения имеют неопределенность (отмеченную в скобках) или являются интервалом ожидания (см. пример на иллюстрации выше). Эта неопределенность отражает естественную изменчивость изотопного распределения для элемента, а не неопределенность измерения (которая намного меньше с качественными приборами). [3]

Хотя предпринимаются попытки охватить весь диапазон изменчивости на Земле с помощью стандартных значений атомного веса, известны случаи, когда образцы минералов содержали элементы с атомным весом, выпадающим из стандартного диапазона атомного веса. [2]

Для синтетических элементов образующийся изотоп зависит от способа синтеза, поэтому понятие естественного изотопного содержания не имеет смысла. Поэтому для синтетических элементов в скобках вместо стандартного атомного веса указано общее число нуклонов наиболее стабильного изотопа (т. е. изотопа с самым длительным периодом полураспада).

Когда термин «атомный вес» используется в химии, обычно подразумевается более конкретный стандартный атомный вес. Именно стандартные атомные веса используются в периодических таблицах и многих стандартных ссылках в обычной земной химии.

Литий представляет собой уникальный случай, когда в некоторых случаях было обнаружено, что естественная распространенность изотопов была нарушена 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. [ необходима ссылка ] [ сомнительно – обсудить ]

Наземное определение

Примером того, почему «обычные земные источники» должны быть указаны при указании стандартных значений атомного веса, является элемент аргон. Между точками Солнечной системы атомный вес аргона варьируется на 10% из-за экстремальных различий в изотопном составе. Где основным источником аргона является распад40К в горных породах,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 приблизительно 5 : 1 : 1600, что дает земному аргону стандартный атомный вес 39,948(1).

Однако в остальной части Вселенной это не так. Аргон, полученный напрямую, путем звездного нуклеосинтеза , доминирует над нуклидом альфа-процесса36
Ar . Соответственно солнечный аргон содержит 84,6%36
Ar (согласно измерениям солнечного ветра ) [4] и соотношение трех изотопов 36 Ar :  38 Ar :  40 Ar в атмосферах внешних планет составляет 8400 : 1600 : 1. [5] Атомный вес аргона на Солнце и большей части Вселенной, таким образом, будет составлять всего лишь приблизительно 36,3. [6]

Причины неопределенности на Земле

Известно, что опубликованное значение атомного веса имеет неопределенность. Эта неопределенность (и связанная с ней точность) вытекает из его определения, источник которого «земной и стабильный». Систематические причины неопределенности:

  1. Пределы измерения. Как всегда, физическое измерение никогда не бывает конечным. Всегда есть больше деталей, которые можно найти и прочитать. Это относится к каждому отдельному , чистому изотопу, найденному. Например, сегодня массу основного природного изотопа фтора ( фтор-19 ) можно измерить с точностью до одиннадцати знаков после запятой:18,998 403 163 (6) . Но может появиться еще более точная система измерения, дающая больше десятичных знаков.
  2. Несовершенные смеси изотопов. В отобранных и измеренных образцах смесь (относительное содержание) этих изотопов может различаться. Например, медь. В то время как в целом ее два изотопа составляют 69,15% и 30,85% каждый из всей обнаруженной меди, измеряемый природный образец мог иметь неполное «перемешивание», и поэтому проценты различаются. Точность, конечно, повышается за счет измерения большего количества образцов, но остается эта причина неопределенности. (Пример: образцы свинца различаются настолько, что невозможно отметить точнее, чем четыре цифры:207.2 )
  3. Земные источники с другой историей. Источник — это большая исследуемая область, например, «океанская вода» или «вулканическая порода» (в отличие от «образца»: отдельной кучи исследуемого материала). Похоже, что некоторые элементы имеют разный изотопный состав в зависимости от источника. Например, таллий в магматической породе имеет больше легких изотопов, тогда как в осадочной породе — больше тяжелых. Среднего земного числа не существует. Эти элементы показывают интервальную нотацию: A r °(Tl) = [204.38 , 204.39 ]. По практическим соображениям публикуется также упрощенное «условное» число (для Tl: 204.38).

Эти три неопределенности являются накопительными. Опубликованное значение является результатом всех этих факторов.

Определение относительной атомной массы

Современные относительные атомные массы (термин, специфичный для данного образца элемента) рассчитываются из 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 более подвержены вариациям между образцами. [9] [10] По этой причине относительные атомные массы 22 мононуклидных элементов (которые совпадают с изотопными массами для каждого из единичных встречающихся в природе нуклидов этих элементов) известны с особенно высокой точностью.

Расчет проиллюстрирован для 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 части на 14 миллиардов для 28 Si и около одной части на миллиард для остальных. Однако диапазон естественной распространенности изотопов таков, что стандартная распространенность может быть задана только с точностью около ±0,001% (см. таблицу). Расчет

Ar (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 оценочными симметричными неопределенностями, [12] а значение для кремния составляет 28,0855(3). Относительная стандартная неопределенность этого значения 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 как интервал, а не как фиксированное число. [13]

Споры о наименовании

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 заключается в том, что атомный вес — это не вес , а сила, действующая на объект в гравитационном поле , измеряемая в единицах силы, таких как ньютон или паундаль . [15]

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

Можно добавить, что атомный вес часто не является истинно «атомным», поскольку он не соответствует свойству какого-либо отдельного атома. Тот же аргумент можно выдвинуть против «относительной атомной массы», используемой в этом смысле.

Опубликованные значения

IUPAC публикует одно формальное значение для каждого стабильного химического элемента , называемое стандартным атомным весом . [17] [1] : Таблица 1  Любые обновления публикуются дважды в год (в нечетные годы). В 2015 году был обновлен атомный вес иттербия. [17] В 2017 году было изменено 14 атомных весов, включая изменение атомного веса аргона с одного числа на интервальное значение. [18] [19]

Опубликованное значение может иметь неопределенность, как для неона:20,1797(6) , или может быть интервалом, как для бора: [10,806, 10,821].

Наряду с этими 84 значениями ИЮПАК публикует также сокращенные значения (только до пяти цифр на число), а для двенадцати интервальных значений — условные значения (отдельные числовые значения).

Символ A r — относительная атомная масса, например, из определенного образца. Для определенности стандартный атомный вес можно обозначить как A r °(E) , где (E) — символ элемента.

Сокращенный атомный вес

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

Границы интервала округляются вниз для первой (самой низкой) границы и вверх для восходящей (самой верхней) границы. Таким образом, более точный исходный интервал полностью охватывается. [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 как одно число, а как интервал. Например, водород имеет A r °(H) = [1,00 784, 1,00811] . Эта нотация гласит, 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 было бы 1,007975 для водорода с неопределенностью (±0,000135), что позволило бы ему просто покрыть интервал). Однако для ситуаций, когда приемлемо менее точное значение, например, в торговле, CIAAW опубликовал однозначный условный атомный вес . Для водорода, Ar , условный °(H) = 1,008 . [1] : Таблица 3 

Формальный короткий атомный вес

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

Список атомных весов

  1. ^
      ( Этот список:
    )
    CIAAW может публиковать изменения атомных весов (включая их точность и производные значения). С 1947 года любое обновление это делается в нечетные годы номинально; фактическая дата публикации может быть позже.
    • 2009 (введение интервальной нотации; Ge):
    «Атомные веса элементов 2009 (Технический отчет ИЮПАК)». Pure Appl. Chem . 83 (2): 359–396. 12 декабря 2010 г. doi :10.1351/PAC-REP-10-09-14.
    • 2011 (интервал для Br, Mg):
    «Атомные веса элементов 2011 (Технический отчет ИЮПАК)». Pure Appl. Chem . 85 (5): 1047–1078. 29 апреля 2013 г. doi :10.1351/PAC-REP-13-03-02.
    • 2013 ( все элементы перечислены ):
    Мейя, Юрис и др. (2016). «Атомные веса элементов 2013 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 88 (3): 265–91. doi : 10.1515/pac-2015-0305 .
    • 2015 (иттербий изменен):
    «Пересмотренный стандартный атомный вес иттербия». Chemistry International . 37 (5–6): 26. Октябрь 2015. doi : 10.1515/ci-2015-0512 . eISSN  0193-6484. ISSN  0193-6484.
    • 2017 (изменено 14 значений):
    «Пересмотренные стандартные атомные веса 14 химических элементов». CIAAW. 2018-06-05.
    • 2019 (значение гафния изменено): Meija, Juris; et al. (2019-12-09). "Пересмотренный стандартный атомный вес гафния". CIAAW . Получено 25-02-2020 .
    • 2020 * (значение свинца изменено): Чжу, Сян-Кунь; Бенефилд, Жаклин; Коплен, Тайлер Б.; Гао, Чжаофу; Холден, Норман Э. (1 октября 2020 г.). «Изменение изотопного состава свинца и атомного веса в наземных материалах (Технический отчет ИЮПАК)». doi :10.1515/pac-2018-0916.
    * «2020» — непоследовательный год публикации изменений: CIAAW утверждает, что изменения публикуются только в нечетные годы.
    • 2021 ( все элементы перечислены ); (изменено 4 значения; введен новый символ; объединение «обычных» столбцов в «сокращенные»; изменение обозначения неопределенности (использование «±»)
    Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022-05-04). "Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)". Чистая и прикладная химия . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
    Обработка неопределенности

    Об обозначениях и обработке неопределенности значений, включая значения в диапазоне [ ]:

    • Possolo, Antonio; van der Veen, Adriaan MH; Meija, Juris; et al. (4 января 2018 г.). «Интерпретация и распространение неопределенности стандартных атомных весов (Технический отчет ИЮПАК)». doi :10.1515/pac-2016-0402 . Получено 20 октября 2020 г. .
    • {{ CIAAW2021 }} : изменение обозначения (т. е. интерпретации, а не значения) с123.45(2) в123,45 ± 0,02
    См. также: {{ Таблица изотопов/ссылки }}

В периодической таблице

  • в
  • т
  • е
Периодическая таблица

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdef Мейя, Юрис; и др. (2016). «Атомные веса элементов 2013 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 88 (3): 265–91. doi : 10.1515/pac-2015-0305 .
  2. ^ ab "IUPAC Goldbook". Compendium of Chemical Terminology . doi : 10.1351/goldbook.S05907 . Получено 12 июля 2019 г. . стандартные атомные веса: рекомендуемые значения относительных атомных масс элементов, пересматриваемые раз в два года Комиссией IUPAC по атомным весам и изотопному содержанию и применимые к элементам в любом нормальном образце с высоким уровнем достоверности. Нормальный образец — это любой разумно возможный источник элемента или его соединений в торговле для промышленности и науки, который не подвергался значительным изменениям изотопного состава в течение геологически короткого периода.
  3. ^ Wieser, M. E (2006). "Атомные веса элементов 2005 (Технический отчет ИЮПАК)" (PDF) . Чистая и прикладная химия . 78 (11): 2051–2066. doi :10.1351/pac200678112051. S2CID  94552853.
  4. ^ Lodders, K. (2008). «Содержание солнечного аргона». Astrophysical Journal . 674 (1): 607–611. arXiv : 0710.4523 . Bibcode : 2008ApJ...674..607L. doi : 10.1086/524725. S2CID  59150678.
  5. ^ Кэмерон, АГВ (1973). «Элементное и изотопное содержание летучих элементов во внешних планетах». Space Science Reviews . 14 (3–4): 392–400. Bibcode : 1973SSRv...14..392C. doi : 10.1007/BF00214750. S2CID  119861943.
  6. ^ Это можно определить из предыдущих цифр, используя определение атомного веса и WP:CALC.
  7. ^ «Атомные веса и изотопные составы всех элементов». Национальный институт стандартов и технологий .
  8. ^ ab Wapstra, AH; Audi, G.; Thibault, C. (2003), Оценка атомной массы AME2003 (Электронное издание), Национальный центр ядерных данных. На основе:
    • Wapstra, AH; Audi, G.; Thibault, C. (2003), "Оценка атомной массы AME2003 (I)", Nuclear Physics A , 729 : 129–336, Bibcode : 2003NuPhA.729..129W, doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.002
    • Audi, G.; Wapstra, AH; Thibault, C. (2003), "Оценка атомной массы AME2003 (II)", Nuclear Physics A , 729 : 337–676, Bibcode : 2003NuPhA.729..337A, doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003
  9. ^ ab Rosman, KJR; Taylor, PDP (1998), "Изотопные составы элементов 1997" (PDF) , Pure and Applied Chemistry , 70 (1): 217–35, doi :10.1351/pac199870010217
  10. ^ Коплен, ТБ и др. (2002), «Изменения изотопного содержания отдельных элементов» (PDF) , Чистая и прикладная химия , 74 (10): 1987–2017, doi :10.1351/pac200274101987
  11. ^ Мейя, Юрис; Местер, Золтан (2008). «Распространение неопределенности результатов измерения атомного веса». Metrologia . 45 (1): 53–62. Bibcode : 2008Metro..45...53M. doi : 10.1088/0026-1394/45/1/008. S2CID  122229901.
  12. ^ Холден, Норман Э. (2004). «Атомные веса и Международный комитет — исторический обзор». Chemistry International . 26 (1): 4–7.
  13. ^ "IUPAC – Международный союз теоретической и прикладной химии: атомные веса десяти химических элементов могут измениться". Архивировано из оригинала 2020-07-28 . Получено 2019-07-12 .
  14. ^ ab de Bièvre, Paul; Peiser, H. Steffen (1992). «Атомный вес» — название, его история, определение и единицы измерения» (PDF) . Pure and Applied Chemistry . 64 (10): 1535–43. doi :10.1351/pac199264101535.
  15. ^ Холден, NE (1985-01-01). Атомный вес против атомной массы (Отчет). Брукхейвенская национальная лаборатория, Аптон, Нью-Йорк (США).
  16. ^ Далтон, Джон (1808). Новая система химической философии. Манчестер.
  17. ^ ab "Standard Atomic Weights 2015". Комиссия по изотопному содержанию и атомным весам . 12 октября 2015 г. Получено 18 февраля 2017 г.
  18. ^ "Пересмотренные стандартные атомные веса 14 химических элементов". CIAAW . 2018-06-05 . Получено 2019-02-02 .
  19. ^ «Пересмотренные стандартные атомные веса 14 химических элементов». Chemistry International . 40 (4): 23–24. 2018. doi : 10.1515/ci-2018-0409 . ISSN  0193-6484.
  20. ^ ab Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022-05-04). "Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)". Чистая и прикладная химия . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.

Внешние ссылки