stringtranslate.com

Относительная атомная масса

Относительная атомная масса (символ: Ar ; иногда сокращенно RAM или ram ), также известная под устаревшим синонимом атомный вес , является безразмерной физической величиной, определяемой как отношение средней массы атомов химического элемента в данном образце к атомной массовой константе . Атомная массовая константа (символ: m u ) определяется как ⁠1/12⁠ массы атома углерода-12 . [1] [2] Поскольку обе величины в соотношении являются массами, полученное значение безразмерно. Эти определения остаются в силе [3] : 134  даже после пересмотра СИ в 2019 году . [a] [b]

Для одного данного образца относительная атомная масса данного элемента представляет собой взвешенное арифметическое среднее масс отдельных атомов (включая все его изотопы ), которые присутствуют в образце. Эта величина может значительно различаться между образцами, поскольку происхождение образца (и, следовательно, его радиоактивная история или история диффузии) могло привести к комбинациям изотопного содержания в различных соотношениях. Например, из-за различной смеси стабильных изотопов углерода-12 и углерода-13 образец элементарного углерода из вулканического метана будет иметь иную относительную атомную массу, чем тот, который собран из тканей растений или животных.

Более распространенная и более конкретная величина, известная как стандартный атомный вес ( A r,standard ), является приложением относительных значений атомной массы, полученных из множества различных образцов. Иногда ее интерпретируют как ожидаемый диапазон относительных значений атомной массы для атомов данного элемента из всех земных источников, при этом различные источники берутся с Земли . [8] «Атомный вес» часто вольно и неправильно используется как синоним стандартного атомного веса (неправильно, потому что стандартные атомные веса не из одного образца). Тем не менее, стандартный атомный вес является наиболее широко публикуемым вариантом относительной атомной массы.

Кроме того, продолжающееся использование термина «атомный вес» (для любого элемента) в противовес «относительной атомной массе» вызвало значительные споры, по крайней мере, с 1960-х годов, в основном из-за технической разницы между весом и массой в физике. [9] Тем не менее, оба термина официально одобрены ИЮПАК . Термин «относительная атомная масса» теперь, похоже, заменяет «атомный вес» в качестве предпочтительного термина, хотя термин « стандартный атомный вес» (в отличие от более правильного « стандартная относительная атомная масса») продолжает использоваться.

Определение

Относительная атомная масса определяется средней атомной массой или средневзвешенным значением атомных масс всех атомов конкретного химического элемента, обнаруженных в конкретном образце, которое затем сравнивается с атомной массой углерода-12. [10] Это сравнение представляет собой частное двух весов, что делает значение безразмерным (не имеющим единицы). Это частное также объясняет слово «относительный» : значение массы образца рассматривается относительно значения углерода-12.

Это синоним атомного веса, хотя его не следует путать с относительной изотопной массой . Относительная атомная масса также часто используется как синоним стандартного атомного веса , и эти величины могут иметь перекрывающиеся значения, если используемая относительная атомная масса является массой элемента с Земли при определенных условиях. Однако относительная атомная масса (атомный вес) по-прежнему технически отличается от стандартного атомного веса из-за ее применения только к атомам, полученным из одного образца; она также не ограничивается земными образцами, тогда как стандартный атомный вес усредняет несколько образцов, но только из земных источников. Поэтому относительная атомная масса является более общим термином, который может более широко относиться к образцам, взятым из неземных сред или весьма специфических земных сред, которые могут существенно отличаться от средних по Земле или отражать разные степени определенности (например, по количеству значимых цифр ), чем те, которые отражены в стандартных атомных весах.

Текущее определение

Преобладающие определения ИЮПАК (взятые из « Золотой книги ») следующие:

атомный вес – См.: относительная атомная масса [11]

и

Относительная атомная масса (атомный вес) – отношение средней массы атома к единой атомной единице массы. [12]

Здесь «единая атомная единица массы» относится к 1/12 массы атома 12 C в его основном состоянии . [13]

Определение ИЮПАК [1] относительной атомной массы следующее:

Атомный вес (относительная атомная масса) элемента из указанного источника представляет собой отношение средней массы атома элемента к 1/12 массы атома 12 C.

Определение намеренно указывает « Атомный вес ...», поскольку элемент будет иметь разные относительные атомные массы в зависимости от источника. Например, бор из Турции имеет меньшую относительную атомную массу, чем бор из Калифорнии , из-за его другого изотопного состава . [14] [15] Тем не менее, учитывая стоимость и сложность изотопного анализа , общепринятой практикой является замена табличных значений стандартных атомных весов , которые повсеместно используются в химических лабораториях и которые пересматриваются раз в два года Комиссией ИЮПАК по изотопному содержанию и атомным весам (CIAAW). [16]

Историческое использование

Более старые (до 1961 г.) исторические относительные шкалы, основанные на единице атомной массы (символ: а.е.м. или а.е.м. ), использовали либо относительную изотопную массу кислорода-16 , либо относительную атомную массу кислорода (т.е. атомный вес) для справки. См. статью об истории современной унифицированной атомной единицы массы для решения этих проблем.

Стандартный атомный вес

Комиссия IUPAC CIAAW поддерживает значение интервала ожидания для относительной атомной массы (или атомного веса) на Земле, называемое стандартным атомным весом. Стандартный атомный вес требует , чтобы источники были земными, естественными и стабильными в отношении радиоактивности. Также существуют требования к процессу исследования. Для 84 стабильных элементов CIAAW определил этот стандартный атомный вес. Эти значения широко публикуются и в общих чертах называются «атомным весом» элементов для реальных веществ, таких как фармацевтические препараты и коммерческая торговля.

Кроме того, CIAAW опубликовал сокращенные (округленные) значения и упрощенные значения (для случаев, когда земные источники систематически различаются).

Другие меры массы атомов

Атомная масса ( m a ) — это масса одного атома. Она определяет массу конкретного изотопа, которая является входным значением для определения относительной атомной массы.Ниже приведен пример для трех изотопов кремния . Удобной единицей массы для атомной массы является дальтон (Da), который также называется единой атомной единицей массы (u).

Относительная изотопная масса — это отношение массы отдельного атома к атомной массовой константе ( m u = 1 Да ). Это отношение безразмерно.

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 [17] [18] практически для всех нерадиоактивных нуклидов, но изотопные составы сложнее измерить с высокой точностью и они больше подвержены изменениям между образцами. [19] [20] 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. Например, существует неопределенность всего лишь одной части на 38 миллионов для относительной атомной массы фтора , точность, которая превышает текущее лучшее значение для постоянной Авогадро (одна часть на 20 миллионов).

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 следующий:

А р (Си) = (27.976 93 ×0,922 297 ) + (28.976 49 ×0,046 832 ) + (29.973 77 ×0,030 872 ) =28.0854

Оценка неопределенности сложна , [21] особенно потому, что распределение образца не обязательно симметрично: стандартные относительные атомные массы ИЮПАК указаны с оценочными симметричными неопределенностями, [22] а значение для кремния составляет 28,0855(3). Относительная стандартная неопределенность в этом значении составляет10 −5 или 10 частей на миллион.

Помимо этой неопределенности измерения, некоторые элементы имеют вариации в зависимости от источников. То есть, разные источники (морская вода, горные породы) имеют разную радиоактивную историю и, следовательно, разный изотопный состав. Чтобы отразить эту естественную изменчивость, ИЮПАК принял решение в 2010 году перечислить стандартные относительные атомные массы 10 элементов как интервал, а не как фиксированное число. [23]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Есть только два последствия пересмотра, которые имеют отношение к настоящей статье. Во-первых, молярная масса углерода-12, M ( 12 C), больше не определяется как точно равная 12 г/моль, а вместо этого должна быть определена экспериментально и, таким образом, имеет неопределенность. Ее текущее лучшее значение [4] [5] : 49  есть12.000 000 0126 (37) г/моль . Здесь "(37)" является мерой неопределенности; в основном, "26" (последние две цифры в12.000 000 0126 ) следует понимать как "26 ± 37", как объяснено в Неопределенность § В измерениях . Однако это так близко к старому значению 12 г/моль (относительная разница составляет1,05 × 10 −9 ), что в подавляющем большинстве приложений M ( 12 C) по-прежнему можно принять равным точно 12 г/моль; это, конечно, так задумано. Во-вторых, постоянная Авогадро N A теперь точно равна6,022 140 76 × 10 23  обратных молей по определению, тогда как ранее это приходилось определять экспериментально и, таким образом, имело неопределенность. [3] : 134 
  2. ^ Сразу после пересмотра 2019 года M ( 12 C) был равен12.000 000 0000 (54) г/моль , что соответствует относительной стандартной неопределенности [6 ]4,5 × 10 −10 . Эта неопределенность была «унаследована» от относительной стандартной неопределенности, которую продукт hN A имел непосредственно перед пересмотром: также4,5 × 10 −10 . (Здесь h — постоянная Планка . После пересмотра произведение hN A имеет точное значение по определению.) [7] : 143  Наоборот, непосредственно перед пересмотром постоянная Авогадро N A имела измеренное значение6,022 140 758 (62) × 10 23  обратных молей , что соответствует относительной стандартной неопределенности1,0 × 10−8 . Обратите внимание, что непосредственно перед пересмотром произведение hN A было известно гораздо точнее, чем h или N A по отдельности [ 7] : 139  .

Ссылки

  1. ^ ab Международный союз теоретической и прикладной химии (1980). "Атомные веса элементов 1979" (PDF) . Pure Appl. Chem. 52 (10): 2349–84. doi : 10.1351/pac198052102349 .
  2. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (1993). Величины, единицы и символы в физической химии , 2-е издание, Оксфорд: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . стр. 41. Электронная версия. 
  3. ^ ab Международное бюро мер и весов (20 мая 2019 г.), Международная система единиц (СИ) (PDF) (9-е изд.), ISBN 978-92-822-2272-0, архивировано из оригинала 18 октября 2021 г.
  4. ^ "2022 CODATA Value: молярная масса углерода-12". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .
  5. ^ Tiesinga, Eite; Mohr, Peter J.; Newell, David B.; Taylor, Barry N. (30 июня 2021 г.). "CODATA recommended values ​​of the fundamental physical constants: 2018". Reviews of Modern Physics . 93 (2). doi :10.1103/RevModPhys.93.025010. PMC 9890581 . 
  6. ^ "Standard Uncertainty and Relative Standard Uncertainty". Ссылка CODATA . NIST . Архивировано из оригинала 24 июля 2023 г. Получено 30 августа 2023 г.
  7. ^ ab Mohr, Peter J; Newell, David B; Taylor, Barry N; Tiesinga, Eite (1 февраля 2018 г.). «Данные и анализ для специальной корректировки фундаментальных констант CODATA 2017». Metrologia . 55 (1): 125–146. doi : 10.1088/1681-7575/aa99bc .
  8. ^ Определение элемента выборки
  9. ^ 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. doi :10.1351/pac199264101535.
  10. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «относительная атомная масса». doi :10.1351/goldbook.R05258
  11. ^ Золотая книга ИЮПАК – атомный вес
  12. ^ Золотая книга ИЮПАК – относительная атомная масса (атомный вес), A r
  13. ^ Золотая книга ИЮПАК – единая атомная единица массы
  14. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов. Оксфорд: Pergamon Press . С. 21, 160. ISBN 978-0-08-022057-4.
  15. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (2003). «Атомные веса элементов: обзор 2000» (PDF) . Pure Appl. Chem. 75 (6): 683–800. doi :10.1351/pac200375060683. S2CID  96800435.
  16. ^ Золотая книга ИЮПАК – стандартные атомные веса
  17. ^ Национальный институт стандартов и технологий . Атомные веса и изотопные составы всех элементов.
  18. ^ 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
  19. ^ ab Rosman, KJR; Taylor, PDP (1998), "Изотопные составы элементов 1997" (PDF) , Pure and Applied Chemistry , 70 (1): 217–35, doi :10.1351/pac199870010217
  20. ^ Коплен, ТБ и др. (2002), «Изменения изотопного содержания отдельных элементов» (PDF) , Чистая и прикладная химия , 74 (10): 1987–2017, doi :10.1351/pac200274101987
  21. ^ 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.
  22. ^ Холден, Норман Э. (2004). «Атомные веса и Международный комитет — исторический обзор». Chemistry International . 26 (1): 4–7.
  23. ^ "Изменения в Периодической таблице". Архивировано из оригинала 2019-07-15.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки