Атомная масса (атомный вес) природного элемента. Изотопный состав элементов. Дефект массы.

В природе элементы за редким исключением существуют в виде смесей из нескольких изотопов. Это ведет к тому, что атомный вес природного элемента несколько отличается от атомного веса любого из его чистых изотопов. Легче всего это понять из таблицы 2-2, где приведены атомные веса природных элементов и их изотопный состав.

Таблица 2-2. Символы, названия, атомные веса и природный изотопный состав некоторых химических элементов.

Элемент и его символ с массовым числом и зарядом ядра	Латинское название (как читается)	Атомный вес природного элемента	Атомный вес изотопов	Содержание изотопов в природном элементе, %
Водород ^11H ^21H (D)	Hydrogenium (гидрогениум)	1,0079	...... 1,0078 2,0140	...... 99,984 0,0156
Углерод ^126C 136C	Carboneum (карбониум)	12,011	...... 12,00000 13,00335	...... 98,892 1,108
Азот ^147N 157N	Nitrogenium (нитрогениум)	14,0067	...... 14,00307 15,00011	...... 99,635 0,365
Кислород ^168O ^178O ^188O	Oxygenium (оксигениум)	15,9994	...... 15,99491 16,9991 17,9992	...... 99,759 0,037 0,204
Натрий ^2311Na	Natrium (натриум)	22,9898	...... 22,9898	......
Хлор ^3517Cl ^3717Cl	Chlorum (хлорум)	35,453	...... 34,96885 36,9658	...... 75,53 24,47

Названия элементов на латинском и русском языке и латинские символы этих элементов приведены для того, чтобы мы постепенно начинали знакомиться со всеми элементами.

** Обратите внимание: все изотопы какого-нибудь одного элемента обозначаются одним и тем же символом. Например, О - любой изотоп кислорода, N - любой изотоп азота и т.д. Меняются только массовые числа в верхней части символа. Единственное исключение - изотопы водорода ²₁H и ³₁H, которые удостоились в науке собственных названий и символов: D (дейтерий) и T (тритий) за особую роль, которую они играют в ядерной физике и в химии при изучении механизмов химических реакций. Тритий радиоактивен и в природе его исчезающе мало. Чтобы отличать от дейтерия и трития "обычный" водород ¹₁H, его иногда называют протием. Однако всё это - один и тот же элемент водород (Hydrogenium). Из приведенной таблицы видно, что средний измеренный атомный вес найденного в природе элемента зависит от того, сколько в нем содержится разных изотопов. Итак, в первой колонке таблицы 2-2 приведено русское название элемента. Ниже - латинский символ элемента, связанный обычно с его латинским названием. Слева вверху от символа элемента указываются массовое число (сумма протонов и нейтронов в ядре), а слева внизу - заряд ядра атома (количество протонов). Например:

Как видно из таблицы 2-2, атомные веса элементов, найденных в природе в виде единственного изотопа (например, натрия), в точности равны атомному весу этого изотопа. Иначе обстоит дело с элементами, которые существуют на Земле в виде нескольких изотопов (например, хлор, кислород): их атомный вес зависит от того, какой изотоп этого элемента наиболее распространен и сколько в нем "примесей" других изотопов этого элемента.

Атомный вес элемента равен среднему значению из атомных весов всех его природных изотопов с учетом их распространенности.

** Например, элемент хлор в природе находится в виде двух изотопов: хлор-35 и хлор-37. Их содержание составляет 75,53% и 24,47% (см. табл. 2-2). Если общее содержание двух изотопов хлора в сумме принять за единицу, то одного из них - примерно 0,75 и другого - примерно 0,25 (в долях единицы). Тогда атомный вес природной смеси двух изотопов хлора округленно равен:

34,97× 0,75 + 36,96× 0,25 = 35,5.

Можно решать и обратную задачу. Допустим, точно известно, что природный хлор состоит из двух изотопов ³⁵Cl и ³⁷Cl. Найденный в эксперименте атомный вес природного хлора составил 35,5. Сколько каждого изотопа содержится в природном хлоре? Если принять сумму изотопов за единицу, а содержание, например, ³⁵Cl за x, то содержание изотопа ³⁷Cl составит (1 - x). Тогда: 35x + 37(1 - x) = 35,5. Решив это простое уравнение, получим содержание изотопа ³⁵Cl равным 0,75 или 75%.

Есть еще один важный фактор, влияющий (хотя и в меньшей степени) на атомный вес элемента - дефект массы. Внимательный читатель мог заметить некоторые "странности" в табл. 2-2. Например, атомная масса единственного изотопа натрия ²³₁₁Na немного меньше, чем 23 а.е.м. Но нам уже известно, что массы протона и нейтрона чуть больше 1 а.е.м. Почему же атом натрия, содержаший в своем ядре 11 протонов и 12 нейтронов имеет массу меньше 23 (22,9898 а.е.м.)? То же явление хорошо заметно для изотопов кислорода и хлора (см. табл. 2-2). Дело в том, что связывание между собой одноименно заряженных протонов в ядрах атомов требует больших затрат энергии. Нейтроны тоже участвуют в этом связывании, выполняя роль своеобразного ядерного "клея". При этом часть массы протонов и нейтронов переходит в энергию связывания нуклонов в ядре. Такая потеря массы протонов и нейтронов, возникающая в результате их связывания, называется дефектом массы.