Standardowa masa atomowa - Standard atomic weight

Przykład: miedź w źródłach naziemnych. Obecne są dwa izotopy: miedź-63 (62,9) i miedź-65 (64,9), w liczebności 69% + 31%. Średnia masa atomowa ( _{R standardowe} (Cu)) miedzi jest średnią ważoną naturalnej obfitości, a następnie dzieli się przez atomowej stałej masy m _u .

Średnia masa atomowa ( _{R standardowy} (E)) z pierwiastka jest średnia ważona o stosunku izotopów mas wszystkich izotopów tego pierwiastka ważone przez obfitość każdego izotopu jest na Ziemi . Na przykład izotop ⁶³ Cu ( A _r = 62,929) stanowi 69% miedzi na Ziemi, reszta to ⁶⁵ Cu ( A _r = 64,927), więc

${\ Displaystyle A_ {\ tekst {R, standard}} (_ {\ tekst {29}} {\ tekst {Cu}}) = 0,69 \ razy 62,929 + 0,31 \ razy 64,927 = 63,55.}$

Ponieważ względne masy izotopowe są wielkościami bezwymiarowymi , ta średnia ważona jest również bezwymiarowa. Można ją przekształcić na miarę masy (o wymiarze M ) poprzez pomnożenie jej przez dalton , znany również jako stała masy atomowej.

Spośród różnych wariantów pojęciem masy atomowej ( _r , znany również jako względną masę atomową ) wykorzystywane przez naukowców, średnia masa atomowa ( _{R standardowe} ) jest najbardziej rozpowszechnioną i praktyczne. Standardowa masa atomowa każdego pierwiastka chemicznego jest określana i publikowana przez Komisję ds. Obfitości I Masy Atomowej (CIAAW) Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) w oparciu o naturalne, stabilne, ziemskie źródła pierwiastka. Definicja określa użycie próbek z wielu reprezentatywnych źródeł z Ziemi, tak aby wartość mogła być szeroko stosowana jako „masa atomowa” substancji, jakie występują w rzeczywistości – na przykład w farmaceutykach i badaniach naukowych. Niestandardowe masy atomowe pierwiastka są specyficzne dla źródeł i próbek, takie jak masa atomowa węgla w konkretnej kości z określonego stanowiska archeologicznego. Standardowa masa atomowa uśrednia takie wartości do zakresu mas atomowych, których chemik mógłby oczekiwać na podstawie wielu losowych próbek z Ziemi. Ten zakres jest uzasadnieniem dla notacji przedziałów podanej dla niektórych standardowych wartości mas atomowych.

Ze 118 znanych pierwiastków chemicznych 80 ma stabilne izotopy, a 84 ma wartość opartą na środowisku ziemskim. Zazwyczaj taką wartością jest np. hel: A _{r, standard} (He) = 4.002 602 (2) . „(2)” wskazuje niepewność w ostatniej pokazanej cyfrze, do odczytania4,002 602 ± 0,000 002 . IUPAC publikuje również wartości skrócone , zaokrąglone do pięciu cyfr znaczących. Helu, _{r, skrócone} (He) = 4.0026 .

W przypadku trzynastu elementów próbki różnią się od tej wartości, ponieważ ich źródła próbek mają inną historię zaniku. Na przykład tal (Tl) w skałach osadowych ma inny skład izotopowy niż w skałach magmowych i gazach wulkanicznych. W przypadku tych elementów, a średnia masa atomowa zauważyć jako przedział: A _{r, średnia} (Tl) = [204.38, 204.39] . Z takim odstępem, w mniej wymagających sytuacjach, IUPAC publikuje również wartość konwencjonalną . Na tal _{R konwencjonalne} (Tl) = 204,38 .

Definicja

Fragment o IUPAC okresowego pokazujący przedział zapisu z standardowych ciężarów atomowych boru, węgla i azotu (Chemia International IUPAC). Przykład: wykres kołowy dla boru pokazuje, że składa się on z około 20% ¹⁰ B i 80% ¹¹ B. Ta mieszanka izotopów powoduje, że oczekuje się, że masa atomowa zwykłych ziemskich próbek boru mieści się w przedziale od 10,806 do 10,821. a ten przedział jest standardową masą atomową. Próbki boru z nietypowych źródeł, w szczególności ze źródeł pozaziemskich, mogły zmierzyć masy atomowe wykraczające poza ten zakres. Masa atomowa i względna masa atomowa to synonimy.

Średnia masa atomowa jest specjalną wartością względną masę atomową. Definiuje się ją jako „zalecane wartości” względnych mas atomowych źródeł w lokalnym środowisku skorupy ziemskiej i atmosfery, określone przez Komisję IUPAC ds. Mas atomowych i Obfitości Izotopów (CIAAW). Ogólnie rzecz biorąc, wartości z różnych źródeł podlegają naturalnej zmienności ze względu na inną radioaktywną historię źródeł. Zatem standardowe masy atomowe są oczekiwanym zakresem mas atomowych z szeregu próbek lub źródeł. Ograniczając źródła wyłącznie do pochodzenia ziemskiego, wartości określone przez CIAAW mają mniejszą wariancję i są bardziej precyzyjną wartością dla względnych mas atomowych (mas atomowych) faktycznie znalezionych i stosowanych w materiałach światowych.

Te wartości CIAAW publikowane są wykorzystywane zgodnie z prawem, a czasem wymaga obliczeń masowych. Wartości mają niepewność (zanotowaną w nawiasach) lub są przedziałem oczekiwanym (patrz przykład na ilustracji bezpośrednio powyżej). Ta niepewność odzwierciedla naturalną zmienność w rozkładzie izotopowym dla pierwiastka, a nie niepewność pomiaru (która jest znacznie mniejsza w przypadku przyrządów wysokiej jakości).

Chociaż próbuje się pokryć zakres zmienności na Ziemi standardowymi masami atomowymi, znane są przypadki próbek minerałów, które zawierają pierwiastki o masach atomowych, które są odstające od standardowego zakresu masy atomowej.

W przypadku pierwiastków syntetycznych powstający izotop zależy od sposobu syntezy, więc pojęcie naturalnej obfitości izotopów nie ma znaczenia. Dlatego dla pierwiastków syntetycznych całkowita liczba nukleonów najbardziej stabilnego izotopu (tj. izotopu o najdłuższym okresie półtrwania) jest podana w nawiasach, zamiast standardowej masy atomowej.

Kiedy termin „masa atomowa” jest używany w chemii, zwykle sugeruje się bardziej konkretną standardową masę atomową. Są to standardowe masy atomowe, które są używane w tablicach okresowych i wielu standardowych odniesieniach w zwykłej chemii lądowej.

Lit stanowi wyjątkowy przypadek, w którym naturalne obfitości izotopów zostały w niektórych przypadkach zakłócone przez ludzkie czynności rozdzielania izotopów do tego stopnia, że ​​wpływają na niepewność jego standardowej masy atomowej, nawet w próbkach uzyskanych ze źródeł naturalnych, takich jak rzeki.

Definicja naziemna

Przykładem, dlaczego „konwencjonalne źródła naziemne” muszą być wyszczególnione przy podawaniu standardowych wartości masy atomowej, jest pierwiastek argon. Pomiędzy lokalizacjami w Układzie Słonecznym masa atomowa argonu zmienia się nawet o 10%, ze względu na ekstremalną zmienność składu izotopowego. Gdzie głównym źródłem argonu jest rozpad⁴⁰
K w skałach,⁴⁰
Dominującym izotopem będzie Ar . Takie lokalizacje obejmują planety Merkury i Mars oraz księżyc Tytan. Na Ziemi stosunki trzech izotopów ³⁶ Ar :  ³⁸ Ar :  ⁴⁰ Ar wynoszą w przybliżeniu 5 : 1 : 1600, co daje argonowi ziemskiemu standardową masę atomową 39,948(1).

Jednak tak nie jest w reszcie wszechświata. Argon produkowany bezpośrednio przez gwiezdną nukleosyntezę jest zdominowany przez nuklid procesu alfa³⁶
Ar . Odpowiednio argon słoneczny zawiera 84,6%³⁶
Ar (według pomiarów wiatru słonecznego ), a stosunek trzech izotopów ³⁶ Ar :  ³⁸ Ar :  ⁴⁰ Ar w atmosferach planet zewnętrznych wynosi 8400 : 1600 :1. Masa atomowa argonu w Słońcu i większości wszechświat miałby więc tylko około 36,3.

Przyczyny niepewności na Ziemi

Wiadomo, że opublikowana wartość masy atomowej jest niepewna. Ta niepewność (i związana z nią precyzja) wynika z jej definicji, której źródłem jest „ziemskie i stabilne”. Systematyczne przyczyny niepewności to:

1. Granice pomiaru. Jak zawsze pomiar fizyczny nigdy nie jest skończony. Zawsze można znaleźć i przeczytać więcej szczegółów. Dotyczy to każdego pojedynczego , czystego znalezionego izotopu. Na przykład dzisiaj masę głównego naturalnego izotopu fluoru ( fluor-19 ) można zmierzyć z dokładnością do jedenastu miejsc po przecinku:18,998 403 163 (6) . Ale może stać się dostępny jeszcze bardziej precyzyjny system pomiarowy, generujący więcej ułamków dziesiętnych.
2. Niedoskonałe mieszaniny izotopów. W pobranych i zmierzonych próbkach mieszanka (względna liczebność) tych izotopów może się różnić. Na przykład miedź. Podczas gdy na ogół jej dwa izotopy stanowią 69,15% i 30,85% wszystkich znalezionych miedzi, naturalna próbka mierzona może mieć niepełne „zamieszanie”, a więc procenty są różne. Precyzja jest oczywiście poprawiana poprzez pomiar większej liczby próbek, ale pozostaje ta przyczyna niepewności. (Przykład: próbki ołowiu różnią się tak bardzo, że nie można tego określić dokładniej niż cztery cyfry:207.2 )
3. Źródła ziemskie o innej historii. Źródło jest obszar większy badane, na przykład „morskie wody” lub „skała wulkaniczna” (w przeciwieństwie do próbki „”: pojedyncza sterty materiału badana). Wydaje się, że niektóre pierwiastki mają inną mieszankę izotopową na źródło. Na przykład tal w skale magmowej zawiera więcej lżejszych izotopów, podczas gdy w skale osadowej ma więcej ciężkich izotopów. Nie ma ziemskiej średniej liczby. Elementy te pokazują notację przedziałową: A _{r, standard} (Tl) = [204,38 , 204,39 ]. Ze względów praktycznych publikowany jest również uproszczony „konwencjonalny” numer (dla Tl: 204,38).

Te trzy niepewności mają charakter kumulacyjny. Opublikowana wartość jest wynikiem tego wszystkiego.

Wyznaczanie względnej masy atomowej

Współczesne względne masy atomowe (termin specyficzny dla danej próbki pierwiastka) są obliczane na podstawie zmierzonych wartości masy atomowej (dla każdego nuklidu) i składu izotopowego próbki. Bardzo dokładne masy atomowe są dostępne dla praktycznie wszystkich nieradioaktywnych nuklidów, ale składy izotopowe są trudniejsze do zmierzenia z dużą precyzją i bardziej podatne na zmienność między próbkami. Z tego powodu względne masy atomowe 22 pierwiastków jednonuklidowych (które są takie same jak masy izotopowe każdego z pojedynczych naturalnie występujących nuklidów tych pierwiastków) są znane ze szczególnie wysoką dokładnością. Na przykład, istnieje niepewność tylko jednej części na 38 milionów dla względnej masy atomowej fluoru , co jest precyzją, która jest większa niż obecnie najlepsza wartość stałej Avogadro (jedna część na 20 milionów).

Przykładem obliczeń jest krzem , którego względna masa atomowa jest szczególnie ważna w metrologii . Krzem występuje w naturze jako mieszanina trzech izotopów: ²⁸ Si, ²⁹ Si i ³⁰ Si. Masy atomowe tych nuklidów są znane z dokładnością do jednej części na 14 miliardów dla ²⁸ Si i około jednej części na miliard dla pozostałych. Jednak zakres naturalnej liczebności izotopów jest taki, że standardową liczebność można podać jedynie na poziomie około ±0,001% (patrz tabela). Obliczenie jest

_R (Si) = (x 0,922297 27,97693) + (0,046832 28,97649 x) + (0,030872 29,97377 x) = 28.0854

Oszacowanie niepewności jest skomplikowane, zwłaszcza że rozkład próbki niekoniecznie jest symetryczny: standardowe względne masy atomowe IUPAC są podawane z oszacowanymi niepewnościami symetrycznymi, a wartość dla krzemu wynosi 28,0855(3). Względna niepewność standardowa tej wartości wynosi 1 × 10 ^–5 lub 10 ppm. Aby jeszcze bardziej odzwierciedlić tę naturalną zmienność, w 2010 r. IUPAC podjął decyzję o wymienieniu względnych mas atomowych 10 pierwiastków jako przedziału, a nie jako stałą liczbę.

Kontrowersje nazewnictwa

Użycie nazwy „masa atomowa” wzbudziło wiele kontrowersji wśród naukowców. Przeciwnicy nazwy zwykle preferują określenie „względna masa atomowa” (nie mylić z masą atomową ). Sprzeciw podstawowy jest masa atomowa nie jest masa , to jest siła wywierana na przedmiot w polu grawitacyjnym , mierzona w jednostkach siły, takie jak Newton lub poundal .

W odpowiedzi zwolennicy terminu „masa atomowa” wskazują (między innymi), że:

• nazwa była w ciągłym użyciu dla tej samej ilości, odkąd została po raz pierwszy opracowana w 1808 roku;
• przez większość tego czasu masy atomowe rzeczywiście mierzono poprzez ważenie (czyli analizę grawimetryczną ) i nazwa wielkości fizycznej nie powinna się zmieniać tylko dlatego, że zmieniła się metoda jej wyznaczania;
• Termin „względna masa atomowa” powinny być zarezerwowane dla masy określonego izotopu (lub izotopem ), podczas gdy „atomowy masa ” może być wykorzystany do ważonej średniej o masie atomowej w zakresie wszystkich atomów w próbce;
• nierzadko zdarzają się mylące nazwy wielkości fizycznych, które są zachowywane ze względów historycznych, takie jak:
  • siła elektromotoryczna , która nie jest siłą
  • moc rozdzielcza , która nie jest wielkością mocy
  • stężenie molowe , które nie jest ilością molową (ilość wyrażona na jednostkę ilości substancji).

Można by dodać, że masa atomowa również często nie jest prawdziwie „atomowa”, ponieważ nie odpowiada właściwości żadnego pojedynczego atomu. Ten sam argument można by wysnuć przeciwko „względnej masie atomowej” użytej w tym znaczeniu.

Opublikowane wartości

IUPAC publikuje jedną formalną wartość dla każdego stabilnego pierwiastka, zwaną standardową masą atomową . Wszelkie aktualizacje są publikowane co dwa lata (w nieparzystych latach). W 2015 roku zaktualizowano masę atomową iterbu. Do 2017 r. zmieniono 14 mas atomowych, w tym zmianę argonu z pojedynczej liczby na wartość przedziału.

Opublikowana wartość może mieć niepewność, jak w przypadku neonu: 20.1797(6) lub może być przedziałem, jak dla boru: [10.806, 10.821].

Oprócz tych 84 wartości IUPAC publikuje również wartości skrócone (do pięciu cyfr na liczbę), a dla dwunastu wartości przedziałowych wartości konwencjonalne (wartości jednoliczbowe).

Symbol _R ma względną masę atomową, na przykład z konkretnej próbki. Mówiąc konkretnie, średnia masa atomowa można zauważyć w A _{r, standardowy} (E) , gdzie (e) jest symbolem elementem.

Skrócona masa atomowa

Skrócone masie atomowej , a także opublikowane przez CIAAW wywodzi się od standardowej masie atomowej zmniejszenia liczby pięć cyfr (pięć cyfr znaczących). Nazwa nie mówi „zaokrąglony”.

Granice odstępu są zaokrąglone w dół do pierwszej (lowmost) granicy i do góry do góry (sprawą najwyższej) obramowania. W ten sposób w pełni pokrywany jest dokładniejszy oryginalny interwał.

Przykłady:

• Wapń: A _{r, standard} (Ca) = 40,078(4) → A _{r, skrócony} (Ca) = 40,078
• Hel: A _{r, standardowe} (He) = 4,002602(2) → A _{r, skrócone} (He) = 4,0026
• Wodór: _{R standardowe} (H) = [1,00784, 1,00811] → _{R skróconego} (H) = [1,0078, 1,0082]

Konwencjonalna masa atomowa

Trzynaście pierwiastków chemicznych ma standardową masę atomową, która jest definiowana nie jako pojedyncza liczba, ale jako przedział. Na przykład, wodór ma A _{r, średnia} (H) = 1,00 [784 1,00811] . Ten zapis stwierdza, że ​​różne źródła na Ziemi mają zasadniczo różne składy izotopowe, a niepewność jest zawarta w tych dwóch liczbach. Dla tych pierwiastków nie ma „średniej ziemskiej” konstytucji, a „właściwa” wartość nie jest jej środkiem (to byłoby 1,007975 dla wodoru, z niepewnością (±0,000135), która po prostu pokryłaby ten przedział). Jednak w sytuacjach, w których dopuszczalna jest mniej dokładna wartość, CIAAW opublikowała jednoliczbową konwencjonalną masę atomową, którą można wykorzystać na przykład w handlu. Atom wodoru, _{R konwencjonalne} (H) = 1,008 . Trzynaście pierwiastków to: wodór, lit, bor, węgiel, azot, tlen, magnez, krzem, siarka, chlor, argon, brom i tal.

Formalna krótka masa atomowa

Stosując skróconą wartość i umowną wartość dla trzynastu wartości przedziału, można podać krótką wartość określoną przez IUPAC (5 cyfr plus niepewność) dla wszystkich stabilnych pierwiastków. W wielu sytuacjach iw tablicach okresowych może to być wystarczająco szczegółowe.

Lista mas atomowych

W układzie okresowym

• v
• t
• mi

Układ okresowy

Grupa	1	2		3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
	Wodór i metale alkaliczne	Metale ziem alkalicznych														Pniktogeny	Chalkogeny	Halogeny	Gazy szlachetne
Kropka 1	Wodór1H​1.008																		Hel2On​4.0026
2	Lit3Li​6.94	Beryl4Być​9.0122												Bor5b​10.81	Węgiel6do​12.011	Azot7N​14.007	Tlen8O​15.999	Fluor9fa​18,998	Neon10Ne​20.180
3	Sód11Na​22,990	Magnez12Mg​24.305												Aluminium13Glin​26,982	Krzem14Si​28,085	Fosfor15P​30,974	Siarka16S​32.06	Chlor17Cl​35,45	Argon18Ar​39,95
4	Potas19K​39,098	Wapń20Ca​40.078		Skand21Sc​44,956	Tytan22Ti​47.867	Wanad23V​50,942	Chrom24Cr​51,996	Mangan25Mn​54,938	Żelazo26Fe​55.845	Kobalt27Współ​58,933	Nikiel28Ni​58.693	Miedź29Cu​63.546	Cynk30Zn​65,38	Gal31Ga​69,723	German32Ge​72,630	Arsen33Tak jak​74,922	Selen34Se​78,971	Brom35Br​79,904	Krypton36Kr​83,798
5	Rubid37Rb​85,468	Stront38Sr​87,62		Itr39Tak​88,906	Cyrkon40Zr​91.224	Niob41Nb​92,906	molibden42Mo​95,95	Technet43Tc​[97]	Ruten44Ru​101,07	Rod45Rh​102,91	Paladium46Pd​106,42	Srebro47Ag​107,87	Kadm48Płyta CD​112,41	Ind49W​114,82	Cyna50Sn​118,71	Antymon51Sb​121,76	Tellur52Te​127,60	Jod53ja​126,90	Ksenon54Xe​131,29
6	Cez55Cs​132,91	Bar56Ba​137,33		Lutet71Lu​174,97	Hafn72Hf​178,49	Tantal73Ta​180,95	Wolfram74W​183,84	Ren75Re​186,21	Osm76Os​190,23	Iryd77Ir​192.22	Platyna78Pt​195.08	Złoto79Au​196.97	Rtęć80Hg​200,59	Tal81Tl​204,38	Prowadzić82Pb​207,2	Bizmut83Bi​208,98	Polon84Po​[209]	Astatin85W​[210]	Radon86Rn​[222]
7	Francium87Fr​[223]	Rad88Ra​[226]		Wawrzyńca103Lr​[266]	Rutherford104Rf​[267]	Dubniu105Db​[268]	Seaborgium106Sg​[269]	Bohrium107Bh​[270]	Hass108Hs​[269]	Meitnerium109Mt​[278]	Darmsztadt110Ds​[281]	Rentgen111Rg​[282]	Kopernik112Cn[285]	Nihon113Nh​[286]	Flerow114Fl​[289]	Moskwa115Mc​[290]	Livermorium116Lv​[293]	Tennessine117Ts[294]	Oganesson118Og[294]
				Lantan57La​138,91	Cer58Ce​140,12	Prazeodym59Pr​140,91	Neodym60Nd​144,24	promet61Po południu​[145]	Samar62Sm​150,36	Europ63Eu​151,96	Gadolin64Bóg​157,25	Terb65Tb​158,93	Dysproz66Dy​162,50	Holmium67Ho​164,93	Erb68Er​167,26	Tul69Tm​168,93	Iterb70Yb​173,05
				Aktyn89Ac​[227]	Tor90Cz​232.04	Protaktyn91Rocznie​231.04	Uran92U​238,03	Neptun93Np​[237]	Pluton94Pu​[244]	Ameryk95Jestem​[243]	Kiur96Cm​[247]	Berkel97Bk​[247]	Kaliforn98cf​[251]	Einsteina99Es​[252]	Ferm100Fm​[257]	Mendelew101Md​[258]	Nobel102Nie​[259]

Pierwotny  Od rozpadu  Syntetyczny Obramowanie pokazuje naturalne występowanie pierwiastka

Średnia masa atomowa _{R std} (E)

s-blok

f-blok

d-blok

p-blok

Zobacz też

• Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC)
• Komisja ds. Obfitości Izotopów i Mas Atomowych (CIAAW)

Bibliografia

Linki zewnętrzne

• Komisja IUPAC ds. Obfitości Izotopów i Mas Atomowych
• Masy atomowe pierwiastków 2011