Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пример: медь в земных источниках. Присутствуют два изотопа: медь-63 (62,9) и медь-65 (64,9), в количестве 69% + 31%. Стандартный атомный вес ( г, стандарт (Cu)) для меди является средним, взвешенным по их распространенности в природе, а затем делится на атомной массу постоянная т ¯u . [1]

Стандартный атомный вес ( г, стандартный (Е)) из химического элемента представляет собой взвешенное среднее арифметическое из относительных изотопных масс всех изотопов этого элемента , взвешенного по обилию 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 средневзвешенное значение также безразмерно. Его можно преобразовать в меру массы (с размером M ), умножив ее на дальтон , также известный как константа атомной массы.

Среди различных вариантов понятия атомного веса ( A r , также известного как относительная атомная масса ), используемых учеными, стандартный атомный вес ( A r, стандартный ) является наиболее распространенным и практичным. Стандартный атомный вес каждого химического элемента определяется и публикуется Комиссией по изотопному содержанию и атомным весам (CIAAW) Международного союза чистой и прикладной химии (IUPAC) на основе естественных, стабильных, наземныхисточники элемента. В определении указывается использование образцов из многих репрезентативных источников с Земли, так что это значение можно широко использовать в качестве «атомного веса» для веществ, которые встречаются в действительности, например, в фармацевтике и научных исследованиях. Нестандартизированные атомные веса элемента зависят от 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 от многих случайных образцов с Земли. Этот диапазон является обоснованием для обозначения интервала, данного для некоторых стандартных значений атомного веса.

Из 118 известных химических элементов 80 имеют стабильные изотопы, а 84 имеют значение, основанное на земной среде. Обычно таким значением является, например, гелий: A r, стандарт (He) = 4.002 602 (2) . «(2)» указывает на погрешность последней показанной цифры, чтобы читать4.002 602 ± 0.000 002 . ИЮПАК также публикует сокращенные значения , округленные до пяти значащих цифр. Для гелия A r сокращенно (He) = 4.0026 .

Для тринадцати элементов образцы расходятся по этому значению, потому что 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 обозначен как интервал: A r, standard (Tl) = [204,38, 204,39] . С таким интервалом для менее сложных ситуаций IUPAC также публикует обычное значение . Для таллия A r условно (Tl) = 204,38 .

Определение [ править ]

Выдержка из IUPAC периодической таблицы с указанием интервала обозначения из стандартных атомных весов бора, углерода и азота (химии Международный, ИЮПАК). Пример: круговая диаграмма для бора показывает, что он состоит из примерно 20% 10 B и 80% 11 B. Эта смесь изотопов приводит к тому, что атомный вес обычных земных образцов 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, особенно из неземных источников, могли измерять атомный вес, выходящий за пределы этого диапазона. Атомный вес и относительная атомная масса - синонимы.

Стандартный атомный вес особое значение относительной атомной массы. Он определяется как "рекомендуемые значения" относительных атомных масс источников в локальной среде земной коры и атмосферы, определенные Комиссией IUPAC по атомным весам и изотопному содержанию (CIAAW). [2]В общем, значения из разных источников подвержены естественным колебаниям из-за разной радиоактивной истории источников. Таким образом, стандартные атомные веса - это ожидаемые значения 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 масс), фактически обнаруженных и используемых в мирских материалах.

В CIAAW-опубликованные значения используются , а иногда и на законном основании требуется в массовых расчетах. Значения имеют неопределенность (указано в скобках) или являются интервалом ожидания (см. Пример на иллюстрации непосредственно выше). Эта неопределенность отражает естественную изменчивость изотопного распределения для элемента, а не неопределенность измерения (которая намного меньше с качественными приборами). [3]

Хотя существует попытка охватить диапазон изменчивости на Земле стандартными значениями атомного веса, известны случаи, когда образцы минералов содержат элементы с атомным весом, который отличается от стандартного диапазона атомного веса. [2]

Для синтетических элементов образующийся изотоп зависит от средств синтеза, поэтому концепция естественного изотопного содержания не имеет значения. Поэтому для синтетических элементов общее количество нуклонов [ сомнительно ] 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. Это стандартные атомные веса, которые используются в периодических таблицах и во многих стандартных справочниках по обычной химии Земли.

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

Наземное определение [ править ]

Примером того, почему «обычные земные источники» должны быть указаны при указании стандартных значений атомного веса, является элемент аргон. В разных точках Солнечной системы атомный вес аргона варьируется до 10% из-за крайних различий в изотопном составе. Если основным источником аргона является распад40K в породах,40
Ar
будет доминирующим изотопом. К таким локациям 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 вселенной дело обстоит иначе. В аргоне, образующемся непосредственно в результате звездного нуклеосинтеза , преобладает нуклид альфа-процесса.36
Ar
. Соответственно в солнечном аргоне содержится 84,6%36
Ar
(согласно 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 Солнце и большая часть Вселенной, следовательно, будет только приблизительно 36,3. [6]

Причины неопределенности на Земле [ править ]

Как известно, опубликованное значение атомной массы сопровождается неопределенностью. Эта неопределенность (и связанная с ней точность) следует из ее определения, поскольку источник является «наземным и стабильным». Систематические причины неопределенности:

  1. Пределы измерений. Как всегда, физическое измерение никогда не бывает конечным. Всегда есть больше подробностей, которые можно найти и прочитать. Это относится к каждому одного , чистому изотопу Found. Например, сегодня массу основного природного изотопа фтора ( фтора-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 варьироваться. Например медь. В то время как в целом два его изотопа составляют 69,15% и 30,85% от всей обнаруженной меди, измеряемый природный образец мог иметь неполное «перемешивание», и поэтому процентные значения различаются. Разумеется, точность улучшается за счет измерения большего количества образцов, но остается эта причина неопределенности. (Пример: образцы свинца настолько разнятся, что точнее четырех цифр не подобрать:207,2 )
  3. Земные источники с разной историей. Источник является областью больше , исследуются, например , «воды океана» или «вулканических породы» (в отличие от «образца»: единая куча материальных существ исследована). Похоже, что некоторые элементы имеют разный изотопный состав для каждого источника. Например, таллий в вулканической породе имеет больше легких изотопов, а в осадочной породе - больше тяжелых изотопов. Нет среднего земного числа. Эти элементы показывают обозначение интервала: A r, standard (Tl) = [204,38204,39 ]. Из практических соображений публикуется также упрощенный «условный» номер (для Tl: 204,38).

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

Определение относительной атомной массы [ править ]

Современные относительные атомные массы (термин, характерный для данного образца элемента) рассчитываются на основе измеренных значений атомной массы (для каждого нуклида) и изотопного состава образца. Доступны высокоточные атомные массы [7] [8] практически для всех нерадиоактивных нуклидов, но изотопные составы труднее измерить с высокой точностью и более подвержены вариациям между образцами. [9] [10] По этой причине относительные атомные массы 22 мононуклидных элементов(которые равны изотопным массам для каждого из отдельных встречающихся в природе нуклидов этих элементов) известны с особенно высокой точностью. Например, для относительной атомной массы фтора существует погрешность только в одну часть на 38 миллионов , точность, которая превышает текущее лучшее значение для постоянной Авогадро (одна часть на 20 миллионов).

Расчет приведен на примере кремния , относительная атомная масса которого особенно важна в метрологии . Кремний существует в природе как смесь 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 примерно одной части на миллиард для остальных. Однако диапазон естественного содержания изотопов таков, что стандартное содержание может составлять только около ± 0,001% (см. Таблицу). Расчет

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

Оценка неопределенности затруднена [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 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 фиксированное число. [13]

Споры по поводу названий [ править ]

Использование названия «атомный вес» вызвало много споров среди ученых. [14] Противники названия обычно предпочитают термин «относительная атомная масса» (не путать с атомной массой ). Основное возражение состоит в том, что атомный вес - это не вес , то есть сила, действующая на объект в гравитационном поле и измеряемая в единицах силы, таких как ньютон или фунталь .

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

  • название постоянно использовалось для одного и того же количества с тех пор, как оно было впервые сформулировано в 1808 году; [15]
  • в течение большей части этого времени атомные веса действительно измерялись взвешиванием (то есть гравиметрическим анализом ), и название физической величины не должно изменяться просто потому, что изменился метод ее определения;
  • термин «относительная атомная масса» следует использовать для обозначения массы конкретного нуклида (или изотопа ), а термин « атомный вес » следует использовать для обозначения средневзвешенного значения атомных масс по всем атомам в образце;
  • нередки случаи, когда названия физических величин вводят в заблуждение, которые сохраняются по историческим причинам, например,
    • электродвижущая сила , которая не является силой
    • разрешающая способность , которая не является величиной мощности
    • молярная концентрация , которая не является молярным количеством (количество, выраженное на единицу количества вещества).

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

Опубликованные значения [ править ]

ИЮПАК публикует одно формальное значение для каждого стабильного элемента, называемое стандартным атомным весом . [16] [17] Любые обновления публикуются два раза в год (в разные годы). В 2015 году был обновлен атомный вес иттербия. [16] В 2017 году было изменено 14 атомных весов, включая изменение аргона с единственного 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 IUPAC также публикует сокращенные значения (только до пяти цифр на номер), а для двенадцати значений интервалов - обычные значения (значения с одним числом).

Символ A r представляет собой относительную атомную массу, например, для определенного образца. Чтобы быть конкретным, стандартный атомный вес можно обозначить как A r, standard (E) , где (E) - символ элемента.

Сокращенный атомный вес [ править ]

Сокращенном атомный вес , а также опубликованный CIAAW, является производным от стандартного атомного веса уменьшая число до пяти цифр (пяти значащих цифр). В названии не сказано «округлый».

Интервал границы закругленные вниз для первой (lowmost) границы, и вверх для вверх () границ первостепенных. Таким образом, полностью покрывается более точный исходный интервал. [20]

Примеры:

  • Кальций: A r, стандартный (Ca) = 40,078 (4)A r, сокращенный (Ca) = 40,078
  • Гелий: A r, стандартный (He) = 4,002602 (2)A r, сокращенный (He) = 4,0026
  • Водород: A r, стандарт (H) = [1,00784, 1,00811]A r, сокращенный (H) = [1,0078, 1,0082]

Условный атомный вес [ править ]

Тринадцать химических элементов имеют стандартный атомный вес, который определяется не как одно число, а как интервал. Например, водород имеет A r, стандарт (H) = [1,00 784, 1,00811] . Это обозначение указывает на то, что различные источники на Земле имеют существенно разный изотопный состав, и в эти два числа включены неопределенности. Для этих элементов не существует «среднего для Земли» строения, и «правильное» значение не является его средним (это будет 1,007975 для водорода с погрешностью (± 0,000135), которая заставит его просто покрыть интервал). Однако для ситуаций, когда приемлемо менее точное значение, CIAAW опубликовал однозначный условный атомный вес, который можно использовать, например, в торговле. Для водорода Ar, условное (H) = 1,008 . Тринадцать элементов: водород, литий, бор, углерод, азот, кислород, магний, кремний, сера, хлор, аргон, бром и таллий. [21]

Формальный короткий атомный вес [ править ]

Используя сокращенное значение и обычное значение для тринадцати значений интервалов, можно дать короткое значение, определенное IUPAC (5 цифр плюс неопределенность), для всех стабильных элементов. Во многих ситуациях и в периодических таблицах это может быть достаточно подробно. [22]

Список атомных весов [ править ]

  1. ^   ( Этот список: )CIAAW может публиковать изменения атомных весов (включая их точность и производные значения). Начиная с 1947 года, любое обновление происходит номинально в нечетные годы; фактическая дата публикации может быть позже.
    • 2009 (вводим интервальные обозначения; Ge):
    «Атомный вес элементов 2009 (Технический отчет IUPAC)». Pure Appl. Chem . 83 (2): 359–396. 12 декабря 2010 г. doi : 10.1351 / PAC-REP-10-09-14 .
    • 2011 г. (интервал для Br, Mg):
    «Атомный вес элементов 2011 (Технический отчет IUPAC)». 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 другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 88 (3): 265–91. DOI : 10,1515 / пак-2015-0305 .
    • 2015 г. (иттербий изменен):
    «Стандартный атомный вес иттербия пересмотрен». Chemistry International . 37 (5–6): 26. Октябрь 2015 г. doi : 10.1515 / ci-2015-0512 . eISSN  0193-6484 . ISSN  0193-6484 .
    • 2017 (изменено 14 значений):
    «Стандартные атомные веса 14 химических элементов пересмотрены» . CIAAW. 2018-06-05.
    • 2019 г. (стоимость гафния изменена): Мейя, Юрис; и другие. (2019-12-09). «Стандартный атомный вес гафния пересмотрен» . CIAAW . Проверено 25 февраля 2020 .

    Об обработке неопределенности значений, включая значения диапазона []:

    • Поссоло, Антонио; ван дер Вин, Adriaan MH; Мейя, Юрис; и другие. (4 января 2018 г.). «Интерпретация и распространение неопределенности стандартных атомных весов (Технический отчет IUPAC)» . DOI : 10,1515 / пак-2016-0402 . Дата обращения 20 окт 2020 .

В периодической таблице [ править ]

См. Также [ править ]

  • Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC)
  • Комиссия по изотопному содержанию и атомным весам

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Мейя, Юрис; и другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 88 (3): 265–91. DOI : 10,1515 / пак-2015-0305 .
  2. ^ a b "Золотая книга ИЮПАК" . Сборник химической терминологии . Проверено 12 июля 2019 . стандартные атомные веса: рекомендуемые значения относительных атомных масс элементов, пересматриваемые раз в два года Комиссией ИЮПАК по атомным весам и изотопному содержанию и применимые к элементам в любом нормальном образце с высоким уровнем достоверности. Нормальный образец представляет собой любой разумно возможный источник элемента или его соединений в торговле для промышленности и науки и не подвергался значительным изменениям изотопного состава в течение короткого с геологической точки зрения периода.
  3. Перейти ↑ Wieser, M. E (2006). «Атомный вес элементов 2005 (Технический отчет IUPAC)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 78 (11): 2051–2066. DOI : 10,1351 / pac200678112051 . S2CID 94552853 .  
  4. ^ Lodders, К. (2008). «Содержание солнечного аргона». Астрофизический журнал . 674 (1): 607–611. arXiv : 0710.4523 . Bibcode : 2008ApJ ... 674..607L . DOI : 10.1086 / 524725 . S2CID 59150678 . 
  5. ^ Кэмерон, AGW (1973). «Содержание элементарных и изотопных летучих элементов на внешних планетах». Обзоры космической науки . 14 (3–4): 392–400. Bibcode : 1973SSRv ... 14..392C . DOI : 10.1007 / BF00214750 . S2CID 119861943 . 
  6. ^ Это можно определить по приведенным выше цифрам согласно определению атомного веса и WP: CALC
  7. ^ «Атомные веса и изотопные составы для всех элементов» . Национальный институт стандартов и технологий .
  8. ^ a b Wapstra, AH; Audi, G .; Тибо, К. (2003), Оценка атомной массы AME2003 (онлайн-редактор), Национальный центр ядерных данных. По материалам:
    • Wapstra, AH; Audi, G .; Тибо, К. (2003), "Оценка атомной массы AME2003 (I)", ядерная физика , 729 : 129-336, Bibcode : 2003NuPhA.729..129W , DOI : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.002
    • Audi, G .; Wapstra, AH; Тибо, К. (2003), "Оценка атомной массы AME2003 (II)", ядерная физика , 729 : 337-676, Bibcode : 2003NuPhA.729..337A , DOI : 10.1016 / j.nuclphysa.2003.11.003
  9. ^ а б Росман, KJR; Тейлор, PDP (1998), "изотопные составы элементов 1997" (PDF) , теоретической и прикладной химии , 70 (1): 217-35, DOI : 10,1351 / pac199870010217
  10. ^ Коплен, ТБ; и другие. (2002), "изотопная Вариация выбранных элементов" (PDF) , теоретическая и прикладная химия , 74 (10): 1987-2017, DOI : 10,1351 / pac200274101987
  11. ^ Мейджа, Юрис; Местер, Золтан (2008). «Распространение неопределенности результатов измерения атомной массы» . Метрология . 45 (1): 53–62. Bibcode : 2008Metro..45 ... 53M . DOI : 10.1088 / 0026-1394 / 45/1/008 .
  12. ^ Холден, Норман Э. (2004). «Атомный вес и Международный комитет - исторический обзор» . Chemistry International . 26 (1): 4–7.
  13. ^ «ИЮПАК - Международный союз чистой и прикладной химии: атомные веса десяти химических элементов вот-вот изменятся» .
  14. ^ а б де Бьевр, Поль; Пайзер, Х. Штеффен (1992). " ' Атомный вес' - Имя, его история, определение и Units" (PDF) . Чистая и прикладная химия . 64 (10): 1535–43. DOI : 10,1351 / pac199264101535 .
  15. ^ Дальтон, Джон (1808). Новая система химической философии . Манчестер.
  16. ^ a b «Стандартный атомный вес 2015» . Комиссия по изотопному содержанию и атомным весам . 12 октября 2015 . Проверено 18 февраля +2017 .
  17. ^ a b Meija 2016 , таблица 1.
  18. ^ "Стандартные атомные веса 14 химических элементов пересмотрены" . CIAAW . 2018-06-05 . Проверено 2 февраля 2019 .
  19. ^ "Стандартные атомные веса 14 химических элементов пересмотрены" . Chemistry International . 40 (4): 23–24. 2018. DOI : 10,1515 / CI-2018-0409 . ISSN 0193-6484 . 
  20. ^ a b Meija 2016 , таблица 2.
  21. ^ a b Meija 2016 , таблица 3.
  22. ^ a b Meija 2016 , таблицы 2 и 3.
  23. ^ "Периодическая таблица элементов и изотопов ИЮПАК" . Королевский центр визуализации в науке . ИЮПАК, Королевский центр визуализации в науке . Дата обращения 8 октября 2019 .
  24. ^ Мейджа, Юрис; и другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 88 (3). Стол 2, 3 вместе; неуверенность устранена. DOI : 10,1515 / пак-2015-0305 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Комиссия ИЮПАК по изотопному содержанию и атомным весам
  • Атомный вес элементов 2011