Теодор Уильямс Ричардс.

ПАРАДОКСЫ АТОМНЫХ МАСС

Если сравнить относительные атом­ные массы элементов А_r в таблице Менделеева, можно обнаружить неко­торые, на первый взгляд, «странности». Одна из них — разная степень точно­сти представленных данных. Напри­мер, современное значение А_r для С содержит пять значащих цифр, для О — шесть, для Al и Р — по семь, для F — девять, тогда как для Zn, Ge, Li, Se, Kr, Mo, Ni, Pb, Sr, Ti — лишь по четы­ре. Почему?

Оказывается, точность, с которой определяется относительная атомная масса элемента, зависит не только от тщательности измерений, но и от непо­стоянства его изотопного состава. В разных образцах соотношение изо­топов не вполне одинаковое: лёгкие изотопы могут концентрироваться в одних породах, тяжёлые — в других. Поэтому давать очень точные значения атомных масс просто не имеет смыс­ла. Кстати, по точности, с какой при­водятся атомные массы, можно сразу сказать, происходит ли в природе «раз­деление изотопов» данного элемента, и насколько сильно.

Вторая «странность» заключается вот в чём. Относительные атомные массы, рассчитанные по «физической кислородной шкале» и углеродной, различаются. Хотя, казалось бы, они должны быть совершенно одинаковы­ми, так как при определении единицы измерения в первом случае делили массу атома ¹⁶О (8 протонов, 8 нейтро­нов, 8 электронов) на 16, а во вто­ром — массу атома ¹²С (6 протонов, 6 нейтронов, 6 электронов) на 12.

Однако в действительности всё не так: 1/12 массы атома ¹²С больше 1/16 массы атома ¹⁶О! При образовании ядра слиянием протонов и нейтронов выделяется огромная энергия. В соот­ветствии с уравнением Эйнштейна Е=mс² (с — скорость света), выделив­шаяся энергия Е «уносит» с собой часть массы т. Следовательно, масса нового атома не равна сумме масс его составляющих. Разница в массах (её назвали дефектом массы) может быть заметной — почти 1% для некоторых атомов. Больше всего «худеют» при об­разовании атомы с массовым числом около 50 (середина четвёртого ряда элементов в периодической системе). До этих элементов дефект массы рас­тёт с увеличением атомного номера, после них — постепенно падает. Для ¹⁶О дефект массы больше, чем для ¹²С. Вот почему кислородная и углеродная единицы не совпадают.

И наконец, остановимся ещё на одной «странности» атомных масс. Из­вестно, что природный водород пред­ставлен двумя стабильными нуклидами с массовыми числами 1 и 2 (99,984 % ¹Н и 0,016% ²Н), поэтому А_r(Н) немно­го больше 1. Гелий также представлен двумя стабильными нуклидами с массо­выми числами 3 и 4, причём ³Не в при­роде всего 0,00013%. Однако A_r(Не) не меньше, а больше 4. С другой стороны, кислород в природе — это смесь трёх стабильных нуклидов: ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О. Но A_r(О)=15,9994, т. е. меньше 16. Всё это — проявления дефекта массы, а также следствие того факта, что массы протона и нейтрона больше 1 а. е. м.

Для иллюстрации дефекта массы просуммируем массы покоя двух элек­тронов, двух протонов и двух нейтронов

в атоме ⁴Не: 2m_p+2m_n+2m_e=2•1,00728+2•1,00867+2х 0,00055 = 4,0330. Но на самом деле из-за дефекта массы А_r (⁴Не) = 4,0026 — и всё же больше 4. Итак, при образова­нии атомов из отдельных частиц обыч­ная арифметика «не работает».

Теперь не покажется удивитель­ным, что точные массы трёх изотопов кислорода в углеродных единицах со­ставляют соответственно 15,9949; 16,9991 и 17,9992 и не равны массо­вым числам (т. е. 16, 17 и 18), а усред­нённая масса кислорода, рассчитанная из этих значений с учётом распростра­нённости изотопов в природе, как раз и равна 15,9994.

Для атомов углерода дефект массы тоже существует: он больше, чем у ге­лия и меньше, чем у кислорода. Одна­ко А_r (¹²С) принята равной 12.

«Парадоксальные» относительные атомные массы можно найти и у дру­гих элементов — F, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Lu, Au, Bi, U, Th. Из них только у лютеция и урана имеются два или три стабильных (или очень долгоживуших) изотопа, остальные — элементы-одиночки с единственным стабильным изотопом, и для них дефект массы выявляется наи­более наглядно. Так, атомная масса марганца меньше 55 и равна 54,9380.

Несмотря на то что дефект массы несколько «портит» стройную гипоте­зу Праута, вряд ли сам учёный, живи он в наши дни, был бы этим огорчён. Ско­рее наоборот: он считал бы, что его гипотеза восторжествовала. Действи­тельно, атомы (вернее ядра) любого химического элемента построены из целого числа простейших «кирпичи­ков» — протонов и нейтронов.

ской кислородной единицей» физи­ки ввели свою, «физическую кисло­родную единицу». Она определялась как 1/16 массы нуклида ^1бО, а эта мас­са, разумеется, уже была вполне опре­делённой и не подверженной ника­ким колебаниям. По физической шкале атомная масса природного кис­лорода получалась равной 16,0044. Так в течение многих лет и сосуществовали две единицы измерения — очень точная физическая и менее точная химическая. Это, естественно, создавало определённые неудобства. Конечно, химики могли перейти на «строгую» физическую кислород­ную шкалу — но для этого им при­шлось бы увеличить значения атом­ных масс всех элементов в 1,000275 раза (или на 0,0275%). После долгих

дискуссий в 1959 г. было принято другое решение: и физики, и химики в качестве единицы вместо 1/16 мас­сы атома ¹⁶О выбрали 1/12 массы ато­ма ¹²С. Причин для этого оказалось достаточно. Во-первых, введение уг­леродной шкалы вызвало необходи­мость уменьшить значения всех атом­ных масс всего лишь в 1,000043 раза (или на 0,0043%). Таким образом, примерно для половины химических элементов относительные атомные массы остались практически прежни­ми, а для остальных изменились весь­ма незначительно (например, для кислорода с 16,0000 до 15,9994). Во-вторых, атомы углерода — основа ог­ромного числа органических соеди­нений, а атомная масса углерода какой была (12,011), такой по новой шкале и осталась. Атомная масса водорода — второго по значению эле­мента в органической химии — так­же практически не изменилась, что очень упрощало многочисленные расчёты по результатам анализов ор­ганических соединений. Наконец, с экспериментальной точки зрения ну­клид ¹²С более удобен для точных из­мерений масс, чем ¹⁶О. В I960 г. но­вую углеродную единицу принял Международный союз теоретической и прикладной физики (ИЮПАП), а в 1961 г. — ИЮПАК.

В честь Джона Дальтона современ­ную атомную единицу массы (а. е. м.), или углеродную единицу (у. с), назы­вают иногда дальтоном и обознача­ют D (или Da); 1 D=1,66054•10^-27 кг. В дальтонах биохимики часто изме­ряют массы больших молекул, напри­мер белков и нуклеиновых кислот.

«ФАМИЛЬНОЕ ДРЕВО» НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Многие простые тела существуют в различных видоизменениях, а элемент есть нечто, изменению не подлежащее. Так, углерод является в виде угля, графи­та и алмаза, которые суть различные тела, притом простые, а элемент один. Тот же углерод содержится и в углекислом газе, но в нём нет ни угля, ни графита, ни алмаза.

Д. И. Менделеев. «Основы химии»

Химия, как и любая другая наука, имеет свой особый язык Это язык хи­мических символов, формул и урав­нений реакций. Каждое химическое соединение записывается в виде фор­мулы, показывающей, атомы каких элементов и в каком количестве в нём присутствуют.

В настоящее время известно око­ло 500 тыс. неорганических веществ. Знать все их формулы и названия, не говоря уже о свойствах, практически

невозможно. Чтобы легче ориенти­роваться в мире химии, всё это мно­гообразие веществ подразделено на отдельные классы, включающие со­единения, сходные по строению и свойствам.

Первой ветвью «фамильного дре­ва» неорганической химии является класс простых веществ, состоящих из атомов одного элемента (напри­мер, кислород О₂, азот N₂, железо Fe и т. д.).

Простые вещества подразделяют на металлы и неметаллы. Металлы — это твёрдые при комнатной темпе­ратуре вещества (за исключением ртути), с металлическим блеском, вы­сокой тепло- и электропроводностью, Кристаллическая решётка металлов состоит из атомов. Носителями тока в них являются свободные электроны (так называемый электронный газ). Атомы металлов содержат на внешнем электронном уровне небольшое чис­ло электронов, которые они отдают в результате химических реакций, т. е. металлы являются восстановителями. Металлические свойства в наиболь-

*Способность элемента существовать в виде нескольких форм, различа­ющихся строением и свой­ствами (но не составом), называется полиморфизмам, а эти формы — полиморф­ными модификациями (кристобалит и кварц, a-Fe и g-Fe). Под аллотропией понимают способность элемента образовывать несколько простых веществ — аллотропных модификаций (алмаз, графит и фуллерен С₆₀; кисло­род и озон). Если простые вещества построены из оди­наковых структурных еди­ниц, то к ним также приме­ним термин полиморфизм (алмаз и графит, но не алмаз и фуллерен С₆₀).

шей степени выражены у элементов главной подгруппы первой группы пе­риодической системы (щелочных ме­таллов).

Типичные неметаллы — полная противоположность металлам. К ним относятся вещества, состоящие из молекул (газы, жидкости, легколету­чие твёрдые вещества). Но некоторые неметаллы имеют и немолекулярное строение (красный фосфор, алмаз), они отличаются высокой температу­рой плавления и кипения. Неметаллы, за редким исключением, — плохие проводники тепла и электричества. Они являются полупроводниками или диэлектриками.

Помимо типичных металлов и не­металлов есть большая группа про­стых веществ с промежуточными свойствами — металлоидов. К ним относятся мышьяк, сурьма, висмут, селен и многие другие.

Среди сложных веществ, или хи­мических соединений, обычно выде­ляют четыре основных класса: окси­ды, кислоты, основания и соли. Эта классификация разработана выдаю­щимися химиками XVIII—XIX столе­тий А. Л. Лавуазье, М. В. Ломоносовым, Й. Я. Берцелиусом, Дж. Дальтоном.

Оксиды (в русской химической традиции — окислы) — соединения элементов с кислородом, например оксид фосфора(V) Р₂О₅, оксид каль­ция СаО. У большинства элементов они образуются при взаимодейст­вии простых веществ с кислородом воздуха. Оксиды металлов — преиму­щественно ионные соединения, ха­рактеризующиеся высокими темпера­турами плавления (некоторые из них при сильном нагревании разлагают­ся на металл и кислород). Оксиды не­металлов, как правило, имеют моле­кулярное строение. Оксиды следует отличать от пероксидов — производ­ных пероксида водорода Н₂О₂, в ко­торых имеется связь О—О, например Na₂O₂, BaO₂ и т. д.

Кислоты — вещества, состоящие из атомов водорода, способных заме­щаться на металл, и кислотного ос­татка. Они обычно подразделяются на кислородсодержащие (серная кис­лота H₂SO₄, ортофосфорная кислота