Standardní atomová hmotnost - Standard atomic weight

Příklad: měď v pozemských zdrojích. Jsou přítomny dva izotopy: měď 63 (62,9) a měď 65 (64,9), v hojném množství 69% + 31%. The standardní atomová hmotnost (A_{r, standardní}(Cu)) pro měď je průměr vážený jejich přirozeným množstvím a poté děleno atomová hmotnostní konstanta m_u.^[1]

The standardní atomová hmotnost (A_{r, standardní}(E)) a chemický prvek je vážený aritmetický průměr z relativní izotopové hmotnosti ze všech izotopy tohoto prvku vážený množstvím každého izotopu Země. Například izotop ⁶³Cu (A_r = 62,929) představuje 69% měď zbytek na Zemi ⁶⁵Cu (A_r = 64,927), takže

${displaystyle A_ {ext {r, standard}} (_ {ext {29}} {ext {Cu}}) = 0,69 imes 62,929 + 0,31 imes 64,927 = 63,55.}$

Protože relativní izotopové hmotnosti jsou bezrozměrné množství, tento vážený průměr je také bezrozměrný. Lze jej převést na míru hmotnosti (pomocí dimenze M) vynásobením pomocí dalton, známý také jako atomová hmotnostní konstanta.

Mezi různými variantami pojmu atomová hmotnost (A_r, také známý jako relativní atomová hmotnost ) používaný vědci, standardní atomová hmotnost (A_{r, standardní}) je nejběžnější a nejpraktičtější. Standardní atomová hmotnost každého chemického prvku je určena a publikována Komise pro izotopové množství a atomové hmotnosti (CIAAW) z Mezinárodní unie pro čistou a aplikovanou chemii (IUPAC) na základě přirozeného, ​​stabilního, pozemní zdroje prvku. Definice specifikuje použití vzorků z mnoha reprezentativních zdrojů ze Země, takže tato hodnota může být široce používána jako „atomová hmotnost látek, s nimiž se ve skutečnosti setkáváme - například ve farmaceutickém a vědeckém výzkumu. Nestandardizované atomové hmotnosti prvku jsou specifické pro zdroje a vzorky, jako je atomová hmotnost uhlíku v konkrétní kosti z konkrétního archeologického naleziště. Standardní atomová hmotnost zprůměruje tyto hodnoty na rozsah atomových hmotností že by chemik mohl očekávat, že bude odvozen z mnoha náhodných vzorků ze Země. Tento rozsah je důvodem pro intervalová notace uvedené pro některé standardní hodnoty atomové hmotnosti.

Ze 118 známých chemických prvků má 80 stabilní izotopy a 84 tuto hodnotu založenou na Zemi. Takovou hodnotou je obvykle například helium: A_{r, standardní}(He) = 4.002602(2). „(2)“ označuje nejistotu na poslední zobrazené číslici ke čtení 4.002602±0.000002. IUPAC také publikuje zkrácené hodnoty, zaokrouhleno na pět platných čísel. Pro hélium, A_{r, zkráceně}(He) = 4.0026.

U třinácti prvků se vzorky v této hodnotě rozcházejí, protože jejich zdroje vzorků měly jinou historii rozpadu. Například thalium (Tl) v sedimentárních horninách má jiné izotopové složení než v vyvřelinách a vulkanických plynech. U těchto prvků se standardní atomová hmotnost označuje jako interval: A_{r, standardní}(Tl) = [204.38, 204.39]. S takovým intervalem pro méně náročné situace IUPAC také publikuje a konvenční hodnota. Pro thalium A_{r, konvenční}(Tl) = 204.38.

Definice

Výňatek z periodické tabulky IUPAC zobrazující intervalová notace z standardní atomové hmotnosti boru, uhlíku a dusíku (Chemistry International, IUPAC). Příklad: výsečový graf boru ukazuje, že je složen z přibližně 20% ¹⁰B a 80% ¹¹B. Tato izotopová směs způsobuje, že atomová hmotnost běžných pozemských vzorků boru lze očekávat, že spadne do daného intervalu 10 806 až 10 821. a tento interval je Standard atomová hmotnost. Vzorky boru z neobvyklých zdrojů, zejména ze suchozemských zdrojů, mohly měřit atomové hmotnosti, které spadají mimo tento rozsah. Atomová hmotnost a relativní atomová hmotnost jsou synonyma.

The Standard atomová hmotnost je speciální hodnota relativní atomové hmotnosti. Je definována jako „doporučené hodnoty“ relativních atomových hmot zdrojů v místním prostředí EU zemská kůra a atmosféra jak stanoví IUPAC Komise pro atomové hmotnosti a množství izotopů (CIAAW).^[2] Obecně platí, že hodnoty z různých zdrojů podléhají přirozeným změnám v důsledku odlišné radioaktivní historie zdrojů. Standardní atomové hmotnosti jsou tedy očekávaným rozsahem atomových hmotností z řady vzorků nebo zdrojů. Omezením zdrojů pouze na pozemský původ mají hodnoty stanovené CIAAW menší rozptyl a jsou přesnější hodnotou pro relativní atomové hmotnosti (atomové hmotnosti) skutečně nalezené a použité ve světských materiálech.

The Hodnoty publikované CIAAW jsou používány a někdy zákonně požadovány při hromadných výpočtech. Hodnoty mají nejistotu (uvedenou v závorkách) nebo jsou očekávaným intervalem (viz příklad na obrázku bezprostředně výše). Tato nejistota odráží spíše přirozenou variabilitu v izotopové distribuci prvku než nejistotu v měření (která je u kvalitních přístrojů mnohem menší).^[3]

Ačkoli existuje pokus o pokrytí rozsahu variability na Zemi standardními čísly atomové hmotnosti, jsou známy případy minerálních vzorků, které obsahují prvky s atomovými hmotnostmi, které jsou odlehlé od standardního rozsahu atomové hmotnosti.^[2]

Pro syntetické prvky vytvořený izotop závisí na prostředcích syntézy, takže pojem přirozené hojnosti izotopů nemá žádný význam. Proto u syntetických prvků celkový počet nukleonů^{[pochybný – diskutovat]} nejstabilnějšího izotopu (tj. izotopu s nejdelším poločasem rozpadu) je uveden v závorkách místo standardní atomové hmotnosti.

Když se v chemii používá termín „atomová hmotnost“, obvykle se jedná o konkrétnější standardní atomovou hmotnost. Jedná se o standardní atomové váhy, které se používají v periodických tabulkách a mnoho standardních referencí v běžné pozemské chemii.

Lithium představuje jedinečný případ, kdy bylo zjištěno, že přirozené množství izotopů bylo v některých případech narušeno izotopovými separačními činnostmi člověka do té míry, že to ovlivnilo nejistotu v jeho standardní atomové hmotnosti, a to i ve vzorcích získaných z přírodních zdrojů, jako jsou řeky .^{[Citace je zapotřebí ][pochybný – diskutovat]}

Pozemská definice

Příkladem toho, proč je třeba při udávání standardních hodnot atomové hmotnosti specifikovat „konvenční pozemské zdroje“, je prvek argon. Sluneční Soustava, atomová hmotnost argonu se pohybuje až o 10%, kvůli extrémním rozdílům v izotopovém složení. Kde hlavním zdrojem argonu je rozpad ⁴⁰
K. ve skalách, ⁴⁰
Ar bude dominantním izotopem. Mezi takové lokality patří planety Merkur a Mars a měsíc Titan. Na Zemi jsou poměry tří izotopů ³⁶Ar:³⁸Ar:⁴⁰Ar jsou přibližně 5: 1: 1600, což dává pozemskému argonu standardní atomovou hmotnost 39,948 (1).

To však neplatí ve zbytku vesmíru. Argon vyrábí přímo, hvězdná nukleosyntéza, dominuje alfa-proces nuklid ³⁶
Ar. Odpovídajícím způsobem obsahuje sluneční argon 84,6% ³⁶
Ar (podle solární bouře Měření),^[4] a poměr tří izotopů ³⁶Ar:³⁸Ar:⁴⁰Ar v atmosférách vnějších planet je 8400: 1600: 1.^[5] Atomová hmotnost argonu na Slunci a ve většině vesmíru by tedy byla pouze přibližně 36,3.^[6]

Příčiny nejistoty na Zemi

Zveřejněná hodnota atomové hmotnosti skvěle přichází s nejistotou. Tato nejistota (a související: přesnost) vyplývá z její definice, přičemž zdroj je „pozemský a stabilní“. Systematické příčiny nejistoty jsou:

1. Meze měření. Fyzické měření není jako vždy nikdy konečné. Vždy je možné najít a přečíst více podrobností. To platí pro všechny singl, nalezen čistý izotop. Například dnes je hmotnost hlavního přírodního izotopu fluoru (fluor-19 ) lze měřit s přesností na jedenáct desetinných míst: 18.998403163(6). Mohl by však být k dispozici ještě přesnější systém měření, který by produkoval více desetinných míst.
2. Nedokonalá směs izotopů. Ve odebraných vzorcích a změřených směs (relativní množství) těchto izotopů se může lišit. Například měď. Zatímco obecně jeho dva izotopy tvoří 69,15% a 30,85% každá ze všech nalezených měď, přírodní vzorek měření mohlo mít neúplné „míchání“, a proto jsou procenta různá. Přesnost se samozřejmě zlepší měřením více vzorků, ale tato příčina nejistoty přetrvává. (Příklad: vzorky olova se tolik liší, nelze jej zaznamenat přesněji než čtyři číslice: 207.2)
3. Pozemské zdroje s jinou historií. A zdroj je větší oblast, která je zkoumána, například „oceánská voda“ nebo „vulkanická hornina“ (na rozdíl od „vzorku“: jediná hromada zkoumaného materiálu). Zdá se, že některé prvky se liší izotopová směs na zdroj. Například thalium v ​​magmatické hornině má více lehčích izotopů, zatímco v sedimentární hornině má více těžkých izotopů. Neexistuje žádné pozemské průměrné číslo. Tyto prvky ukazují intervalovou notaci: A_{r, standardní}(Tl) = [204.38, 204.39]. Z praktických důvodů je zveřejněno také zjednodušené „konvenční“ číslo (pro Tl: 204,38).

Tyto tři nejistoty jsou kumulativní. Publikovaná hodnota je výsledkem všech těchto.

Stanovení relativní atomové hmotnosti

Moderní relativní atomové hmotnosti (termín specifický pro daný vzorek prvku) se počítají z naměřených hodnot atomové hmotnosti (pro každý nuklid) a izotopové složení vzorku. K dispozici jsou vysoce přesné atomové hmotnosti^[7][8] pro prakticky všechny neradioaktivní nuklidy, ale izotopové složení je obtížnější měřit s vysokou přesností a více se mění mezi vzorky.^[9][10] Z tohoto důvodu relativní atomové hmotnosti 22 mononukleidové prvky (které jsou stejné jako izotopové hmotnosti pro každý z jednotlivých přirozeně se vyskytujících nuklidů těchto prvků) jsou známy zvláště vysokou přesností. Například existuje relativní nejistota pouze jedné části z 38 milionů pro relativní atomovou hmotnost fluor, přesnost, která je větší než aktuální nejlepší hodnota pro Avogadro konstantní (jedna část z 20 milionů).

Příkladem výpočtu je křemík, jehož relativní atomová hmotnost je zvláště důležitá v metrologie. Křemík v přírodě existuje jako směs tří izotopů: ²⁸Si, ²⁹Si a ³⁰Si. Atomové hmotnosti těchto nuklidů jsou známy s přesností jedné části na 14 miliard pro ²⁸Si a asi jedna část z jedné miliardy pro ostatní. Nicméně rozsah přirozená hojnost pro izotopy je takový, že standardní početnost může být dána pouze přibližně ± 0,001% (viz tabulka).

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

Odhad nejistota je komplikované,^[11] zejména jako distribuce vzorků není nutně symetrický: IUPAC standardní relativní atomové hmotnosti jsou uvedeny s odhadovanými symetrickými nejistotami,^[12] a hodnota pro křemík je 28,0855 (3). Relativní standardní nejistota v této hodnotě je 1×10^–5 nebo 10 ppm. Aby se dále odrážela tato přirozená variabilita, v roce 2010 se IUPAC rozhodl uvést relativní atomové hmotnosti 10 prvků jako interval, nikoli jako pevné číslo.^[13]

Pojmenování kontroverze

Použití názvu „atomová hmotnost“ vyvolalo mezi vědci velkou polemiku.^[14] Objekty proti názvu obvykle preferují termín „relativní atomová hmotnost“ (nezaměňovat s) atomová hmotnost ). Základní námitka je, že atomová hmotnost není a hmotnost, toto je platnost působící na objekt v a gravitační pole, měřeno v jednotkách síly, jako je Newton nebo bušit.

V odpovědi příznivci výrazu „atomová hmotnost“ poukazují (mimo jiné na argumenty)^[14] že

• název byl nepřetržitě používán pro stejné množství od doby, kdy byl poprvé koncipován v roce 1808;^[15]
• po většinu času byly atomové hmotnosti skutečně měřeny vážením (tj gravimetrická analýza ) a název fyzické veličiny by se neměl měnit jednoduše proto, že se změnila metoda jejího stanovení;
• termín „relativní atomová hmotnost“ by měl být vyhrazen pro hmotnost konkrétního nuklid (nebo izotop ), zatímco „atomový hmotnost"být použit pro vážený znamenat atomových hmot nad všemi atomy ve vzorku;
• není neobvyklé mít zavádějící názvy fyzikálních veličin, které jsou zachovány z historických důvodů, jako např
  • elektromotorická síla, což není síla
  • rozlišovací schopnost, což není a Napájení Množství
  • molární koncentrace, což není molární množství (množství vyjádřené na jednotkové množství látky).

Lze dodat, že ani atomová hmotnost často není skutečně „atomová“, protože neodpovídá vlastnostem žádného jednotlivého atomu. Stejný argument lze učinit proti „relativní atomové hmotnosti“ použité v tomto smyslu.

Publikované hodnoty

IUPAC vydává pro každý stabilní prvek jednu formální hodnotu, která se nazývá standardní atomová hmotnost.^[16][17] Veškeré aktualizace jsou zveřejňovány jednou za dva roky (v nerovných letech). V roce 2015 byla aktualizována atomová hmotnost ytterbia.^[16] Na rok 2017 bylo změněno 14 atomových hmotností, včetně změny argonu z jednoho čísla na hodnotu intervalu.^[18][19]

Publikovaná hodnota může mít nejistotu, například pro neon: 20.1797(6), nebo může být intervalem, jako pro bór: [10.806, 10.821].

Vedle těchto 84 hodnot také publikuje IUPAC zkráceně hodnoty (až pět číslic pouze na jedno číslo) a pro dvanáct hodnot intervalu konvenční hodnoty (jednotlivé číselné hodnoty).

Symbol A_r je relativní atomová hmotnost, například ze specifického vzorku. Konkrétně lze standardní atomovou hmotnost označit jako A_{r, standardní}(E), kde (E) je symbol prvku.

Zkrácená atomová hmotnost

The snížená atomová hmotnost, také publikovaný CIAAW, je odvozen od standardní atomové hmotnosti snižující čísla na pět číslic (pět platných čísel). Název neříká „kulatý“.

Intervalové hranice jsou zaoblené dolů pro první (nejnižší) hranici a nahoru pro nahoru (nejvyšší) hranice. Tímto způsobem je přesnější původní interval plně pokryt.^[20]

Příklady:

• Vápník: A_{r, standardní}(Ca) = 40,078 (4) → A_{r, zkráceně}(Ca) = 40,078
• Hélium: A_{r, standardní}(He) = 4,002602 (2) → A_{r, zkráceně}(He) = 4,0026
• Vodík: A_{r, standardní}(H) = [1,00784, 1,00811] → A_{r, zkráceně}(H) = [1,0078; 1,0082]

Konvenční atomová hmotnost

Třináct chemických prvků má standardní atomovou hmotnost, která není definována jako jedno číslo, ale jako interval. Například vodík má A_{r, standardní}(H) = [1,00 784, 1,00811]. Tento zápis uvádí, že různé zdroje na Zemi mají podstatně odlišné izotopové konstituce a do těchto dvou čísel jsou začleněny nejistoty. Pro tyto prvky neexistuje ústava „průměr Země“ a „správná“ hodnota není jeho střed (to by bylo 1,007975 pro vodík, s nejistotou (± 0,000135), která by to jen pokryla interval). V situacích, kdy je přijatelná méně přesná hodnota, však CIAAW zveřejnila jedno číslo konvenční atomová hmotnost které lze použít například v obchodě. Pro vodík A_{r, konvenční}(H) = 1,008. Třináct prvků je: vodík, lithium, bór, uhlík, dusík, kyslík, hořčík, křemík, síra, chlor, argon, brom a thalium.^[21]

Formální krátká atomová hmotnost

Použitím zkrácené hodnoty a konvenční hodnoty pro třináct hodnot intervalu lze pro všechny stabilní prvky zadat krátkou hodnotu definovanou IUPAC (5 číslic plus nejistota). V mnoha situacích a v periodických tabulkách to může být dostatečně podrobné.^[22]

Seznam atomových hmotností

V periodické tabulce

Periodická tabulka

Skupina	1	2	3		4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
	Vodík a alkalické kovy	Kovy alkalických zemin														Pnictogeny	Chalkogeny	Halogeny	vzácné plyny
Doba 1	Vodík1H​1.008																		Hélium2On​4.0026
2	Lithium3Li​6.94	Berýlium4Být​9.0122												Bor5B​10.81	Uhlík6C​12.011	Dusík7N​14.007	Kyslík8Ó​15.999	Fluor9F​18.998	Neon10Ne​20.180
3	Sodík11Na​22.990	Hořčík12Mg​24.305												Hliník13Al​26.982	Křemík14Si​28.085	Fosfor15P​30.974	Síra16S​32.06	Chlor17Cl​35.45	Argon18Ar​39.95
4	Draslík19K.​39.098	Vápník20Ca.​40.078	Skandium21Sc​44.956		Titan22Ti​47.867	Vanad23PROTI​50.942	Chrom24Cr​51.996	Mangan25Mn​54.938	Žehlička26Fe​55.845	Kobalt27Spol​58.933	Nikl28Ni​58.693	Měď29Cu​63.546	Zinek30Zn​65.38	Gallium31Ga​69.723	Germanium32Ge​72.630	Arsen33Tak jako​74.922	Selen34Se​78.971	Bróm35Br​79.904	Krypton36Kr​83.798
5	Rubidium37Rb​85.468	Stroncium38Sr​87.62	Yttrium39Y​88.906		Zirkonium40Zr​91.224	Niob41Pozn​92.906	Molybden42Mo​95.95	Technecium43Tc​[97]	Ruthenium44Ru​101.07	Rhodium45Rh​102.91	Palladium46Pd​106.42	stříbrný47Ag​107.87	Kadmium48CD​112.41	Indium49v​114.82	Cín50Sn​118.71	Antimon51Sb​121.76	Telur52Te​127.60	Jód53Já​126.90	Xenon54Xe​131.29
6	Cesium55Čs​132.91	Barium56Ba​137.33	Lanthan57Los Angeles​138.91		Hafnium72Hf​178.49	Tantal73Ta​180.95	Wolfram74Ž​183.84	Rhenium75Re​186.21	Osmium76Os​190.23	Iridium77Ir​192.22	Platina78Pt​195.08	Zlato79Au​196.97	Merkur80Hg​200.59	Thalium81Tl​204.38	Vést82Pb​207.2	Vizmut83Bi​208.98	Polonium84Po​[209]	Astat85Na​[210]	Radon86Rn​[222]
7	Francium87Fr.​[223]	Radium88Ra​[226]	Actinium89Ac​[227]		Rutherfordium104Rf​[267]	Dubnium105Db​[268]	Seaborgium106Sg​[269]	Bohrium107Bh​[270]	Draslík108Hs​[269]	Meitnerium109Mt.​[278]	Darmstadtium110Ds​[281]	Roentgenium111Rg​[282]	Copernicium112Cn​[285]	Nihonium113Nh​[286]	Flerovium114Fl​[289]	Moscovium115Mc​[290]	Livermorium116Lv​[293]	Tennessine117Ts​[294]	Oganesson118Og​[294]
					Cer58Ce​140.12	Praseodymium59Pr​140.91	Neodym60Nd​144.24	Promethium61Odpoledne​[145]	Samarium62Sm​150.36	Europium63Eu​151.96	Gadolinium64Gd​157.25	Terbium65Tb​158.93	Dysprosium66Dy​162.50	Holmium67Ho​164.93	Erbium68Er​167.26	Thulium69Tm​168.93	Ytterbium70Yb​173.05	Lutetium71Lu​174.97
					Thorium90Čt​232.04	Protactinium91Pa​231.04	Uran92U​238.03	Neptunium93Np​[237]	Plutonium94Pu​[244]	Americium95Dopoledne​[243]	Kurium96Cm​[247]	Berkelium97Bk​[247]	Kalifornium98Srov​[251]	Einsteinium99Es​[252]	Fermium100Fm​[257]	Mendelevium101Md​[258]	Nobelium102Ne​[259]	Lawrencium103Lr​[266]

1 (červená) =Plyn 3 (černá) =Pevný 80 (zelená) =Kapalný 109 (šedá) = neznámá Barva atomového čísla ukazuje stav hmoty (na 0 ° C a 1 atm )

Prvotní  Z rozkladu  Syntetický okraj ukazuje přirozený výskyt prvku

Standardní atomová hmotnost A_{r, std}(E)^[1]

• Ca:40.078 - Formální krátká hodnota, zaokrouhlená (bez nejistoty)^[24]
• Po: [209] - hromadné číslo nejstabilnějšího izotopu

Barva pozadí ukazuje podkategorii v trendu kov – metaloid – nekov:

Kov						Metaloid	Nekovový			Neznámý chemikálie vlastnosti
Alkalický kov	Kov alkalických zemin	Lanthanid	Aktinid	Přechodný kov	Post-přechodový kov		Reaktivní nekovový	Vznešený plyn

Viz také

• Mezinárodní unie pro čistou a aplikovanou chemii (IUPAC)
• Komise pro izotopové množství a atomové hmotnosti

Reference

externí odkazy

• Komise IUPAC pro množství izotopů a atomové hmotnosti
• Atomové váhy prvků 2011