相對原子質(zhì)量(Ar)是以一個(gè)碳-12原子質(zhì)量的1/12作為標(biāo)準(zhǔn),任何一種原子的平均原子質(zhì)量跟一個(gè)碳-12原子質(zhì)量的1/12的比值,稱為該原子的相對原子質(zhì)量。相對原子質(zhì)量的起源
讓我們從道爾頓在18世紀(jì)末19世紀(jì)初建立的原子論說起。道爾頓根據(jù)他所建立的原子論導(dǎo)出了倍比定律(這時(shí)倍比定律與定比定律已經(jīng)形成),并提出了相對原子質(zhì)量的概念。1803年,他規(guī)定了H的相對原子質(zhì)量為1(雖然他正式發(fā)布他的原子論是在1805年)。
那時(shí)人們已經(jīng)知道水中氫氧質(zhì)量比為1:8,道爾頓無從知道水中氫氧原子的比例,他就根據(jù)思維經(jīng)濟(jì)原則武斷地決定,水分子是由一個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成的,所以氧的相對原子質(zhì)量是8,道爾頓是相對原子質(zhì)量測量的開山始祖。
H原子(準(zhǔn)確的說是氕)是由1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子構(gòu)成的,不含有中子。而其他原子都是既有質(zhì)子也有中子的。中子的靜止質(zhì)量為1.6749547×10^-24g,質(zhì)子的靜止質(zhì)量為1.6726491×10^-24g,中子是比質(zhì)子重的0.138%的,這一部分就能讓那些有很多中子的原子離整數(shù)差得更遠(yuǎn)(雖然有質(zhì)量虧損)。
氧標(biāo)準(zhǔn)的相對原子質(zhì)量
貝采里烏斯,他是diyi位把相對原子質(zhì)量測得比較精確的化學(xué)家。他用了近二十年的時(shí)間,在極其簡陋的實(shí)驗(yàn)室里測定了大約兩千種化合物的化合量,并據(jù)此在1814~1826年的12年里連續(xù)發(fā)表了三張相對原子質(zhì)量表,所列元素多達(dá)49種。
貝采里烏斯還發(fā)現(xiàn)2體積氫氣與1體積氧氣生成2體積水蒸汽(忽略氫鍵影響),所以他認(rèn)為水中氫原子數(shù)量是氧原子數(shù)量的2倍。
貝采里烏斯覺得氧形成的化合物比氫形成的化合物要多得多,他采用以氧的相對原子質(zhì)量為100的標(biāo)準(zhǔn),取代了道爾頓的相對原子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。他糾正了很多相對原子質(zhì)量的錯(cuò)誤,比如O的相對原子質(zhì)量已經(jīng)是H的16倍了,H為6.64,它更符合實(shí)驗(yàn)事實(shí),所以就被廣大化學(xué)家采納了。
1860年,康尼查羅在德國卡爾斯魯厄國際化學(xué)家代表大會上論證了原子-分子學(xué)說。在根據(jù)蒸氣密度法測定分子量的基礎(chǔ)上,提出一個(gè)合理的測定相對原子質(zhì)量的方案:“因?yàn)橐粋€(gè)分子中所含各種原子的數(shù)目必然都是整數(shù),因此,在重量等于分子量值的某物質(zhì)中,某元素的重量一定是其相對原子質(zhì)量的整數(shù)倍。如果我們考查一系列含某一元素的化合物,其中必有一種或幾種化合物中只含有一個(gè)原子的這種元素,那么,在一系列該元素的重量值中,那個(gè)Z小值,即為該元素的大約相對原子質(zhì)量?!?p> 也許是人們實(shí)在受不了那么多小數(shù),也是在1860年斯塔斯建議把氧的相對原子質(zhì)量定為了16,這樣就又有很多是接近整數(shù)的了,更重要的是,他將天平的靈敏度提高到0.03mg,將很多元素的相對原子質(zhì)量的測量值測到了小數(shù)點(diǎn)后4位。
氧的三種同位素中,O-16是Z多的,占99.76%,而O-17和O-18分別是0.04%和0.20%,所以氧的相對原子質(zhì)量為16,基本就反過來決定了O-16也差不多為16,因?yàn)槟菚r(shí)候人們雖然不知道有同位素,但是從實(shí)驗(yàn)的效果上來看,他們規(guī)定的是氧的各種同位素的相對原子質(zhì)量的加權(quán)平均數(shù)為16。
O-16核素有8個(gè)質(zhì)子、8個(gè)中子和16個(gè)電子構(gòu)成,所以這時(shí)的單位1相當(dāng)于是1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子的平均質(zhì)量與1個(gè)電子的質(zhì)量的和(精確來說不同于它們的靜止質(zhì)量,因?yàn)橛匈|(zhì)量虧損),這樣對很多其他元素的相對原子質(zhì)量更接近整數(shù)有所幫助,因?yàn)楹芏噍p元素的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是相同的。O-16標(biāo)準(zhǔn)的相對原子質(zhì)量
接下來到了20世紀(jì),湯姆森和盧瑟福相繼發(fā)現(xiàn)了電子、原子核,在1912年人們發(fā)現(xiàn)了同位素可能存在的證據(jù)并于1913年成功找到的同位素,此后又在1929年發(fā)現(xiàn)了氧是有同位素的!
試想一下,一直以來作為“標(biāo)準(zhǔn)秤砣”的氧原子居然有3種啊,這不是亂套了嗎?物理學(xué)家認(rèn)為,沒有一種氧原子的相對原子質(zhì)量是16,因?yàn)?6只是三種氧原子的加權(quán)平均數(shù),這種“混合平均的氧原子”是不存在的,之前相對原子質(zhì)量的規(guī)定是荒謬的。
所以質(zhì)譜儀的fa明者阿斯通規(guī)定,以O(shè)-16原子的質(zhì)量的1/16定為相對原子質(zhì)量的單位,O-16的相對原子質(zhì)量為16.0000,元素的相對原子質(zhì)量規(guī)定為各同位素原子的加權(quán)平均數(shù)。這個(gè)定義與之前的定義主要有兩個(gè)差別,一是將“O”改為了“O-16”,二是把相對原子質(zhì)量16改為了16.0000(體現(xiàn)出大部分相對原子質(zhì)量不是整數(shù)為普遍現(xiàn)象)。
C-12標(biāo)準(zhǔn)的相對原子質(zhì)量
1959年,馬陶赫在國際純粹與應(yīng)用物理學(xué)聯(lián)合會(IUPAP)于慕尼黑召開的大會上,建議以C-12原子的1/12作為相對原子質(zhì)量的單位,即他建議以Ar(C-12)=12.0000取代Ar(O-16)=16.0000。
1960年得到了IUPAP的通過,然后IUPAP以新標(biāo)準(zhǔn)與化學(xué)的舊相對原子質(zhì)量相比幾乎完全一樣,將這個(gè)新的相對原子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提交給IUPAC考慮。IUPAC經(jīng)過考慮后,初步?jīng)Q定接受(有臺階下了,呼呼),并在1961年在蒙特利召開的大會上予以正式通過。
為什么馬陶赫建議將標(biāo)準(zhǔn)改為了Ar(C-12)=12.0000呢?原因有以下幾點(diǎn)。
1、測量相對原子質(zhì)量的精確方法已經(jīng)改為了質(zhì)譜法,質(zhì)譜儀中碳元素是次級基準(zhǔn),即用C-12做標(biāo)準(zhǔn)是很可靠的,因?yàn)樘荚乜梢孕纬珊芏嘤袡C(jī)物,可以形成很多很多較重的(即分子量較大的)分子離子,這樣可以測量的物種很多,對于減小相對誤差是有好處的,其他元素不具備這種優(yōu)越條件;
2、自然界中的C-12的豐度是很穩(wěn)定的,并且是大量的;
3、1950年開始物理學(xué)界已經(jīng)開始推廣以C-12為12.0000的標(biāo)準(zhǔn)了,并且在物理學(xué)界取得了一定支持;
4、物理學(xué)家可以接受這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)樗cO-16一樣,同樣是以一種核素作為標(biāo)準(zhǔn)的,是“嚴(yán)謹(jǐn)”的;
5、化學(xué)家可以接受這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)榕c之前按O-16為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的相對誤為275ppm(百萬分之二百七十五,ppm表示百萬分之一)相比,新標(biāo)準(zhǔn)與舊的相對原子質(zhì)量的相對誤差為42ppm,與化學(xué)家傳統(tǒng)使用的相對原子質(zhì)量幾乎完全一樣,因?yàn)镺的平均相對原子質(zhì)量的1/16恰好與C-12的1/12極其接近,也因此現(xiàn)在的相對原子質(zhì)量Z接近整數(shù)的元素不是H=1.008,也不是C=12.011,而是O=15.999。相對原子質(zhì)量的計(jì)算
當(dāng)我們計(jì)算一個(gè)水分子的質(zhì)量是多少時(shí),就會發(fā)現(xiàn)計(jì)算起來極不方便(一個(gè)水分子是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成的)。若是計(jì)算其它更復(fù)雜的分子質(zhì)量時(shí)那就更麻煩了。因此國際上規(guī)定采用相對原子質(zhì)量和相對分子質(zhì)量來表示原子、分子的質(zhì)量關(guān)系。
國際規(guī)定把一個(gè)碳-12原子的質(zhì)量分為12等份。那每一份的質(zhì)量就是:一個(gè)原子的質(zhì)量/(1/12×一個(gè)碳-12原子的質(zhì)量)=一個(gè)原子的質(zhì)量/1.667e-27kg。計(jì)算方法(1.993e-26)/12=1.667e-27千克。
然后再把其它某種原子的實(shí)際質(zhì)量與這個(gè)數(shù)相比后所得的結(jié)果,這個(gè)結(jié)果的數(shù)值就叫做這種原子的相對原子質(zhì)量。如氧原子的相對原子質(zhì)量求法為:(2.657e-26)/(1.667e-27)=16,即氧原子的相對原子質(zhì)量約為16,我們在計(jì)算時(shí)就采用16。這樣就要簡便得多。
注:碳原子有好幾種,其中有一種碳原子它的原子核中含6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子,加起來是12,所以把它稱為碳-12。當(dāng)然還有其它如碳-14等,它含有8個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子加起為14。國際上之所以要選用碳-12而不用碳-14是因?yàn)楫?dāng)選用碳-12原子作標(biāo)準(zhǔn)時(shí),其它原子的相對原子質(zhì)量都接近整數(shù),便于記憶與使用。相對原子質(zhì)量計(jì)算公式
相對原子質(zhì)量=某種原子的質(zhì)量/一種碳原子質(zhì)量的(1/12)
相對原子質(zhì)量=(原子核質(zhì)量+核外電子質(zhì)量)/[(1/12)mC]
相對原子質(zhì)量≈原子核質(zhì)量/[(1/12)mC]
相對原子質(zhì)量≈(質(zhì)子的質(zhì)量+中子的質(zhì)量)/[(1/12)mC]
相對原子質(zhì)量≈[質(zhì)子數(shù)×一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量+中子數(shù)×一個(gè)中子的質(zhì)量]/[(1/12)mC]
相對原子質(zhì)量≈[質(zhì)子數(shù)×(1/12)mC+中子數(shù)×(1/12)mC]/[(1/12)mC]
相對原子質(zhì)量≈質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)相對原子質(zhì)量表
2018-07-20 11904