Содержание

Определения описываемого предмета

Историческая справка об атомной массе

Понятие атомного веса

Методы определения атомного веса

 - Химические методы

 - Физические методы

 - Уточнение атомных масс.

Об атомных массах наиболее устойчивых изотопов трансурановых элементов

Вязкость Уильямсона η0 и атомная масса металлического иона, используемого для инкубации.

Задачи на определение атомных масс и их решения

 - Задачи

 - Решения

Источники

Синонимы

Тарификация

Прямые ссылки на материал

Дополнительные термины

 Определения описываемого предмета

Атомная масса (устаревшее название — атомный вес) — это значение массы атома, выраженное в атомных единицах массы. В настоящее время атомная единица массы принята равной 1/12 массы нейтрального атома наиболее распространённого изотопа углерода 12C, поэтому атомная масса этого изотопа по определению равна совершенно точно 12. Разность между атомным весом изотопа и его массовым числом называется избытком массы (обычно его выражают в МэВ). Он может быть как положительным, так и отрицательным; причина его возникновения — нелинейная зависимость энергии связи ядер от числа протонов и нейтронов, а также различие в массах протона и нейтрона.

Атомная масса – это масса химического элемента, выраженная в атомных единицах массы (а. е.м.). За 1 а. е.м. принята 1/12 часть массы изотопа углерода с атомным весом 12. 1а.е.м.=1,6605655·10-27 кг. Атомная масса складывается из масс всех протонов и нейтронов в данном атоме.

Атомная масса – это относительное значение массы атома, выраженное в атомных единицах массы. Дробная величина (в отличие от массового числа - суммарного числа нейтронов и протонов в атомном ядре). Атомные массы изотопов одного хим. элемента различны. За атомную массу природных элементов, состоящих из смеси изотопов, принимают среднее значение атомного веса изотопов с учетом их процентного содержания. Эти значения указаны в периодической системе элементов (исключение - трансурановые элементы, для которых приводятся массовые числа).

Атомная масса – это масса атома, выраженная в атомных единицах массы. Атомная масса меньше суммы масс, составляющих атом частиц (протонов, нейтронов, электронов), на величину, обусловленную энергией их взаимодействия.

Атомная единица массы, она же дальтон, — это внесистемная единица массы, применяемая для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Рекомендована к применению ИЮПАП в 1960 и ИЮПАК в 1961 годах. Официально рекомендованными являются англоязычные термины atomic mass unit (a.m.u.) и более точный — unified atomic mass unit (u.a.m.u.) (универсальная атомная единица массы, но в русскоязычных научных и технических источниках он употребляется реже).

 Историческая справка об атомной массе

После открытия радиоактивности (1896) и электрона (1897, Дж. Дж. Томсон) стало очевидно, что атом — система заряженных частиц. В 1911 Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома (вокруг тяжелого положительно заряженного ядра вращаются электроны). Первую квантовую теорию атома на ее основе дал в 1913 Н. Бур; она объяснила спектры Н и водородоподобных атомов, но не годилась для атомов с числом электронов? 2. Последовательная теория атома создана позднее на основе квантовой механики. В 30-40-х гг. в атомную физику включали также разделы, связанные со структурой и свойствами ядра, космическими лучами, элементарными частицами; впоследствии они выделились в самостоятельные области физики.

А. м. была взята Д. И. Менделеевым за основную характеристику элемента при открытии им периодической системы элементов. А. м. — дробная величина (в отличие от массового числа — суммарного числа нейтронов и протонов в атомном ядре).

Понятие об этой величине претерпевало длительные изменения в соответствии с изменением представления об атомах. Согласно теории Дальтона (1803), все атомы одного и того же химического элемента идентичны и его атомная масса — это число, равное отношению их массы к массе атома некоего стандартного элемента. Однако примерно к 1920 стало ясно, что элементы, встречающиеся в природе, бывают двух типов: одни действительно представлены идентичными атомами, а у других атомы имеют одинаковый заряд ядра, но разную массу; такие разновидности атомов были названы изотопами. Определение Дальтона, таким образом, справедливо только для элементов первого типа. Атомная масса элемента, представленного несколькими изотопами, есть средняя величина из массовых чисел всех его изотопов, взятых в процентном отношении, отвечающем их распространенности в природе.

В 19 в. в качестве стандарта при определении атомных масс химики использовали водород или кислород. По предложению Дж. Дальтона (1803) единицей атомного веса сначала служила масса атома водорода (водородная шкала). В 1818 году Берцелиус опубликовал таблицу Атомных масс, отнесенных к Атомной массе кислорода, принятой равной 100. Система Атомных масс Берцелиуса господствовала до 1860-х годов, когда химики опять приняли водородную шкалу. Но в 1906 году они перешли на кислородную шкалу, по которой за единицу атомного веса принимали 1/16 часть атомным весом кислорода. После открытия изотопов кислорода (16О, 17О, 18О) Атомные массы стали указывать по двум шкалам: химической, в основе которой лежала 1/16 часть средней массы атома природного кислорода, и физической с единицей массы, равной 1/16массы атома 16О. Использование двух шкал имело ряд недостатков, вследствие чего в 1961 году перешли к единой, углеродной шкале. В 1904 за стандарт была принята 1/16 средней массы атома природного кислорода (кислородная единица) и соответствующая шкала получила название химической. Масс-спектрографическое определение атомных масс проводилось на основе 1/16 массы изотопа 16О, и соответствующая шкала называлась физической. В 1920-х годах было установлено, что природный кислород состоит из смеси трех изотопов: 16О, 17О и 18О. В связи с этим возникли две проблемы. Во-первых, оказалось, что относительная распространенность природных изотопов кислорода немного варьирует, а значит, в основе химической шкалы лежит величина, не являющаяся абсолютной константой. Во-вторых, у физиков и химиков получались разные значения таких производных констант, как молярные объемы, число Авогадро и др. Решение вопроса было найдено в 1961, когда за атомную единицу массы (а. е.м.) была принята 1/12 массы изотопа углерода 12С (углеродная единица). (1 а. е.м., или 1D (дальтон), в СИ-единицах массы составляет 1,66057Ч10-27 кг.) Природный углерод также состоит из двух изотопов: 12С — 99% и 13С — 1%, но новые величины атомных масс элементов связаны только с первым из них. В результате была получена универсальная таблица относительных атомных масс. Изотоп 12С оказался удобным и для физических измерений.

До 1960-х годов атомную массу определяли таким образом, чтобы изотоп кислород-16 имел атомную массу 16 (кислородная шкала). Однако соотношение кислорода-17 и кислорода-18 в природном кислороде, который также использовался в расчётах атомного веса, приводило к наличию двух разных таблиц атомных масс. Химики использовали шкалу, основанную на том, что естественная смесь изотопов кислорода должна была иметь атомную массу 16, тогда как физики присваивали то же число 16 атомной массе наиболее распространённого изотопа кислорода (имеющего восемь протонов и восемь нейтронов).

 Понятие атомного веса

Атомная масса, атомный вес, значение массы атома, выраженное в атомных единицах массы. Применение особой единицы для измерения А. м. связано с тем, что массы атомов чрезвычайно малы (10-22—10-24 г) и выражать их в граммах неудобно. За единицу А. м. принята 1/12 часть массы изотопа атома углерода 12C. Масса углеродной единицы (сокращённо у. е.) равна (1,660 43 ± 0,00031)·10-24 г. А. м. меньше суммы масс составляющих атом частиц на дефект масс. Обычно при указании А. м. обозначение «у. е.» опускают. Разность между атомным весом изотопа и его массовым числом называется избытком массы (обычно его выражают в МэВ). Он может быть как положительным, так и отрицательным; причина его возникновения — нелинейная зависимость энергии связи ядер от числа протонов и нейтронов, а также различие в массах протона и нейтрона.

С другой стороны, 1 а. е. м. — это величина, обратная числу Авогадро, то есть 1/NA г. Такой выбор атомной единицы массы удобен тем, что молярная масса данного элемента, выраженная в граммах на моль, в точности совпадает с массой этого элемента, выраженной в а. е. м.

Атомная единица массы, она же дальтон, — внесистемная единица массы, применяемая для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Рекомендована к применению ИЮПАП в 1960 и ИЮПАК в 1961 годах. Официально рекомендованными являются англоязычные термины atomic mass unit (a.m.u.) и более точный — unified atomic mass unit (u.a.m.u.) (универсальная атомная единица массы, но в русскоязычных научных и технических источниках он употребляется реже).

Атомная единица массы выражается через массу нуклида (Nuclide) углерода 12C. 1 а. е. м. равна одной двенадцатой части от массы этого радионуклида в ядерном и атомном природном состоянии. Установленное в 1997 году во 2-ом издании справочника терминов ИЮПАК численное значение 1 а. е. м. ≈ 1,6605402(10) ∙ 10−27 кг ≈ 1,6605402(10) ∙ 10−24 г.

С другой стороны, 1 а. е. м. — это величина, обратная числу Авогадро, то есть 1/NA г. Такой выбор атомной единицы массы удобен тем, что молярная масса данного элемента, выраженная в граммах на моль, в точности совпадает с массой атома этого элемента, выраженной в а. е. м.

Поскольку массы элементарных частиц обычно выражаются в электрон-вольтах, важным является переводной коэффициент между эВ и а. е. м. [1]:

1 а. е. м. ≈ 0,931 494 028(23) ГэВ/c²;

1 ГэВ/c² ≈ 1,073 544 188(27) а. е. м.

Зависимость атомного веса изотопа от массового числа такова: избыток массы положителен у водорода-1, с ростом массового числа он уменьшается и становится отрицательным, пока не достигается минимум у железа-56, потом начинает расти и возрастает до положительных значений у тяжёлых нуклидов (Nuclide). Это соответствует тому, что деление ядер, более тяжёлых, чем железо, высвобождает энергию, тогда как деление лёгких ядер требует энергии. Напротив, слияние ядер легче железа высвобождает энергию, слияние же элементов тяжелее железа требует дополнительной энергии.

Атомная масса химического элемента (также «средняя атомная масса», «стандартная атомная масса») является средневзвешенной атомным весом всех стабильных изотопов данного химического элемента с учётом их природной распространённости в земной коре и атмосфере. Именно эта атомная масса представлена в периодической таблице Д. И. Дмитрия Ивановича Менделеева, её используют в стехиометрических расчётах. Атомная масса элемента с нарушенным изотопным соотношением (например, обогащённого каким-либо изотопом) отличается от стандартной. Для моноизотопных элементов (таких как йод, золото и т.п.) атомная масса элемента совпадает с атомным весом его единственного представленного в природной смеси изотопа.

Молекулярной массой химического соединения называется сумма атомных масс элементов, составляющих её, умноженных на стехиометрические коэффициенты элементов по химической формуле соединения. Строго говоря, масса молекулы меньше массы составляющих её атомов на величину, равную энергии связи молекулы. Однако этот дефект массы на 9-10 порядков меньше массы молекулы, и им можно пренебречь.

Определение моля (и числа Авогадро) выбирается таким образом, чтобы масса одного моля вещества (молярная масса), выраженная в граммах, была численно равна атомной (или молекулярной) массе этого вещества. Например, атомная масса железа равна 55,847. Поэтому один моль атомов железа (т. е. их количество, равное числу Авогадро, 6,022·1023) содержит 55,847 граммов.

 Методы определения атомного веса

Для нахождения А. м. пользуются различными методами. Часть их основана на экспериментальном определении молекулярной массы какого-либо соединения данного элемента. В этом случае А. м. равна доле молекулярной массы, приходящейся на этот элемент, деленной на число его атомов в молекуле. Точные значения А. м. можно найти, определяя химическим анализом Эквивалент химический элемента (А. м. равна произведению эквивалента на валентность). С наибольшей точностью (до 0,001% и выше) А. м. можно определить методом масс-спектроскопии; масс-спектр элемента даёт сведения о количественном изотопном составе и о массах атомов отдельных изотопов, на основании чего легко рассчитать А. м. (см. выше пример с 35Cl и 37Cl). А. м. вновь синтезируемых элементов оценивают на основе рассмотрения ядерной реакции их образования.

Современные значения А. м. приведены в статьях о химических элементах

Атомную массу можно определить либо физическими, либо химическими методами. Химические методы отличаются тем, что на одном из этапов в них фигурируют не сами атомы, а их комбинации.

Химические методы

Согласно атомной теории, числа атомов элементов в соединениях относятся между собой как небольшие целые числа (закон кратных отношений, который открыт Дальтоном). Поэтому для соединения известного состава можно определить массу одного из элементов, зная массы всех других. В некоторых случаях массу соединения можно измерить непосредственно, но обычно ее находят косвенными методами. Рассмотрим оба этих подхода.

Атомную массу Al недавно определили следующим образом. Известные количества Al были превращены в нитрат, сульфат или гидроксид и затем прокалены до оксида алюминия (Al2O3), количество которого аккурат определяли. Из соотношения между двумя известными массами и атомными массами алюминия и кислорода (15,9) нашли атомную массу Al. Однако прямым сравнением с атомным весом кислорода можно определить атомные массы лишь немногих элементов. Для большинства элементов их определяли косвенным путем, анализируя хлориды и бромиды. Во-первых, эти соединения для многих элементов можно получить в чистом виде, во-вторых, для их точных количественных определений в распоряжении химиков имеется чувствительный аналитический метод, основанный на сравнении их масс с массой серебра. Для этого точь-в-точь определяют массу анализируемых соединений и массу серебра, необходимого для взаимодействия с ними. Атомную массу нужного элемента рассчитывают исходя из атомного веса серебра — эталонной величины в подобных определениях. Атомную массу серебра (107,870) в углеродных единицах определяли косвенным химическим методом.

Физические методы

В середине 20 в. существовал только один физический метод определения атомных масс, сегодня наиболее широко применяют четыре.

 - Плотность газа. Самый первый физический метод основывался на определении плотности газа и на том, что в соответствии с законом Авогадро равные объемы газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Следовательно, если определенный объем чистого СО2 имеет массу, в 1,3753 большую, чем такой же объем кислорода в тех же условиях, то молекула СО2 должна быть в 1,3753 раза тяжелее молекулы кислорода (молярная масса О2 = 31,998), т. е. масса молекулы СО2 по химической шкале равна 44,008. Если из этой величины вычесть массу двух атомов кислорода, равную 31,998, мы получим атомную массу углерода — 12,01. Чтобы получить более точное значение, необходимо ввести ряд поправок, что усложняет этот метод. Тем не менее, с его помощью были получены некоторые весьма ценные данные. Так, после открытия благородных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe) метод, основанный на измерении плотности, оказался единственно пригодным для определения их атомных масс.

 - Масс-спектроскопия. Вскоре после Первой мировой войны Ф.Астон создал первый масс-спектроскоп для точного определения массовых чисел различных изотопов и тем самым открыл новую эру в истории определения атомных масс. Сегодня существует два основных типа масс-спектроскопов: масс-спектрометры и масс-спектрографы (последним является, например, прибор Астона). Масс-спектрограф предназначен для изучения поведения потока электрически заряженных атомов или молекул в сильном магнитном поле. Отклонение заряженных частиц в этом поле пропорционально отношению их масс к заряду, а регистрируют их в виде линий на фотопластинке. Сравнивая положения линий, отвечающих определенным частицам, с положением линии для элемента с известной атомным весом, можно с достаточной точностью определить атомную массу нужного элемента. Хорошей иллюстрацией метода является сравнение массы молекулы СН4 (метана) с массовым числом самого легкого изотопа кислорода 16О. Одинаково заряженные ионы метана и 16О одновременно впускают в камеру масс-спектрографа и регистрируют их положение на фотопластинке. Различие в положении их линий отвечает разности масс 0,036406 (по физической шкале). Это значительно более высокая точность, чем может дать любой химический метод.

Если исследуемый элемент не имеет изотопов, то определение его атомного веса не составляет особого труда. В противном случае необходимо определить не только массу каждого изотопа, но и их относительное содержание в смеси. Эту величину не удается определить с достаточной точностью, что ограничивает применение масс-спектрографического метода для нахождения атомных масс изотопических элементов, особенно тяжелых. Недавно с помощью масс-спектрометрии удалось установить с высокой точностью относительное содержание двух изотопов серебра, 107Ag и 109Ag. Измерения были выполнены в Национальном бюро стандартов США. Используя эти новые данные и более ранние измерения масс изотопов серебра, уточнили значение атомного веса природного серебра. Теперь эта величина считается равной 107,8731 (химическая шкала).

 - Ядерные реакции. Для определения атомных масс некоторых элементов можно использовать соотношение между массой и энергией, полученное Эйнштейном. Рассмотрим реакцию бомбардировки ядер 14N быстрыми ядрами дейтерия с образованием изотопа 15N и обычного водорода 1Н:

14N + 2H = 15N + 1H + Q

В результате реакции выделяется энергия Q = 8 615 000 эВ, которая в соответствии с уравнением Эйнштейна эквивалентна 0,00948 а. е.м. Значит, масса 14N + 2H превышает массу 15N + 1H на 0,00948 а. е.м., и если мы знаем массовые числа трех любых изотопов — участников реакции, то можем найти массу четвертого. Метод позволяет определить разность массовых чисел двух изотопов с большей точностью, чем масс-спектрографический.

 - Рентгенография. Этим физическим методом можно определять атомные массы веществ, которые при обычной температуре образуют регулярную кристаллическую решетку. Метод основан на связи между атомной (или молекулярной) массой кристаллического вещества, его плотностью, числом Авогадро и неким коэффициентом, который определяют из расстояний между атомами в кристаллической решетке. Необходимо провести прецизионные измерения двух величин: постоянной решетки рентгенографическими методами и плотности методом пикнометрии. Применение метода ограничивается трудностями получения чистых совершенных кристаллов (без вакансий и дефектов любого рода).

Уточнение атомных масс

Все измерения атомных масс, которые были выполнены более 20 лет назад, проводились химическими методами или методом, основанным на определении плотности газов. В последнее же время данные, получаемые масс-спектрометрическими и изотопными методами, совпадают с такой высокой точностью, что Международная комиссия по атомным массам решила скорректировать атомные массы 36 элементов, причем 18 из них не имеют изотопов.

Об атомных массах наиболее устойчивых изотопов трансурановых элементов

Сверхэлементами будем называть элементы с зарядом ядра больше 105. Есть подозрения, что среди этих элементов имеются так называемые “острова относительной стабильности” вокруг элементов с атомными номерами 114, 126, и, возможно, 164, у которых период распада будет значительно выше, чем у окружающих элементов первым “островом стабильности” можно считать торий и уран (Z = 90 и 92), которые на 5-10 порядков более устойчивы, чем окружающие элементы.

Для науки сверхэлементы важны следующим. Если удастся синтезировать эти элементы в обозримом количестве, то при таких больших зарядах ядра и атомных масса будут наблюдаться интересные эффекты:

а) у делящихся изотопов существует понятие “критическая масса” - количество, необходимое для запуска цепной ядерной реакции. Для урана и плутония критическая масса измеряется килограммами, а соответствующая энергия – килотоннами тротилового эквивалента. В то время как для 114-го элемента эта величина составит соответственно примерно 1 мг и 1 кг тротилового эквивалента. Это даст практически неограниченный спектр возможностей для широкого внедрения почти неограниченных источников энергии.

б) строение энергетических уровней. У 126-го элемента будет заполняться уже новый, g-уровень энергии, что сделает его химические свойства совершенно непредсказуемыми. 119-й элемент (экафранций) – это будет суперщелочной металл, который, вероятно, вообще не сможет существовать в нейтральном виде, а только в виде иона, чего ни у одного элемента еще не было. А в районе 164-го элемента, по некоторым гипотезам, все устройство периодической системы будет ломаться. Такое переплетение энергетических уровней также можно будет использовать, например, при создании т.н. “множественного фотоэффекта”, когда система поглощает несколько фотонов и испускает один с суммарной энергией. Более того, при атомных номерах, близких к 170, атомное ядро будет иметь такие большие размеры, что начнет захватывать нижние электроны с орбиты, т.е. будет господствовать такой тип радиоактивного распада, как электронный захват. Но если будет синтезировано одно ядро, без электронной оболочки, то такой атом будет более устойчивым. Получаем, что ядерные свойства элемента будут зависеть от его химического состояния, что открывает очень много возможностей. И, наконец, такие большие ядра будут как бы переходным этапом от собственно химического элемента к таким конгломератам нуклонов, какими являются нейтронные звезды. Все вышеизложенные примеры подчеркивают всю важность работ по синтезу "сверхэлементов"

К настоящему моменту российскими учеными в Дубне под руководством Ю.Ц.Оганесяна синтезированы элементы с атомными номерами вплоть до 118. И действительно, они стабильнее, чем должны быть: например, период распада 114-го элемента составляет около 30 секунд, что на несколько порядков выше, чем обычно бывает у элементов такого типа.

Однако цель еще не взята. У полученных изотопов 114-го элемента атомная масса составляет 286-289. А тот изотоп, который относится к центру острова стабильности, должен иметь массу 298. Девяти нейтронов не хватает. Существующие методы пока не позволяют эту проблему решить.

Состоят применяемые ныне методы в следующем. Берется мишень, например, из плутония-244 или иного массивного трансуранового элемента - с самым большим отношением числа нейтронов к числу протонов, какое только можно. И эту мишень обстреливают ионами, например, кальция-48 (у этого изотопа уникально большое отношение числа нейтронов к числу протонов – 1,4, тогда как для соседних атомов характерно соотношение 1,05-1,15). С помощью такого метода удается синтезировать малонейтронные изотопы элементов с атомным номером до 116, убедиться, что такие элементы могут существовать, оценить их химические свойства и убедиться в том, что они соответствуют их месту в таблице Менделеева Дмитрия Ивановича. Но для прикладных задач такой метод недостаточен.

Нужный метод был предложен Г.Флеровым в книге “На пути к сверхэлементам”. Надо столкнуть два ядра с самой большой массой, какая возможна – например, урана или тория. При их слиянии образуется гигантское супер-ядро, которое тут же распадается, и в числе осколков деления попадаются и 114-й и 116-й элементы:

92U238 + 92U238 → 298114 + 173Yb +5n

92U238 + 92U238 → 304116 + 172Er + 5n

90Th232 + 90Th232 → 298114 + 164Dy + 4n

90Th232 + 90Th232 → 304116 + 157Gd + 3n

А вот использовать для столкновения более легкие элементы, например, последний стабильный – висмут – уже не получится. Потому что реакция должна пойти примерно так: 83Bi209 + 83Bi209 → 298114 + 52Te120

в то время как теллур-120 образоваться не может, т.к. он получился бы нейтроннодефицитным: нормальная масса теллура – 127. Синтез подобных ядер потребует уйму энергии, потому что наиболее устойчивый изотоп любого элемента – это изотоп с максимальной энергией связи.

Прямое сравнение и измерение масс атомов и молекул выполняется с помощью масс-спектрометрических методов.

Давайте посмотрим, какие еще элементы, кроме 114-го и 116-го, могут быть синтезированы в уран-урановой и торий-ториевой реакции значения масс наиболее устойчивых изотопов берется по книге О.Спиридонова “Свет, физика, информация, жизнь” (М, 1993): (в первом столбце – товар реакции, во втором столбце – второй товар реакции, если использовался торий, в третьем столбце – второй товар реакции, если использовался уран)

Взглянув на эту таблицу, мы видим, что при получении элементов с Z = 101-108 выделяется аномально большое число нейтронов. Так быть не должно. Опыт показывает, что количество нейтронов, выделяющихся в таких реакциях синтеза, должно быть от 3 до 6. Если их будет меньше, то система не сможет избавиться от излишней энергии, а если их будет больше, то на отрыв каждого нейтрона (преодоление ядерных сил) уйдет слишком большая энергия (каждый нуклон – это энергия связи). Заметим, кстати, что уже в синтезе элементов с зарядом ядра, превышающим 114, наблюдаются сложности. Также становится понятными трудности в синтезе элемента №111.

Поэтому провал для элементов с Z =101-108 можно объяснить одним из двух способов: либо реакции с их участием невозможны, т.к. эти элементы нестабильны в принципе, либо взятые нами значения атомных масс наиболее устойчивых изотопов неверны.

Попробуем оценить, чему должны быть равны атомные массы наиболее устойчивых изотопов элементов с Z =101-108 из расчета, что в ядерных реакциях с их участием должно выделяться 4-6 нейтронов.

Результат похож на то, что должно быть: по некоторым данным, изотоп курчатовия (Z=104) с атомным номером 270 имел время жизни больше минуты.

После получения в 1990-е годы более тяжелых изотопов элементов 104-107 выяснилось, что с ростом нейтронов резко растет их время жизни, чего не было у элементов с меньшим зарядом ядра. Это можно объяснить как приближением к острову стабильности, так и тем, что при переходе от 103 элемента к 104 происходит скачок в массе наиболее стабильных изотопов, так же как и при переходе от астата к радону (маржа в атомном номере тут составляет 18, что как раз объяснимо влиянием оболочечной модели)

При построении графиков зависимости времени жизни от массы ядра (время - в логарифмическом масштабе) выяснилось, что для нильсбория эта зависимость имеет вид четкой прямой линии, для курчатовия - вид степенной функции с показателем больше 1, причем для четных и для нечетных изотопов были разные зависимости, и, что особенно удивительно, четно-нечетные изотопы курчатовия более устойчивы, чем четно-четные (аналогичный парадокс проявлялся уже в случае фермия, когда поразительную неустойчивость имеет четно-четное ядро с массой 258), а у сиборгия и 107-го элемента эта зависимость имела вид степенной функции с показателем меньше 1

Итак, экстраполяция дала следующие прогнозы для времени жизни наиболее устойчивых изотопов:

резерфордий-266: от 70 суток до 30 лет

резерфордий-267: от 450 суток до 3000 лет

резерфордий-266: 6-30000 лет

курчатовий-269 - от 4 суток до 3000 лет

курчатовий-271 – до 35 суток

нильсборий-272 - 50 суток

нильсборий-273 - 180 суток

нильсборий-274 - 2 года

стборгий-275 – 1 час

сиборгий-276 - от 1 часа до 100 суток

сиборгий-277 – 1 час

(борий)-278 - от 40 секунд до 15 минут

(борий)-279 - от 50 секунд до 40 минут

(борий)-280 - 1-80 минут

 Вязкость Уильямсона η0 и атомная масса металлического иона, используемого для инкубации

Были исследованы эффекты ионов различных металлов на реологические профили потока растворов гиалуроната решения путем управляемой инкубации растворов солей хлоридов металлов с раствором гиалуроната натрия (ГН) при окружающих условиях. Результаты применения модели Уильямсона к профилям потока инкубируемых растворов показали прогрессивное уменьшение вязкости Уильямсона (η0) при сдвиге нуля с увеличением атомного числа/атомного веса иона металла, который, за исключением данных для лития, мог быть связаны с уравнением силы (y = сxδ). Такие сокращения вязкости не были результатом гидролиза (определено ГФХ (GPC) - гель-фильтрационной хроматографией), но могут произойти из-за диффундирующих ионов, разрушающих водородные связи и предотвращающих электростатические отталкивания между карбоксильными группами.

Цель этого исследования состояла в том, чтобы видеть взаимодействие ГК с рядом металлических ионов (отличающегося ионного размера, валентности, и т.д.) затрагивал реологический поток характеристик (особенно сдвиг нуля вязкости, η0), и профиль молекулярной массы. Это особенно интересно относительно локализованного in vivo применения ГК, с тех пор как обнаружены многочисленные ионы металлов в организме, с которыми могла бы взаимодействовать управляемая ГК, потенциально приводящая к существенным изменениям в желательных физических свойствах.

Сдвиги нуля вязкостей Уильямсона η0, были связаны с атомным числом и атомным весом связанных металлических ионов, которые используется в инкубации (иллюстрация 3). Данные (за исключением лития), могли быть удовлетворительно смоделированы, используя уравнением силы y = сxδ (иллюстрация 3). Никакой очевидной Корреляции не было получено между сдвигом вязкости Уильямсона η0 и ионными радиусами/ионным объемом ионов металлов, используемых в инкубации.

Эти результаты согласуются с предыдущими изданными данными, сдвиг нуля вязкость (η0), как выяснили, уменьшается для ряда ионов, например, Na+, K+ и Ca2+, и Na+, Li+ и K+. Было предположено, чтобы эти наблюдаемые сокращения вязкости были результатом действия ионов, распространяющихся между цепями ГК и экранирования электростатические отталкивания (между соседним карбоксильными группами), а также разрушения водородных связей взаимодействий между цепями. Это может привести к краху расширенной укрепленной структуры катушки и переходу к более компактной структуре, где цепи могли бы скользить друг по другу более легко, есть поток, таким образом, приводя к сокращению вязкости.

С увеличением атомного числа/атомного веса иона металла наблюдалось прогрессивное уменьшение в сдвиге нуля вязкости Уильямсона η0. Таким образом, контакты с ионами металлов изменяют реологические особенности ГК, что может, в свою очередь, неблагоприятно затронуть его функциональные прикладные свойства. Организм содержит изобилие металлических ионов (особенно K+, Na+, Ca2+ и Mg2+), у которых поэтому есть потенциал, чтобы изменить вязкость управляемых материалов с ГК основой. Эффект Li+, кажется, будет более значимым, чем ожидалось (базируется исключительно на его заряде, размере, и т.д.), который особенно интересен с появлением значительного числа фармацевтических продуктов, содержащих литий. Эффекты более широкого диапазона ионов металлов более высокой валентности (например. Al3+, Ti4+ и Sn4+) должны быть исследованы, чтобы увидеть, могут ли дальнейшие Корреляции быть сделаны. Эффекты ионов таких металлов на вязкоупругие свойств ГК материалов (использование инерции & измерение колебаний), также заслуживают исследования.

 Задачи на определение атомных масс и их решения

Задачи

4.1. В реакции простого вещества, образованного элементом X, с водородом получаются соединения, принадлежащие к классу, аналогичному углеводородам. При гидрировании 5,000 г вещества X образовалось 5,628 г смеси X-аналогов метана и этана в мольном отношении 2:1.

Определите атомную массу элемента X. Приведите химический символ X и изобразите пространственное строение обоих продуктов реакции.

4.2. Данные, приведенные ниже, имеют большое историческое значение. Минерал аргиродит – это стехиометрическое соединение, которое содержит серебро (степень окисления +1), серу (степень окисления –2) и неизвестный элемент Y (степень окисления +4). Массовое соотношение серебра и элемента Y в аргиродите равно: m(Ag):m(Y) = 11,88:1.

Элемент Y образует красновато-коричневый низший сульфид (где Y имеет степень окисления +2) и белый высший сульфид (где Y имеет степень окисления +4). Низший сульфид образуется при нагревании аргиродита в токе водорода. Другие продукты этой реакции – Ag2S и H2S. Для количественного восстановления 10,0 г аргиродита потребовалось 0,295 л водорода при 400 K и

100 кПа.

Используя эту информацию, определите атомную массу элемента Y. Приведите химический символ Y и эмпирическую формулу аргиродита.

4.3. Атомные массы можно определять по спектроскопическим данным. Колебательную частоту в ИК-спектре можно рассчитать по закону Гука:

где ý – колебательная частота связи (см–1), c – скорость света, k – силовая постоянная связи (Н•м–1 = кг•с–1), μ – приведенная масса, которая для молекул типа AB4 дается выражением:

где m(A), m(B) – массы атомов.

Колебательная частота связи C–H в метане равна 3030,00 см–1, а колебательная частота для Z-аналога метана составляет 2938,45 см–1. Энергия связи C–H в метане равна 438,4 кДж•моль–1, а энергия связи Z–H в Z-аналоге метана составляет 450,2 кДж•моль–1.

Используя закон Гука, определите силовую постоянную k связи C–H. Рассчитайте силовую постоянную k связи Z–H, считая, что силовые постоянные прямо пропорциональны энергиям связей.

Определите атомную массу элемента Z.

Приведите химический символ Z.

 Решения

4.1. Запишем уравнение реакции образования двух гидридов элемента X в соотношении 2:1:

4X + 7H2 = 2XH4 + X2H6.

Скидка в массах продуктов реакции и простого вещества равна массе прореагировавшего водорода:

m(H2) = 5,628 – 5,000 = 0,628 г,

ý(H2) = 0,628/2 = 0,314 моль,

ý (X) = 0,314•4/7 = 0,179 моль.

А(X) = 5,000/0,179 = 28 г•моль–1 – это кремний Si.

Пространственное строение гидридов кремния такое же, как у соответствующих углеводородов:

4.2. Запишем эмпирическую формулу аргиродита в виде aAg2S•bYS2. Обозначим атомную массу элемента Y через А. Используем массовое соотношение элементов Ag и Y:

11,88:1 = m(Ag):m(Y) = (2a•108):(b•А).

Откуда a:b = 0,055А.

Теперь запишем уравнение реакции восстановления аргиродита водородом:

aAg2S•bYS2 + bH2 = aAg2S + bYS + bH2S.

ý (H2) = рV/RT = 100•0,295/(8,314•400) = 8,87•10–3 моль,

ý (aAg2S•bYS2) = 8,87•10–3/b моль,

M(aAg2S•bYS2) = 10,0b/(8,87•10–3) = 1127b = (2•108 + 32)a + (А + 2•32)b.

Откуда 248a = (1063 – А)b,

a:b = (1063 – А)/248 = 0,055А,

А = 72,6 г/моль–1,

a:b = 0,055•72,6 = 4:1.

Неизвестный элемент – германий Ge.

Именно из минерала аргиродита немецкий химик К.Винклер в 1886 г. выделил неизвестный ранее элемент и назвал его германием в честь своей родины. Винклер определил некоторые свойства нового элемента и его соединений и обнаружил, что они в точности совпадают с теми, которые были предсказаны за 15 лет до этого Д.И.Менделеевым на основании периодического закона.

Эмпирическая формула аргиродита – 4Ag2S•GeS2, или Ag8GeS6.

4.3. Найдем приведенную массу CH4:

Силовая постоянная связи C–H:

Силовую постоянную связи Z–H найдем по пропорции с энергиями связей:

Из силовой постоянной находим приведенную массу ZH4 и атомную массу Z:

Неизвестный элемент – германий Ge.

Ответы.

4.1. A(X) = 28 г•моль–1, X – Si;

4.2. A(Y) = 72,6 г•моль–1, Y – Ge, Ag8GeS6;

4.3. k(С–H) = 492,2 Н•м–1, k(Z–H) = 505,4 Н•м–1, A(Z) = 72,2 г•моль–1, Z – Ge.

Источники

ВикипедиЯ – свободная энциклопедия

ВНИИНМ им. Бочвара

ХиМиК – сайт о химии

Яндекс. Словари.

Справочник химика

wikipedia@PEDIA

medgel.ru

Опубликовано на forexAW.com: Четверг, 8 Октябрь, 2009 года — 18:39.

Последнее редактирование: Среда, 23 Февраль, 2011 года — 16:15.