Атомная масса: капризные закономерности

Все разнообразие существующих веществ объясняется комбинациями разных видов атомов. Так получилось, что видов этих атомов – чуть больше сотни на сегодняшний день. Но они – ребята довольно капризные, и объединяются друг с другом не по правилам комбинаторики, а в соответствии с законами химии. И все равно, количество веществ огромно, оно растет. А вот количество известных химических элементов почти не увеличивается. Каждый из них уникален и имеет свой «портрет». И главная черта всякого элемента – атомная масса.

Единица этой массы – число очень маленькое. Ни один из имеющихся видов атомов не подходил идеально как кандидатура на то, чтобы быть единицей массы (но ближе всех был легкий водород). В результате ученые решили взять удобное для расчетов число – одну двенадцатую абсолютной массы такого элемента, как углерод. Оказалось, это количество очень хорошо выражает соотношения, в которых атомы элементов находятся друг к другу. Итак, атомная единица массы была признана за число в очень маленькой степени, это небольшая цифра "десять в степени минус двадцать седьмая".

Понятно, что пользоваться именно таким числом неудобно. Сами понимаете, при расчетах всюду таскать эту минус двадцать седьмую степень не с руки, да и в результате числа могут оказаться такими же неудобными, громоздкими. Что делать? Применять такую единицу, как относительная атомная масса элемента. Что же это такое? Делается все очень просто – берется абсолютная атомная масса (число крайне неудобное, почти с той же минусовой степенью), делится на нашу одну двенадцатую массы углерода. И что? Правильно, степени сокращаются и получается вполне приличное число. Например, шестнадцать для атома кислорода, четырнадцать – для азота. Углерод, логично, будет иметь массу двенадцать. А атомная масса водорода – один, хотя и не ровно один, что доказывает то, что все же не водород был взят для расчетов, хотя число, к его массе очень близкое.

Тогда почему относительные атомные массы каждого элемента – числа не совсем красивые, нецелые? Все дело в том, что элементы, хоть и являясь видами атомов, в рамках вида позволяют себе некоторое «разнообразие». Некоторые из них нестабильны, проще говоря, очень легко самопроизвольно разрушаются. Но ведь какое-то время существуют, поэтому их игнорировать нельзя. Бывает, и стабильный в целом вид элементов включает в себя подвиды с разной атомной массой. Их называют изотопами. Это в переводе означает, что они занимают одну клеточку известной каждому школьнику таблицы – да, вы угадали правильно, таблицы Менделеева.

Но разве атомная масса делает элемент элементом? Вовсе нет, элемент характеризуется гораздо более фундаментальным числом протонов в ядре. Вот оно дробным быть не может и означает положительный заряд ядра. У «спокойного» атома электронов столько же, сколько протонов в ядре, а потому уважающий себя атом электрически нейтрален. По заряду ядра атомы и выстраиваются в последовательность в таблице Менделеева, а вот их массы иногда этому закону не подчиняются. Поэтому есть случаи-исключения, когда более тяжелый атом в последовательности таблицы стоит раньше. Ну за это стоит винить исключительно изотопы. Природа «захотела», чтобы тяжелых изотопов было много для данного элемента. А ведь относительную атомную массу выставляют пропорционально количествам разных изотопов. Проще говоря, если в природе больше тяжелых изотопов – атомная масса будет побольше, если больше легких – то поменьше. Так и получаются парадоксы системы Менделеева.

На самом деле, сказанное об атомной массе несколько упрощено. Есть и более глубокие и серьезные закономерности, касающиеся таблицы Менделеева. Но они требуют отдельной статьи, возможно, мы вернемся к их рассмотрению позже, уважаемый читатель.