原子量

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  原子量汉语拼音:Yuanziliang;英语:Atomic weight),以12C的原子质量的1/12为基准的各种元素的相对平均质量。无单位,在数值上等于元素的以克/摩表示的摩尔质量。又称相对原子质量。所谓“平均质量”是对一种元素的不同同位素而言。元素E的原子量用符号Ar(E)表示。地壳中共存在94种元素,其中84种元素有原子量,包括3种寿命很长的放射性元素。而10种无稳定同位素的放射性元素以及19种经人工核反应生成的放射性元素均无原子量可言,一般录用该元素最长寿命同位素的质量数。

原子量标度[编辑 | 编辑源代码]

  原子量并非原子的真实质量。原子的真实质量很小。例如一个12C原子的真实质量只有1.99×10-23克。即使自然界最重的元素铀,它的一个原子也只有3.95×10-22克。这样的数值实际上无法测量,也不便使用。一般是先确定某一元素或同位素作为基准,其他元素的原子量则是相对于基准的比值。1803年,J.道尔顿发表第一张原子量表时以Ar(H)=1为基准。1826年J.J.贝采利乌斯改用Ar(O)=100为基准。1860年J.-S.斯塔为使原子量的数值小一些且又大于1,建议改用Ar(O)=16为基准,此为原子量的化学标度。1929年W.F.吉奥克H.L.约翰斯顿发现天然氧中有16O、17O、18O 3种同位素,其丰度在自然界的不同样品中有差异,因此用元素氧作基准显然不够合理。物理学界即改用Ar(16O)=16为基准,称为原子量的物理标度,而化学界仍使用化学标度。在1961年以前,两种标度同时存在。由于化学与物理密切相关,基准不同必将造成混乱,为了统一标度,J.H.马陶赫等提议以Ar(12C)=12为基准。1960年国际纯粹与应用物理学联合会(IUPAP)正式批准了这个建议。次年化学界也在有关原子量会议上通过采用新的原子量基准。至此,化学和物理有了统一的原子量标度,并一直沿用至今。新旧基准原子量的换算可表示如下:

    新标度原子量=0.999,682,184×物理原子量
          =0.999,957,096×化学原子量

  国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)下属的国际原子量与同位素丰度委员会(CAWIA)负责原子量的评论、审订与修改,每两年公布一次新的原子量表。

原子量准确度[编辑 | 编辑源代码]

  元素周期表中原子量数值后括弧内的数字表示原子量末位上的不确定度。它一方面来源于测定的实验误差,另一方面则来源于天然样品中的同位素丰度差异。前者包括同位素质量的测定误差和同位素天然丰度的测定误差。由于同位素质量的测定准确度很高,因此误差主要来源于同位素丰度的测定。一般来说,单同位素元素具有准确度较高的原子量。在测定原子量时,应搜集自然界存在的不同来源的多种样品进行测定,以观察其同位素组成的差异。被测定的样品可以是天然存在的样品(如矿物、空气、水等),也可以是化学工业的未经同位素分离的产品。一般来说,在测定水平相同的前提下,元素的同位素越多,测定误差越大;某种同位素的天然丰度越小,它对总的测定误差的影响越小。

原子量测定[编辑 | 编辑源代码]

  早期用化学法测定原子量。贝采利乌斯斯塔T.W.理查兹G.P.巴克斯特O.赫尼希施密德等均使用化学法测定原子量。其中以哈佛大学理查兹等创立的“哈佛法”为最佳,该方法是先制备出待测元素的高纯的氯(溴)化物,溶解后用银离子沉淀其中的Cl-(Br-),测定等物质的量的氯(溴)化物与氯(溴)化银或银的重量比,副标准银、氯、溴等的原子量已准确测定,因此可算出待测元素的原子量。中国梁树权和他的导师赫尼希施密德曾于1939年用“哈佛法”精确测定了铁的原子量。

  进入20世纪后,随着质谱技术的兴起和质谱仪器的不断改进,从40年代开始用质谱法测定原子量,该法是以同位素为基础的。如元素E有i种同位素,则其原子量:

    Ar(E)=∑fimi

  式中fi为相应同位素的原子分数;mi为相应同位素的质量。如元素氧有3种稳定同位素16O、17O、18O,它们在自然界的丰度分别为99.762%、0.038%、0.200%。因此氧的原子量:

    Ar(O)=f16m16+f17m17+f18m18
       =0.997,62m16+0.000,38m17+0.002m18

  fi可由质谱上测定的同位素比求得,mi可在质谱上用质量双线法等测定。由于mi测定的准确度很高,对多同位素的元素,主要是要精确测定fi


  原子在质谱仪中蒸发、电离、扩散乃至接收测量均与质量有关,存在所谓“质量歧视”效应。校准质谱法对质谱仪的“质量歧视”效应做了校准,保证了测定的准确度。是测定原子量的最佳方法。

  美国国家标准局(NBS)做了大量原子量的测量工作,处于世界领先地位;另外欧共体核测量中央局(CBNM)、澳大利亚加拿大日本等也做了许多工作。中国张青莲教授主持的研究组在质谱法和校准质谱法测定原子量方面做了不少工作,他们测定的锑、铕、铈、铒、锗、锌、镝、钐、铟、铱的原子量被CAWIA采纳为国际原子量的新标准,其中前8个元素均采用校准质谱法。所测锑、铕、铈的原子量数据相对准确度优于十万分之一,代表了国际当代最佳水平。根据他们所测的锗原子量,将原有的锗原子量作了较大的变更,变更量达0.03,解决了几十年来悬而未决的化学值与质谱值分歧较大的难题。