Дефект массы - уменьшение массы атома по сравнению с суммарной массой всех отдельно взятых составляющих его элементарных частиц, обусловленное энергией их связи в атоме

Атомный вес элемента равен среднему значению из атомных весов всех его природных изотопов с учетом их распространенности.

Например, элемент хлор в природе находится в виде двух изотопов: хлор-35 и хлор-37. Их содержание составляет 75,53% и 24,47% (см. табл. 2-2). Если общее содержание двух изотопов хлора в сумме принять за единицу, то одного из них - примерно 0,75 и другого - примерно 0,25 (в долях единицы). Тогда атомный вес природной смеси двух изотопов хлора округленно равен:

34,97× 0,75 + 36,96× 0,25 = 35,5.

Можно решать и обратную задачу. Допустим, точно известно, что природный хлор состоит из двух изотопов ³⁵Cl и ³⁷Cl. Найденный в эксперименте атомный вес природного хлора составил 35,5. Сколько каждого изотопа содержится в природном хлоре? Если принять сумму изотопов за единицу, а содержание, например, ³⁵Cl за x, то содержание изотопа ³⁷Cl составит (1 - x). Тогда: 35x + 37(1 - x) = 35,5. Решив это простое уравнение, получим содержание изотопа ³⁵Cl равным 0,75 или 75%.

Есть еще один важный фактор, влияющий (хотя и в меньшей степени) на атомный вес элемента - дефект массы. Внимательный читатель мог заметить некоторые "странности" в табл. 2-2. Например, атомная масса единственного изотопа натрия ²³₁₁Na немного меньше, чем 23 а.е.м. Массы протона и нейтрона чуть больше 1 а.е.м. Почему же атом натрия, содержаший в своем ядре 11 протонов и 12 нейтронов имеет массу меньше 23 (22,9898 а.е.м.)? То же явление хорошо заметно для изотопов кислорода и хлора (см. табл. 2-2). Дело в том, что связывание между собой одноименно заряженных протонов в ядрах атомов требует больших затрат энергии. Нейтроны тоже участвуют в этом связывании, выполняя роль своеобразного ядерного "клея". При этом часть массы протонов и нейтронов переходит в энергию связывания нуклонов в ядре. Такая потеря массы протонов и нейтронов, возникающая в результате их связывания, называется дефектом массы.

Если "разобрать" ядро атома на отдельные протоны и нейтроны (например, с помощью ядерной реакции), то их масса вновь примет именно те значения, которые нам уже известны: 1,00728 а.е.м. для протона и 1,00867 а.е.м. для нейтрона.

Дефект массы является следствием универсального соотношения E = Mc², вытекающего из теории относительности А. Эйнштейна, где E - полная энергия системы, c = 3 ^. 10¹⁰ см/сек - скорость света в пустоте, M - масса системы (в нашем случае - атома). Тогда DM = DЕ/c², где DM - дефект массы, а DE - энергия связи нуклонов в ядре, т.е. энергия, которую необходимо затратить для разделения ядра атома на отдельные протоны и нейтроны. Таким образом, чем больше дефект массы, тем больше энергия связывания нуклонов в ядре и тем устойчивее ядро атома элемента. С увеличением числа протонов в ядре (и массового числа) дефект массы сначала возрастает от нуля (для ¹H) до максимума (у ⁶⁴Ni), а затем постепенно убывает для более тяжелых элементов.

Нет никакой необходимости запоминать изотопный состав, заряд ядра, массовые числа и атомные веса разных элементов. Эти значения всегда можно найти в справочниках. Важно понимать физический смысл этих величин. В химии традиционно используются не абсолютные значения атомных масс, а относительные. Относительной атомной массой А_r химического элемента называется величина, равная отношению средней массы атома естественного изотопического состава элемента к 1/12 массы атома углерода-12. Относительной молекулярной массой М_r химического вещества называется величина, равная отношению средней массы молекулы естественного изотопического состава вещества к 1/12 массы атома углерода-12.

Любое химическое вещество характеризуется количеством вещества. Количество вещества – это число структурных элементов (атомов, молекул, ионов и др.) в системе. Единицей измерения количества вещества является моль. Моль – количество вещества системы, которое содержит столько структурных элементов (молекул, атомов, ионов, электронов и т.д.), сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода-12. Массу одного моля называют молярной массой. Единица измерения – г/моль или кг/моль.

Познание химии как одной из важнейших фундаментов естественных наук необходимо для формирования научного мировоззрения. Изучение химии играет важную роль образного мышления в творческом росте будущих специалистов. Важную роль играет химия в жизни каждого человека, в его практической деятельности. Особенно велико значение науки о веществе в технике, развитие которой немыслимо без понимания процессов превращения веществ. Глубокое понимание законов химии, их применение позволяют как совершенствовать существующие, так и создавать новые процессы, машины, установки и приборы. Химизация народного хозяйства является одним из важнейших путей интенсификации его развития.

Химические реакции широко используются во многих производственных процессах. Они (например, процессы окисления, коррозии и др.) протекают при работе установок, машин и приборов. Получение электроэнергии, топлива, металлов, различных материалов, продуктов питания и т.п. непосредственно связано с химическими реакциями. В настоящее время, например, электрическую и механическую энергии получают, в основном, преобразованием химической энергии природного топлива. В процессе преобразования происходят сложные химические реакции: горения, взаимодействия воды и ее примесей с металлами и т.п. Без понимания этих процессов невозможно обеспечить эффективную работу электростанций и двигателей внутреннего сгорания.

Использование химических реакций в ряде производственных процессов позволяет резко повышать производительность труда и качество продукции, получать новые материалы.

Понимание законов химии и их использование исключительно важно при решении проблемы повышения эффективности производства и качества продукции, так как ухудшение качества и надежности продукции во многих случаях вызывается нежелательными химическими процессами, например коррозией металлов, старением полимеров и т.п. Изучение механизмов химических реакций позволяет выбрать рациональные методы охраны окружающей среды, создавать новые безвредные процессы. Химизация любой отрасли народного хозяйства приносит большой экономический эффект.

Возросла роль химии в развитии электротехники, микроэлектроники, радиотехники, космической техники, автоматики и вычислительной техники. Для развития новой техники необходимы материалы с особыми свойствами, которых нет в природе: сверхчистые, сверхтвердые, сверхпроводящие, жаростойкие и т.п. Такие материалы поставляет современная химическая промышленность, поэтому можно понять важность изучения химии для любой специальности. В электротехнической промышленности, более 80 % продукции выпускается с применением полимерных материалов.