Standardowe masy atomowestandardowa masa atomowa (Ar, standard)Standardowe masy atomowe pierwiastków były kiedyś uważane jako niezmienne i stałe wartości, umieszczane w układzie okresowym. Aktualnie te wartości określane są przez Komisję IUPAC ds. Masy Atomowej i Zawartości Izotopowych (CIAAW). Próbki izotopówizotopyizotopów pochodzą z wielu źródeł Ziemi, tak aby wartość ta mogła być szeroko stosowana jako „masa atomowamasa atomowamasa atomowa” dla rzeczywistych substancji – np. w farmaceutykach i badaniach naukowych. Standardowa masa atomowa ($A_{\mathrm{r}\left(\text{standard}\right)}$) zależy również od ilości stabilnych izotopów pierwiastka. Czyli im więcej danego izotopu, tym bardziej wpływa on na standardową masę atomową. Jednak zawartość izotopu może się również różnić w zależności od miejsca na Ziemi, co prowadzi do różnic w masie atomowej pierwiastka.

RN0434D9oajP0

Ilustracja przedstawia występowanie dwóch izotopów miedzi na Ziemi. Na ilustracji na jasnym tle zostało przedstawione niebieskie koło, podzielone na dwie nierówne części wskazujące procentową zawartość poszczególnych izotopów miedzi. 31 procent to miedź o liczbie masowej 65, 69 procent izotop miedzi o liczbie masowej 63. Pod kołem podano masę atomową 63,55.

W środowisku obecne są dwa izotopy: miedź–$63$ (o masie $62,9 \mathrm{u}$) i miedź–$65$ (o masie $64,9 \mathrm{u}$) o zawartości kolejno $69\%$ i $31\%$. Standardowa masa atomowa ($A_{\mathrm{r}\left(\text{standard}\right)}$) dla miedzi jest średnią z uwzględnieniem zawartości izotopów. Standardowa masa atomowa jest wielkością bezwymiarową.

$A_{\mathrm{r} \text{standard}}=\frac{\left(\text{masa pierwszego izotopu·zawartość}\%+\text{masa} \mathrm{n}-\text{tego} \text{izotopu}·\text{zawartość}\% \right)}{\text{suma} \text{zawartości}\% \text{wszystkich} \text{izotopów}}$

Spośród $118$ znanych pierwiastków chemicznych, $84$ są stabilneizotopy stabilnestabilne. Wartość standardowej masy atomowej odzwierciedla zawartość pierwiastków w środowisku Ziemi. Dla dwunastu pierwiastków, próbki z różnych miejsc różnią się zawartością, ponieważ ich źródła miały inną historię. Na przykład tal ($\text{Tl}$) w skałach osadowych ma inny skład izotopowy niż w skałach magmowych i gazach wulkanicznych. Dla tych pierwiastków standardowa masa atomowa jest oznaczana jako przedział: $A_{\mathrm{r}\left(\mathrm{standard}\right)\left(\mathrm{TI}\right)}=\left[204,38;204,39\right]$, co oznacza, że jest ona wartością z przedziału podanych liczb.

R1A0cbUsPgME9

Na ilustracji widoczne są 3 różowe kwadraty z niebieskim kołem w środku każdego z nich, przedstawiającym procentową zawartość izotopów trzech różnych pierwiastków: boru, węgla i azotu. Stabilne izotopy boru to bor o liczbie masowej 10 (19 procent) oraz bor o liczbie masowej 11 (81 procent). Podano masę atomową 10,806, 10,821. Stabilne izotopy węgla to: izotop o liczbie masowej 13 i izotop o liczbie masowej 12. Podano masę atomową 12,0096, 12,0116. Procentowa zawartość izotopu o liczbie masowej 12 wypełnia niemal całe koło. Stabilne izotopy azotu to azot o liczbie masowej 14 i 15. Podano liczbę atomową 14,006 43, 14,007 28. Izotop o liczbie masowej 14 wypełnia niemal 100 procent koła.

Weźmy pod uwagę dane z układu okresowego IUPAC, przedstawiającego notację przedziałową standardowych mas atomowych boru, węgla i azotu. Podając przykład: wykres kołowy dla boru pokazuje, że składa się z około $20\%$ ${}^{10}\text{B}$ i $80\%$ ${}^{11}\text{B}$. Ta mieszanina izotopów powoduje, że masa atomowa zwykłych ziemskich próbek boru powinna mieścić się w przedziale od $10,806$ do $10,821$, a z kolei ten przedział jest standardową masą atomową. Próbki boru z nietypowych źródeł, szczególnie tych nielądowych, mogą mieć masy atomowe, które wykraczają poza ten zakres. Metodą, która pozwala określić zawartości pierwiastków oraz ich izotopów w źródłach różnego pochodzenia, jest spektrometria masspektrometria masspektrometria mas – przyrząd, służący do dokonywania pomiaru, to analogicznie spektrometr mas.

Standardową masę atomową możemy obliczyć na podstawie widma masowegowidmo masowewidma masowego. Potrzebny będzie współczynnik $\frac{m}{z}$ każdego jonu (czyli stosunek masy do ładunku) oraz ich zawartość procentowa. Współczynnik $\frac{m}{z}$ jest odczytywany z widma masowego.

Można zauważyć, że $A_{\mathrm{r}}$ jest bliskie wartości $24$. Dzieje się tak, ponieważ ${}^{24}\mathrm{Mg}$ ma znacznie większą zawartość (w porównaniu do dwóch pozostałych izotopów).

Spektrometry masowe mogą wykrywać śladowe zanieczyszczenia w atmosferze, dostarczać informacji o składzie dużych cząsteczek i pomagać w określeniu wieku najstarszych skał Ziemi. Również spektrometry masowe mogą znaleźć standardową zawartość każdego izotopu pierwiastka.

W $1912$ r. J. J. Thompson po raz pierwszy wykrył ${}^{20}\mathrm{Ne}$ i ${}^{22}\mathrm{Ne}$ w próbce neonu, który był w stanie gazowym. Posłużył się do tego polem magnetycznym, by oddzielić izotopy. Współczesne spektrometry masowe również wykorzystują pole magnetyczne do rozdzielania izotopów pierwiastka. Ponieważ pole magnetyczne może wpływać tylko na cząstki posiadające ładunek elektryczny, atomy muszą najpierw zostać „zjonizowane”. Następnie pole magnetyczne odchyla jony o tym samym ładunku, ale o różnych masach. Jony kierowane są do detektora, który zamienia w sposób ilościowy sygnał w postaci prądu jonowego na sygnał elektryczny. Jest on następnie rejestrowany przez komputer w postaci widma stosunku masy do ładunku elektrycznego (nazywanego często widmem masowym).

RaGOg6y29lKZP

Na obrazie widoczny jest schemat spektrometru masowego. Na początku spektrometru znajdują się: jonizator, wlot gazu, elektroda odpychająca, pułapka na elektrony, akcelerator jonów i elektroda skupiająca. Spektrometr mas z analizatorem typu sektor magnetyczny wykorzystuje zjawisko zmiany toru lotu jonów w polu magnetycznym – jony przechodzą przez magnes. Tor lotu jonów jest zakrzywiany, promień toru zależy od stosunku masy do ładunku (m/z) i prędkości jonu, a także od parametrów pola magnetycznego. Na końcu analizatora znajduje się detektor. Jony przechodzą przez puszki Faradaya, uzyskuje się prąd. Na końcu schematu spektrometru znajdują się wzmacniacze.

Poniżej przedstawione zostało widmo masowe, które przedstawia względną zawartość izotopów neonu.

REYIOBYcWFeZ0

Wykres uwzględniający procentową zawartość izotopów neonu w próbce. Pionowa oś to skala zawartości procentowej próbki, a pozioma oś dotyczy próbek izotopów, których jest 3. Pierwsza pionowa linia to pierwszy izotop, którego jest najwięcej - neon o liczbie masowej 20 - 90,5 procent, następne 2 to koleje izotopy, których jest mniej w próbce - neon o liczbie masowej 21 - 0,3 procent i neon o liczbie masowej 22 - 9,2 procent.

Widmo masowe na osi poziomej przedstawia stosunek $\frac{m}{z}$ każdego jonu, czyli stosunek masy do ładunku. To bardzo przydatna informacja, ponieważ oznacza, że spektrometr mas może pokazać, które izotopy znajdują się w określonej próbce. Na osi pionowej pokazuje względną zawartość każdego jonu, podawaną zazwyczaj w procentach. Jest to proporcja każdego jonu w próbce. Na podstawie tych danych można wyznaczyć standardową masę atomową pierwiastka w próbce.

Rg3L1zgLyaUCi

Na obrazie widoczny jest spektrometr masowy, służący do pomiaru stosunku masy do ładunku elektrycznego danego jonu. Po prawej stronie widać metalową kopułę, po lewej stronie liczna kable i metalowe części urządzenia. Są umieszczone na stołach laboratoryjnych.

Słownik

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Meija J., Coplen T. B., Berglund M., Brand W. A., De Bièvre P., Gröning M., Holden N. E., Irrgeher J., Loss R. D., Walczyk T., Prohaska T., Atomic weights of the elements 2013, „Pure and Applied Chemistry” 2016, 3, t. 88.

Saunders N., Saunders A., AS Chemistry, Oxford 2007.

Wieser M. E., Atomic weights od the Elements 2005, „Pure and Applied Chemistry” 2006, 11, t. 78, s. 2051‑2066.