В природе элементы за редким исключением существуют в виде смесей из нескольких изотопов. Это ведет к тому, что атомный вес природного элемента несколько отличается от атомного веса любого из его чистых изотопов. Легче всего это понять из таблицы 1, где приведены атомные веса природных элементов и их изотопный состав.

Таблица 1. Символы, названия, атомные веса и природный изотопный состав некоторых химических элементов.

Элемент и его символ с массовым числом и зарядом ядра	Латинское название (как читается)	Атомный вес природного элемента	Атомный вес изотопов	Содержание изотопов в природном элементе, %
Водород 11H 21H (D)	Hydrogenium (гидрогениум)	1,0079	...... 1,0078 2,0140	...... 99,984 0,0156
Углерод 126C 136C	Carboneum (карбониум)	12,011	...... 12,00000 13,00335	...... 98,892 1,108
Азот 147N 157N	Nitrogenium (нитрогениум)	14,0067	...... 14,00307 15,00011	...... 99,635 0,365
Кислород 168O 178O 188O	Oxygenium (оксигениум)	15,9994	...... 15,99491 16,9991 17,9992	...... 99,759 0,037 0,204
Натрий 2311Na	Natrium (натриум)	22,9898	...... 22,9898	...... 100
Хлор 3517Cl 3717Cl	Chlorum (хлорум)	35,453	...... 34,96885 36,9658	...... 75,53 24,47

Названия элементов на латинском и русском языке и латинские символы этих элементов приведены для того, чтобы мы постепенно начинали знакомиться со всеми элементами. Из таблицы видно, что средний измеренный атомный вес найденного в природе элемента зависит от того, сколько в нем содержится разных изотопов.

Итак, в первой колонке таблицы 1 приведено русское название элемента. Ниже - латинский символ элемента, связанный обычно с его латинским названием. Слева вверху от символа элемента указываются массовое число (сумма протонов и нейтронов в ядре), а слева внизу - заряд ядра атома (количество протонов). Например:

Как видно из таблицы 1, атомные веса элементов, найденных в природе в виде единственного изотопа (например, натрия), в точности равны атомному весу этого изотопа. Иначе обстоит дело с элементами, которые существуют на Земле в виде нескольких изотопов (например, хлор, кислород): их атомный вес зависит от того, какой изотоп этого элемента наиболее распространен и сколько в нем "примесей" других изотопов этого элемента.

** 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 а.е.м.

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 а.е.м. 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. 1. Например, атомный вес единственного изотопа натрия ²³₁₁Na немного меньше, чем 23 а.е.м. Но нам уже известно, что 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.

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

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 M = Е/c², где M - дефект массы, а E - 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.

Иначе обстоит дело с названиями и символами элементов. Это один из немногих разделов химии, который требует простого запоминания. В таблице 2 приведены названия и символы некоторых наиболее известных и распространенных химических элементов. Интересно, что во многих случаях русские и латинские названия элементов расходятся довольно сильно - и это естественно, потому что в России химическая наука (и связанное с ней производство) развивались самостоятельно и необходимые термины вводились в язык по мере того, как в них возникала потребность.

На первый взгляд кажется, что запомнить названия и символы элементов чрезвычайно трудно. К счастью, необходимо знать не все, а только важнейшие элементы. Например, только те, которые представлены в таблице 2. Кроме того, в конце этой главы мы расскажем о том, как можно довольно легко и весело помочь себе в этом нелегком деле.

Таблица 2. Названия и символы некоторых элементов.

Русское название	Латинское название	Символ	Русское название	Латинское название	Символ
Азот	Nitrogenium	N	Мышьяк	Arsenicum	As
Алюминий	Aluminium	Al	Натрий	Natrium	Na
Барий	Barium	Ba	Никель	Niccolum	Ni
Бериллий	Beryllium	Be	Олово	Stannum	Sn
Бор	Borum	B	Платина	Platinum	Pt
Бром	Bromum	Br	Плутоний	Plutonium	Pu
Водород	Hydrogenium	H	Ртуть	Hydrargyrum	Hg
Железо	Ferrum	Fe	Свинец	Plumbum	Pb
Золото	Aurum	Au	Сера	Sulfur	S
Иод	Iodum	I	Серебро	Argentum	Ag
Калий	Kalium	K	Сурьма	Stibium	Sb
Кальций	Calcium	Ca	Титан	Titanum	Ti
Кислород	Oxygenium	O	Углерод	Carboneum	C
Кобальт	Cobaltum	Co	Уран	Uranum	U
Кремний	Silicium	Si	Фосфор	Phosphorus	P
Литий	Lithium	Li	Фтор	Fluorum	F
Магний	Magnesium	Mg	Хлор	Chlorum	Cl
Марганец	Marganum	Mn	Хром	Chromium	Cr
Медь	Cuprum	Cu	Цезий	Caesium	Cs
Молибден	Molybdaenum	Mo	Цинк	Zincum	Zn

Задачи

1. Сколько протонов и сколько нейтронов содержится в ядре атома кислорода ¹⁶₈О?

2. Сколько протонов, нейтронов и электронов содержится в атоме элемента бора ¹¹₅B?

3. Сколько электронов содержится в электронной оболочке иона натрия ²³₁₁Na⁺¹ ?

4. В атоме элемента кальция 20 протонов и 20 нейтронов. Какой заряд несет ион кальция с 18 электронами в электронной оболочке? Напишите латинский символ этого иона.

** 5. Элемент сурьма (₅₁Sb) состоит из двух изотопов: ¹²¹₅₁Sb (57%) и ¹²³₅₁Sb (43%). Какова относительная атомная масса (атомный вес) природной сурьмы?

** 6 (НГУ). В каком соотношении находятся природные изотопы меди: ⁶³Cu и ⁶⁵Cu? Относительная атомная масса (атомный вес) природной меди 63,5 а.е.м. Каков состав ядра атома каждого из этих изотопов (сколько в ядрах их атомов протонов и нейтронов)?

7. Заполните пропуски в таблице: