Молярная масса определение в физике. Старт в науке

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

При изучение химии и физики важную роль играют такие понятия как «атом», «относительная атомная и молярная массы химического элемента». Казалось бы, ничего нового в этой области уже давно не открывается. Однако, Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) ежегодно уточняет значения атомных масс химических элементов. За последние 20 лет были скорректированы атомные массы 36 элементов, причем 18 из них не имеют изотопов.

Принимая участие во Всероссийском очном туре олимпиады по естествознанию, нам была предложена задача следующего содержания: «Предложите способ определения молярной массы вещества в условиях школьной лаборатории».

Данное задание было чисто теоретическим и я успешно с ним справилась. Вот я и решила экспериментально, в условиях школьной лаборатории, рассчитать молярную массу вещества.

Цель:

Определить экспериментально молярную массу вещества в условиях школьной лаборатории.

Задачи:

Изучить научную литературу, в которой рассказывается о способах вычисления относительной атомной и молярной массы.

Экспериментально определить молярную массу вещества, находящихся в газообразном и твердом состояниях, с помощью физических методов.

Сделать выводы.

II. Основная часть

Основные понятия:

Относительная атомная масса - это масса химического элемента, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.). За 1 а.е.м. принята 1/12 часть массы изотопа углерода с атомным весом 12. 1 а.е.м.=1,6605655·10 -27 кг.

Относительная атомная масса - показывает во сколько раз масса данного атома химического элемента больше 1/12 массы изотопа 12 С.

Изотопы - атомы одного химического элемента, имеющие разное количество нейтронов, и одинаковое число протонов в ядре, следовательно, имеющие разные относительные атомные массы.

Молярная масса вещества — эта масса вещества, взятого в количестве 1 моль.

1 моль - это такое количество вещества, которое содержит столько же атомов (молекул), сколько их содержится в 12г углерода.

Удельная теплоемкость вещества - это физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты необходимо сообщить тему массой 1кг, чтобы изменить его температуру на 1 0 С.

Теплоемкость- это произведение удельной теплоемкости вещества и его массы.

История определения атомных масс химических элементов:

Проанализировав различные источники литературы об истории определения относительных атомных масс различных химических элементов, я решил свести данные в таблицу, что достаточно удобно, т.к. в различных источниках литературы сведения даются расплывчато:

ФИО ученого, год	Вклад в изучение и определение относительных атомных масс	Примечание
Джон Дальтон	Понятно, что непосредственно взвесить атомы невозможно. Дальтон рассуждал только о «соотношении весов мельчайших частиц газообразных и других тел», то есть об относительных их массах. В качестве единицы массы Дальтон принял массу атома водорода, а для нахождения масс других атомов он использовал найденные разными исследователями процентные составы различных соединений водорода с другими элементами. Дальтон составил первую в мире таблицу относительных атомных масс некоторых элементов.
Уильям Праут (англ.)	Высказал предположение, что из самого легкого элемента - водорода путем конденсации могли возникнуть все остальные элементы. В этом случае атомные массы всех элементов должны быть кратны массе атома водорода. За единицу атомной массы он предлагал выбрать водород.	Только в последую- щие годы оказалось, что гипотеза Праута фактически подтверди- лась: все элементы действите-льно образова-лись при взрыве сверхновых звезд из ядер атомов водорода - протонов, а также нейтронов.
1819 Дюлонг П.И., А.Т.Пти:	Эмпирическое правило: произведение атомной массы на теплоемкость - величина постоянная. Правило до сих пор используется для определения относительной атомной массы некоторых веществ	Берцелиус на основании правила исправил некоторые атомные массы металлов
Стас, Ричардс	Уточнение относительной атомной массы некоторых элементов.
С. Ка-ниццаро	Определение относительной атомной массы некоторых элементов через определение известные относительные молекулярные массы летучих соединений элементов
Стас, Бельгия	Предложил изменить атомную единицу массы и выбрать в качестве нового стандарта атом кислорода. Масса атома кислорода принималась равной 16,000 единицей измерения стала 1/16 этой массы кислорода.
	Полное опровержение гипотезы Праута на основании определения соотношения масс химических элементов в некоторых соединениях
Д.И.Менделеев	Определил и исправил на основе периодической таблицы относительные атомные массы некоторых известных и еще не открытых химических элементов.
	Была утверждена так называемая кислородная шкала, где за эталон принималась масса атома кислорода
Теодор Уильям Ричардс	В начале 20 в. очень точно определил атомные массы 25 химических элементов и исправил ошибки, допущенные ранее другими химиками.
	Создан масс-спектограф для определения относительных атомных масс
	За атомную единицу массы (а.е.м.) была принята 1/12 массы изотопа углерода 12С (углеродная единица). (1 а.е.м., или 1D (дальтон), в СИ-единицах массы составляет 1,6605710-27 кг.)

Зная относительную атомную массу атома, можно определить молярную массу вещества: М= Аr·10̄ ³ кг/моль

Способы определения молекулярных масс элементов:

Атомную и молекулярную массу можно определить либо физическими, либо химическими методами. Химические методы отличаются тем, что на одном из этапов в них фигурируют не сами атомы, а их комбинации.

Физические методы:

1 способ. Закон Дюлога и Пти

В 1819 г. Дюлонг совместно с А.Т. Пти, установил закон теплоёмкости твёрдых тел, согласно которому произведение удельных теплоёмкостей простых твёрдых тел на относительную атомную массу образующих элементов есть величина приблизительно постоянная (в современных единицах измерения равная примерно Сv·Аr = 25,12 Дж/(г.К)); ныне это соотношение носит название «закон Дюлонга - Пти». Закон удельной теплоёмкости, довольно долгое время остававшийся незамеченным современниками, послужил впоследствии основой метода приближённой оценки атомных масс тяжёлых элементов. Из закона Дюлонга и Пти следует, что разделив 25,12 на удельную теплоёмкость простого вещества, легко определяемую экспериментально, можно найти приблизительное значение относительной атомной массы данного элемента. А зная относительную атомную массу элемента, можно определить молярную массу вещества.

М=Мr·10̵ ³ кг/моль

На начальном этапе развития физики и химии удельную теплоемкость элемента было легче определить, чем многие другие параметры, поэтому при помощи этого закона устанавливали приблизительные значения ОТНОСИТЕЛЬНОЙ АТОМНОЙ МАССЫ.

Значит, Ar=25,12/c

с- удельная теплоемкость вещества

Для определения удельной теплоемкости твердого тела, проведем следующий опыт:

Q1=c1m1(t-t1 ), где Q1- количество теплоты, отданное водой в результате теплообмена, с1 -удельная теплоемкость воды (табличная величина), m1 - масса воды, t -конечная температура, t 1 - начальная температура воды, Q2=c2m2(t-t2 ), где Q2- количество теплоты, полученное твердым телом в результате теплообмена, с2 -удельная теплоемкость вещества (нужно определить), m2 - масса вещества, t 2 - начальная температура исследуемого тела, т.к. уравнение теплового баланса имеет вид: Q1 + Q2 = 0 ,

тогда c2 = c1m1(t-t1) /(- m2(t-t2 ))

						c, Дж/ (кг 0 К)

Среднее значение относительной атомной массы вещества получилось

Аr = 26, 5 а.е.м.

Следовательно, молярная масс а равна М =0,0265 кг/моль .

Твердое тело- алюминиевый брусок

2 способ. Рассчитаем молярную массу воздуха.

Используя, условие равновесия системы, можно так же рассчитать молярную массу вещества, например газа, например воздуха.

Fa = Fтяж (сила Архимеда, действующая на воздушный шар уравновешивается суммарной силой тяжестью, действующей на оболочку шара, газ, находящийся в шаре, и груз, подвешенный к шару.). Конечно учитывая, что шар завис в воздухе (он не подымается и не опускается).

Fa - сила Архимеда, действующая на шарик, находящийся в воздухе

Fa =ρвg Vш

ρв - плотноть воздуха

F1 - сила тяжести, действующая на оболочку шара и газ (гелий), находящийся внутри шара

F1=mоб·g + mгел · g

F2 - сила тяжести, действующая на на груз

F2=mгр·g

Получим формулу: ρвg Vш = mоб·g + mгел · g + mгр·g (1)

Воспользуемся формулой Менделеева-Клапейрона для расчета молярной массы воздуха:

Выразим молярную массу воздуха:

В уравнение (3) подставим вместо плотности воздуха уравнение (2). Итак, мы получили формулу для расчета молярной массы воздуха:

Следовательно, чтобы найти молярную массу воздуха, нужно измерить:

1) массу груза

2) массу гелия

3) массу оболочки

4) температуру воздуха

5) давление воздуха (атмосферное давление)

6) объем шара

R - универсальная газовая постоянная, R=8,31 Дж/(моль·К )

Барометр показал атмосферное давление

равное ра =96000Па

Температура воздуха в помещении:

Т=23 +273=297К

Массу груза и массу оболочки шара мы определили с помощью электронных весов:

mгр =8,02г

масса оболочки шара:

mоб = 3,15г

Объем шара мы определили двумя способами:

а) наш шарик оказался круглым. Измерив в нескольких местах длину окружности обхвата шарика, мы определили радиус шара. А затем и его объем: V=4/3·πR³

L=2πR, Lср= 85,8см= 0,858м, следовательно R=0,137м

Vш= 0,0107м³

б) налили воду в ведро до самого края, предварительно поставив его с ванночку для слива воды. Опустили полностью в воду шарик, часть воды вылилась в ванночку под ведром, измерив объем вылитой воды из ведра, мы определили объем воздушного шарика: Vводы=Vш= 0,011м³

(Ша рик на рисунке ближе находился к фотокамере, поэтому кажется большего размера)

Итак, для расчета мы взяли среднее значение объемы шарика:

Vш= 0,0109м³

Массу гелия в определим с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона, учитывая, что температура гелия равна температуре воздуха, а давление гелия внутри шарика равно атмосферному.

Молярная масса гелия 0,004 кг/моль:

mгел = 0,00169 кг

Подставив все результаты измерения в формулу (4), получим значение молярной массы воздуха:

М= 0,030 кг/моль

(табл значение молярной массы

воздуха 0,029 кг/моль)

Вывод: в школьной лаборатории можно определить физическими методами относительную атомную массу химического элемента и молярную массу вещества. Проделав данную работу, я многое узнала о способах определения относительной атомной массы. Конечно, многие способы недоступны для школьной лаборатории, но, тем не менее, даже используя элементарное оборудование, я смога экспериментально физическими способами определить относительную атомную массу химического элемента и молярную массу вещества. Следовательно, цель и задачи, поставленные в этой работе, я выполнила.

Список использованной литературы

alhimik.ru

alhimikov.net

https://ru.wikipedia.org/wiki/Молярная_масса

Г. И. Дерябина, Г. В. Кантария. 2.2.Моль,молярная масса. Органическая химия: вебучебник.

http://kf.info.urfu.ru/glavnaja/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Молярная_масса h

И умение производить вычисления, конечно же. Например, широко известное вещество – серная . Оно находит настолько широкое в самых разных отраслях , что по праву носит название « химии». Какова ее ?

Напишите точную формулу серной кислоты: H2SO4. А теперь возьмите таблицу Менделеева и посмотрите, каковы атомные массы всех элементов, входящих в ее состав. Этих элементов три – водород, сера и кислород. Атомная масс водорода равна 1, серы – 32, кислорода – 16. Следовательно, суммарная молекулярная масса серной кислоты, с учетом индексов, равна: 1*2 + 32 + 16*4 = 98 а.е.м (атомных единиц массы).

А теперь давайте вспомним еще одно моля: это количество вещества , масса которого в численно равна его массе, выраженной в атомных единицах. Таким образом, получается, что 1 моль серной кислоты весит 98 грамм. Вот такова ее молярная масса. Задача решена.

Предположим, вам заданы такие условия: имеется 800 миллилитров 0,2 молярного раствора (0,2М) какой-то соли, причем известно, что в сухом виде эта соль весит 25 граммов. Требуется вычислить ее молярную массу .

Для начала вспомните определение 1-молярного (1М) раствора. Это раствор, в 1 которого содержится 1 моль какого-либо вещества . Соответственно, в 1 литре 0,2М раствора содержалось бы 0,2 моля вещества . Но у вас не 1 литр, а 0,8 литра. Следовательно, фактически вы имеете 0,8*0,2 = 0,16 моля вещества .

А дальше уже все становится проще простого. Если 25 граммов соли по условиям задачи составляют 0,16 моля, какое же количество равно одному молю? Произведя вычисление в одно действие, найдете: 25/0,16 = 156,25 граммов. Молярная масса соли составляет 156,25 грамм/моль. Задача решена.

В подсчетах вы использовали округленные величины атомных весов водорода, серы и кислорода. Если требуется произвести вычисления с большой точностью, округление недопустимо.

Источники:

молярная масса соли
Вычисление молярной массы эквивалента

Массы атомов или молекул чрезвычайно малы, поэтому в молекулярной физике вместо самих масс молекул и атомов прнято использовать по предложению Дальтона их относительные величины, сравнивая массу молекулы или атома с 1/12 частью массы атома углерода. Количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько их содержится в 12 граммах углерода, называется молем. Молярная масса вещества (М) - это масса одного моля. Молярная масса - величина скалярная, измеряется она в международной системе СИ в килогаммах, деленных на моль.

Инструкция

Чтобы рассчитать молярную массу достаточно знать две величины: массу (m), выражаемую в килограмах, и и количество вещества (v), измеряемого в молях, подставив их в формулу: М=m/v.
Пример. Пусть надо определить молярную массу 100 г воды в 3 молях. Для этого следует сначала массу воды в из граммов - 100г=0,01кг. Далее подставить величины в формулу, для молярной : М=m/v=0,01кг/3моль=0,003кг/моль.

Молекулярная физика изучает свойства тел, руководствуясь поведением отдельных молекул. Все видимые процессы протекают на уровне взаимодействия мельчайших частиц, то, что мы видим невооруженным глазом - лишь следствие этих тонких глубинных связей.

Вконтакте

Основные понятия

Молекулярная физика иногда рассматривается как теоретическое дополнение термодинамики. Возникшая намного раньше, термодинамика занималась изучением перехода тепла в работу, преследуя чисто практические цели. Она не производила теоретического обоснования, описывая лишь результаты опытов. Основные понятия молекулярной физики возникли позже, в XIX веке.

Она изучает взаимодействие тел на молекулярном уровне, руководствуясь статистическим методом, который определяет закономерности в хаотических движениях минимальных частиц – молекул. Молекулярная физика и термодинамика дополняют друг друга, рассматривая процессы с разных точек зрения. При этом термодинамика не касается атомарных процессов, имея дело только с макроскопическими телами, а молекулярная физика, напротив, рассматривает любой процесс именно с точки зрения взаимодействия отдельных структурных единиц.

Все понятия и процессы имеют собственные обозначения и описываются специальными формулами, которые наиболее наглядно представляют взаимодействия и зависимости тех или иных параметров друг от друга. Процессы и явления пересекаются в своих проявлениях, разные формулы могут содержать одни и те же величины и быть выражены разными способами.

Количество вещества

Количество вещества определяет взаимосвязь между (массой) и количеством молекул, которые содержит эта масса. Дело в том, что разные вещества при одинаковой массе имеют разное число минимальных частиц. Процессы, проходящие на молекулярном уровне, могут быть поняты только при рассмотрении именно числа атомных единиц, участвующих во взаимодействиях. Единица измерения количества вещества, принятая в системе СИ, - моль.

Внимание! Один моль всегда содержит одинаковое количество минимальных частиц. Это число называется числом (или постоянной) Авогадро и равняется 6,02×1023.

Эта константа используется в случаях, когда для расчетов требуется учитывать микроскопическое строение данного вещества. Иметь дело с количеством молекул сложно, так как придется оперировать огромными числами, поэтому используется моль – число, определяющее количество частиц в единице массы.

Формула, определяющая количество вещества:

Расчет количества вещества производится в разных случаях, используется во многих формулах и является важным значением в молекулярной физике.

Давление газа

Давление газа - важная величина, имеющая не только теоретическое, но и практическое значение. Рассмотрим формулу давления газа, используемую в молекулярной физике, с пояснениями, необходимыми для лучшего понимания.

Для составления формулы придется сделать некоторые упрощения. Молекулы представляют собой сложные системы , имеющие многоступенчатое строение. Для простоты рассмотрим газовые частицы в определенном сосуде как упругие однородные шарики, не взаимодействующие друг с другом (идеальный газ).

Скорость движения минимальных частиц также будем считать одинаковой. Введя такие упрощения, не сильно меняющие истинное положение, можно вывести такое определение: давление газа - это сила, которую оказывают удары молекул газа на стенки сосудов.

При этом, учитывая трехмерность пространства и наличие двух направлений каждого измерения, можно ограничить количество структурных единиц, воздействующих на стенки, как 1/6 часть.

Таким образом, сведя воедино все эти условия и допущения, можем вывести формулу давления газа в идеальных условиях .

Формула выглядит так:

где P - давление газа;

n - концентрация молекул;

K - постоянная Больцмана (1,38×10-23);

Ek - молекул газа.

Существует еще один вариант формулы:

P = nkT,

где n - концентрация молекул;

T - абсолютная температура.

Формула объема газа

Объем газа - это пространство, которое занимает данное количество газа в определенных условиях. В отличие от твердых тел, имеющих постоянный объем, практически не зависящий от окружающих условий, газ может менять объем в зависимости от давления или температуры.

Формула объема газа – это уравнение Менделеева-Клапейрона, которое выглядит таким образом:

PV = nRT

где P - давление газа;

V - объем газа;

n - число молей газа;

R - универсальная газовая постоянная;

T - температура газа.

Путем простейших перестановок получаем формулу объема газа:

Важно! Согласно закону Авогадро равные объемы любых газов, помещенные в совершенно одинаковые условия - давление, температура - будут всегда содержать равное количество минимальных частиц.

Кристаллизация

Кристаллизация - это фазовый переход вещества из жидкого в твердое состояние, т.е. процесс, обратный плавлению. Процесс кристаллизации происходит с выделением теплоты , которую требуется отводить от вещества. Температура совпадает с точкой плавления, весь процесс описывается формулой:

Q = λm,

где Q - количество теплоты;

λ - теплота плавления;

Эта формула описывает как кристаллизацию, так и плавление, поскольку они, по сути, являются двумя сторонами одного процесса. Для того чтобы вещество кристаллизовалось, необходимо охладить его до температуры плавления , а затем отвести количество тепла, равное произведению массы на удельную теплоту плавления (λ). Во время кристаллизации температура не меняется.

Существует еще один вариант понимания этого термина - кристаллизация из перенасыщенных растворов. В этом случае причиной перехода становится не только достижение определенной температуры, но и степень насыщения раствора определенным веществом. На определенном этапе количество частиц растворенного вещества становится слишком большим, что вызывает образование мелких монокристалликов. Они присоединяют молекулы из раствора, производя послойный рост. В зависимости от условий роста кристаллы имеют различную форму.

Число молекул

Определить количество частиц, содержащееся в данной массе вещества, проще всего при помощи следующей формулы:

Отсюда выходит, что число молекул равняется:

То есть необходимо прежде всего определить количество вещества, приходящееся на определенную массу. Затем оно умножается на число Авогадро, в результате чего получаем количество структурных единиц. Для соединений подсчет ведется суммированием атомного веса компонентов. Рассмотрим простой пример:

Определим количество молекул воды в 3 граммах. Формула (H2O) содержит два атома и один . Общий атомный вес минимальной частицы воды составит: 1+1+16 = 18 г/моль.

Количество вещества в 3 граммах воды:

Число молекул:

1/6 × 6 × 1023 = 1023.

Формула массы молекулы

Один моль всегда содержит одинаковое количество минимальных частиц. Следовательно, зная массу моля, можно разделить ее на количество молекул (число Авогадро), получив в результате массу системной единицы.

Следует учесть, что эта формула относится лишь к неорганическим молекулам. Размеры органических молекул намного больше , их величина или вес имеют совсем другие значения.

Молярная масса газа

Молярная масса - это масса в килограммах одного моля вещества . Поскольку в одном моле содержится одинаковое количество структурных единиц, формула молярной массы имеет такой вид:

M = κ × Mr

где k - коэффициент пропорциональности;

Mr - атомная масса вещества.

Молярная масса газа может быть рассчитана по уравнению Менделеева-Клапейрона:

pV = mRT / M,

из которой можно вывести:

M = mRT / pV

Таким образом, молярная масса газа прямо пропорциональна произведению массы газа на температуру и универсальную газовую постоянную и обратно пропорциональна произведению давления газа и его объема.

Внимание! Следует учесть, что молярная масса газа как элемента может отличаться от газа как вещества, например, молярная масса элемента кислорода (О) равна 16 г/моль, а масса кислорода как вещества (О2) равна 32 г/моль.

Основные положения МКТ.

Физика за 5 минут — молекулярная физика

Вывод

Формулы, которые содержат молекулярная физика и термодинамика, позволяют вычислить количественные значения всех процессов, происходящих с твердыми веществами и газами. Такие расчеты необходимы как в теоретических изысканиях, так и на практике, поскольку они способствуют решению практических задач.

Одной из основных единиц в Международной системе единиц (СИ) является единица количества вещества – моль.

Моль – это такое количество вещества, которое содержит столько структурных единиц данного вещества (молекул, атомов, ионов и др.), сколько атомов углерода содержится в 0,012 кг (12 г) изотопа углерода 12 С .

Учитывая, что значение абсолютной атомной массы для углерода равно m (C) = 1,99 · 10  26 кг, можно рассчитать число атомов углерода N А , содержащееся в 0,012 кг углерода.

Моль любого вещества содержит одно и то же число частиц этого вещества (структурных единиц). Число структурных единиц, содержащихся в веществе количеством один моль равно 6,02·10 23 и называется числом Авогадро (N А ).

Например, один моль меди содержит 6,02·10 23 атомов меди (Cu), а один моль водорода (H 2) – 6,02·10 23 молекул водорода.

Молярной массой (M) называется масса вещества, взятого в количестве 1 моль.

Молярная масса обозначается буквой М и имеет размерность [г/моль]. В физике пользуются размерностью [кг/кмоль].

В общем случае численное значение молярной массы вещества численно совпадает со значением его относительной молекулярной (относительной атомной) массы.

Например, относительная молекулярная масса воды равна:

Мr(Н 2 О) = 2Аr (Н) + Аr (O) = 2∙1 + 16 = 18 а.е.м.

Молярная масса воды имеет ту же величину, но выражена в г/моль:

М (Н 2 О) = 18 г/моль.

Таким образом, моль воды, содержащий 6,02·10 23 молекул воды (соответственно 2·6,02·10 23 атомов водорода и 6,02·10 23 атомов кислорода), имеет массу 18 граммов. В воде, количеством вещества 1 моль, содержится 2 моль атомов водорода и один моль атомов кислорода.

1.3.4. Связь между массой вещества и его количеством

Зная массу вещества и его химическую формулу, а значит и значение его молярной массы, можно определить количество вещества и, наоборот, зная количество вещества, можно определить его массу. Для подобных расчетов следует пользоваться формулами:

где ν – количество вещества, [моль]; m – масса вещества, [г] или [кг]; М – молярная масса вещества, [г/моль] или [кг/кмоль].

Например, для нахождения массы сульфата натрия (Na 2 SO 4) количеством 5 моль найдем:

1) значение относительной молекулярной массы Na 2 SO 4 , представляющую собой сумму округленных значений относительных атомных масс:

Мr(Na 2 SO 4) = 2Аr(Na) + Аr(S) + 4Аr(O) = 142,

2) численно равное ей значение молярной массы вещества:

М(Na 2 SO 4) = 142 г/моль,

3) и, наконец, массу 5 моль сульфата натрия:

m = ν · M = 5 моль · 142 г/моль = 710 г.

Ответ: 710.

1.3.5. Связь между объемом вещества и его количеством

При нормальных условиях (н.у.), т.е. при давлении р , равном 101325 Па (760 мм. рт. ст.), и температуре Т, равной 273,15 К (0 С), один моль различных газов и паров занимает один и тот же объем, равный 22,4 л.

Объем, занимаемый 1 моль газа или пара при н.у., называется молярным объемом газа и имеет размерность литр на моль.

V мол = 22,4 л/моль.

Зная количество газообразного вещества (ν) и значение молярного объема (V мол) можно рассчитать его объем (V) при нормальных условиях:

V = ν · V мол,

где ν – количество вещества [моль]; V – объем газообразного вещества [л]; V мол = 22,4 л/моль.

И, наоборот, зная объем (V ) газообразного вещества при нормальных условиях, можно рассчитать его количество (ν):

Молекулярная масса - одно из основных понятий в современной химии. Ее ввод стал возможным после научного обоснования утверждения Авогадро о том, что многие вещества состоят из мельчайших частиц - молекул, каждая из которых, в свою очередь, состоит из атомов. Этим суждением наука во многом обязана итальянскому химику Амадео Авогадро, который научно обосновал молекулярное строение веществ и подарил химии многие важнейшие понятия и законы.

Единицы масс элементов

Первоначально за базовую единицу атомной и молекулярной массы брали атом водорода как наиболее легкого из элементов во Вселенной. Но атомные массы в большинстве своем вычислялись но основе их кислородных соединений, поэтому было принято решение выбрать новый эталон для определения атомных масс. Атомную массу кислорода приняли равной 15, атомную массу самого легкого вещества на Земле, водорода, - 1. В 1961 году кислородная система определения веса была общепринятой, но создавала определенные неудобства.

В 1961 году была принята новая шкала относительных атомных масс, эталоном для которой стал изотоп углерода 12 С. Атомная единица массы (сокращенно а.е.м.) составляет 1/12 часть массы этого эталона. В настоящее время атомной массой называют массу атома, которая должна быть выражена в а.е.м.

Масса молекул

Масса молекула любого вещества равна сумме масс всех атомов, образующих данную молекулу. Самая легкая молекулярная масса газа у водорода, его соединение пишется как Н 2 и имеет значение, приближенное к двум. Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Значит, ее молекулярная масса равна 15,994 + 2*1.0079=18.0152 а.е.м. Самые большие молекулярные массы имеют сложные органические соединения - белки и аминокислоты. Молекулярная масса структурной единицы белка колеблется от 600 до 10 6 и выше, в зависимости от количества пептидных цепей в этой макромолекулярной структуре.

Моль

Одновременно со стандартными единицами массы и объема в химии используется совершенно особая системная единица - моль.

Моль - это количество вещества, которое содержит столько структурных единиц (ионов, атомов, молекул, электронов), столько содержится в 12 граммах изотопа 12 С.

При применении меры количества вещества необходимо указывать, какие именно структурные единицы имеются в виду. Как следует из понятия «моль», в каждом отдельном случае следует точно указывать, о каких структурных единицах идет речь - например, моль ионов Н + , моль молекул Н 2 и прочее.

Молярная и молекулярная масса

Масса количества вещества в 1 моль измеряется в г/моль и называется молярной массой. Отношение между молекулярной и молярной массой можно записать в виде уравнения

ν = k × m/M, где к - коэффициент пропорциональности.

Нетрудно сказать, что для любых соотношений коэффициент пропорциональности будет равен единице. Действительно, изотоп углерода имеет относительную молекулярную массу 12 а.е.м, а, согласно определению, молярная масса этого вещества равна 12 г/моль. Отношение молекулярной массы к молярной равно 1. Отсюда можно сделать вывод, что молярная и молекулярная масса имеют одинаковые числовые значения.

Объемы газов

Как известно, все окружающие нас вещества могут пребывать в твердом, жидком или газообразном агрегатном состоянии. Для твердых тел наиболее распространенной базовой мерой является масса, для твердых и жидких - объем. Это связано с тем, что твердые тела сохраняют свою форму и конечные размеры, Жидкие и газообразные вещества конечных размеров не имеют. Особенность любого газа состоит в том, что между его структурными единицами - молекулами, атомами, ионами - расстояние во много раз больше, чем такие же расстояния в жидкостях или твердых телах. Например, один моль воды в нормальных условиях занимает объем 18 мл - приблизительно столько же вмещается в одну столовую ложку. Объем одного моля мелкокристаллической поваренной соли - 58,5 мл, а объем 1 моля сахара больше моля воды в 20 раз. Для газов места требуется еще больше. Один моль азота при нормальных условиях занимает объем, в 1240 раз больший, чем один моль воды.

Таким образом, объемы газообразных веществ существенно отличаются от объемов жидких и твердых. Это обусловлено разностью растояний между молекулами веществ в различных агрегатных состояниях.

Нормальные условия

Состояние любого газа сильно зависит от температуры и давления. Например, азот при температуре в 20 °С занимает объем в 24 литра, а при 100 °С при том же самом давлении - 30,6 литров. Химики учли такую зависимость, поэтому было принято решение сводить все операции и измерения с газообразными веществами к нормальным условиям. Во всем мире параметры нормальных условий одинаковы. Для газообразных химических веществ это:

Температура в 0°С.
Давление в 101,3 кПа.

Для нормальных условий принято специальное сокращение - н.у. Иногда в задачах это обозначение не пишется, тогда следует внимательно перечитать условия задачи и привести заданные параметры газа к нормальным условиям.

Расчет объема 1 моля газа

В качестве примера несложно выполнить расчет одного моля любого газа, например азота. Для этого сначала нужно найти значение его относительной молекулярной массы:

М r (N 2)= 2×14=28.

Поскольку относительная молекулярная масса вещества численно равна молярной, то M(N 2)=28 г/ моль.

Опытным путем выяснено, что при нормальных условиях плотность азота равна 1,25 г/литр.

Подставим это значение в стандартную формулу, известную со школьного курса физики, где:

V — объем газа;
m — масса газа;
ρ — плотность газа.

Получим, что молярный объем азота при нормальных условиях

V(N 2)= 25г/моль: 1,25 г/ литр =22,4 л/ моль.

Получается, что один моль азота занимает 22,4 литра.

Если выполнить такую операцию со всеми существующими газовыми веществам, можно прийти к удивительному выводу: объем любого газа при нормальных условиях равен 22,4 литра. Вне зависимости от того, о каком газе идет речь, какова его структура и физико-химические характеристики, один моль этого газа будет занимать объем 22,4 литра.

Молярный объем газа - одна из важнейших констант в химии. Эта постоянная позволяет решить многие химические задачи, связанные с измерением свойств газов при нормальных условиях.

Итоги

Молекулярная масса газообразных веществ важна для определения количества вещества. А если исследователь знает количество вещества того или иного газа, он может определить массу или объем такого газа. Для одной и той же порции газообразного вещества одновременно выполняются условия:

ν = m/ M ν= V/ V m.

Если убрать постоянную ν, можно уравнять эти два выражения:

Так можно вычислить массу одной порции вещества и его объем, а также становится известной молекулярная масса исследуемого вещества. Применяя эту формулу, можно легко вычислить соотношение объем-масса. При приведении данной формулы к виду M= m V m /V станет известна молярная масса искомого соединения. Для того чтобы вычислить это значение, достаточно узнать массу и объем исследуемого газа.

Следует помнить, что строгое соответствие реальной молекулярной массы вещества к той, что найдена по формуле, невозможно. Любой газ содержит массу примесей и добавок, которые вносят определенные изменения в его структуру и влияют на определение его массы. Но эти колебания вносят изменения в третью или четвертую цифру после запятой в найденном результате. Поэтому для школьных задач и экспериментов найденные результаты вполне правдоподобны.