Масса атомов и молекул

Одной из важнейших характеристик атома является его масса. Массы атомов и молекул, выраженные в стандартных единицах массы (г или кг), называются абсолютными: m_A - абсолютная масса атома, m_M - абсолютная масса молекулы. Их значения очень малы, для практических целей пользоваться ими неудобно.

Принято представлять массу атомов и молекул в виде относительных величин, определенных по отношению к массе атома какого-либо элемента: А_r - относительная масса атома, M_r - относительная масса молекулы (от лат. relativus - относительный).

Исторически первой единицей атомной массы была масса атома Н - водородная единица, введенная Дальтоном. С 1860 г. в научной практике утверждается кислородная единица атомной массы, предложенная Берцелиусом. Неточность этих единиц и неточность вычисленных по ним атомных масс элементов проявилась, когда было установлено. что большинство элементов в природе состоит из атомов разной массы - изотопов (для природного кислорода это смесь ¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О).

В настоящее время принята углеродная единица измерения атомных масс, которая равна 1/12 части массы изотопа углерода ¹²С. Она называется атомной единицей массы (а.е.м.). Ее значение: 1 а.е.м. = (1,6605655 ± 0,0000086)^. 10^-27 кг. В таблице Менделеева для каждого элемента приведено значение относительной атомной массы А_r, которое показывает, во сколько раз атом этого элемента тяжелее 1/12 части массы изотопа углерода ¹²С. Это безразмерная величина, но можно сказать, что она составляет столько а.е.м. (наименование а.е.м. обычно опускается).

Значения относительных атомных масс элементов отличаются от целых чисел (дробные). Это связано с тем, что большинство элементов существуют в природе в виде нескольких изотопов, количество которых неодинаково. Например, в природе ~ 76% атомов хлора имеют массу 35, а ~ 24% атомов - массу 37. Отсюда относительная масса хлора с учетом доли распространенности каждого изотопа: А_r (Cl) = 0,76 ^. 35 + 0,24 ^. 37 ≈ 35,5 . Кроме того, атомные массы изотопов не равны точно целым числам из-за отличия масс нуклонов (протонов и нейтронов в ядре) от 1 а.е.м. и из-за "дефекта массы".

Относительная молекулярная масса M_r складывается из относительных масс атомов, входящих в молекулу: M_r (Н₂О) = 2 ^. 1 + 16 = 18 . Для веществ с немолекулярной структурой (кристаллических) молекулярную массу рассчитывают для условной молекулы (формульной единицы): M_r (NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5.

Количество вещества. Моль.

Одна из важнейших физических величин, часто используемых наряду с массой m и объемом V веществ в химических расчетах, - количество вещества n (встречаются и другие обозначения). Его единица измерения в системе СИ - моль (от лат. moles - количество, счетное множество).

Моль - это количество вещества (порция вещества), содержащее 6,02 ^. 10²³ структурных единиц (т.е. любых частиц вещества: молекул, атомов, ионов, электронов, ядер).

Постоянная величина N_A = 6,0249 ^. 10²³ моль ^-1 (для практических расчетов принимается 6,02 ^. 10²³ моль ^-1) -постоянная Авогадро (число Авогадро)- показывает число частиц в 1 моле любого вещества.

В молях можно измерять количества вещества любых частиц, т.е. и вещество в целом, и его составные части. Например:

1) 1 молекула водорода Н₂ содержит 2 атома водорода Н

6,02 ^. 10²³ молекул Н₂ - 2 ^. 6,02 ^. 10²³ атомов Н

1 моль Н₂ - 2 моль Н

2) 1 моль углекислого газа СО₂ содержит 1 моль молекул СО₂, 1 моль атомов С, 2моль атомов О, 3 моль ядер, 22 моль электронов

3) для веществ с немолекулярной структурой 1 моль вещества - это 6,02 ^. 10²³ условных молекул (формульных единиц):

1 моль NaCl содержит 1 моль ионов Na⁺, 1 моль ионов Cl^-

1 моль NaCl состоит из 1 моль ионов Na⁺ и 1 моль ионов Cl^-

4) 1 моль карбоната натрия Na₂CO₃ содержит 1 моль групп СО₃, 2 моль ионов Na⁺, 1 моль ионов СО₃ ^2-, 1 моль атомов С, 3 моль атомов О и т.д.

1 моль Na₂CO₃ состоит из 2 моль ионов Na⁺ и 1 моль ионов СО₃ ^2-

Количество вещества можно определить по формуле: n = N / N_A , если известно N - число частиц вещества.

Количество вещества имеет массу. Масса 1 моля вещества называется его молярной массой М. Молярную массу обычно выражают в г/моль.

Молярная масса вещества, выраженная в граммах, численно равна средней массе структурной единицы вещества, выраженной в а.е.м. Например:

1) вещество кислород состоит из молекул О₂. Масса 1 молекулы О₂. (молекулярная масса) составляет 32 а.е.м., а масса 6,02 ^. 10²³ молекул (т.е. 1 моля кислорода) - 32 г. Это записывается так: M_r (О₂) = 32 , М (О₂) = 32 г/моль.

2) масса иона натрия: А_r (Na⁺) = 23 а.е.м., масса 1моля ионов Na⁺: М (Na⁺) = 23 г/моль

Количество вещества может быть выражено и такой формулой: n = m / M ,

где m - масса вещества (т.е. число молей равно числу молярных масс).

В химических расчетах удобно пользоваться количественными величинами, пропорциональными 1 молекуле, 1 атому, 1 иону и т.д., т.е. молями. Например, если необходимо провести реакцию цинка с соляной кислотой так, чтобы исходные вещества прореагировали полностью, без остатка, надо взять их точные количества:

Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂

1 атом Zn реагирует с 2 молекулами HCl

6,02 ^. 10²³ атомов - с 2 ^. 6,02 ^. 10²³ молекулами, т.е.

1 моль атомов Zn - с 2 молями молекул HCl, т.е.

1 молярная масса - с 2 молярными массами (М(Zn) = 65 г/моль, М(HCl) = 36,5 г/моль) т.е. 65 г - с 2 ^. 36,5 = 73 г, при этом получится 1 моль, т.е. 2 г H₂ .

Через величины, пропорциональные этим, можно рассчитать массы исходных веществ для получения любых других количеств продуктов реакции по данному уравнению:

m(Zn) / m(HCl) = 65 / 2 ^. 36,5