Масса и размеры молекул

Из-за того, что массы атомов и молекул очень малы, в молекулярной физике часто пользуются относительной атомной и молекулярной массой. По международному соглашению, с 1960 г. массы всех атомов и молекул условились сравнивать с 1/12 массы атома ¹²C, т.е. изотопа углерода с массовым числом 12.

Атомной массой (А) химического элемента называется отношение массы атома этого элемента к 1/12 массы атома изотопа углерода ¹²С.

Пусть в m₁ граммах химического элемента с относительной атомной массой А₁ содержится n – атомов. Если взять другой химический элемент с относительной атомной массой А₂ в таком количестве, чтобы в нем содержалось также n – атомов, то масса этого элемента очевидно будет А₂/А₁ раз больше массы атомов первого элемента. Поэтому m₂ = (A₂/A₁)m₁.

Молекулярной массой (М) вещества называется отношение массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома ¹²С. Значит, в любых веществах, взятых в таких количествах, что отношение их масс такое же, как и их молекулярные массы, будет содержаться одинаковое число молекул.

В 1871 г. Генеральная конференция по мерам и весам приняла основную единицу количества вещества в системе СИ – 1 моль.

Моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в нуклиде ¹²С массой 0,012 кг.

Наряду с молем употребляют кило моль: 1 к моль = 10³ моль.

По определению число атомов или молекул в 1 моле любого вещества всегда одно и то же и его называют числом (постоянной) Авогадро:

N_A = 6,0210²³ моль^-1.

В молекулярной физике помимо молекулярной массы часто используют молярную массу. Молярная масса () – это масса вещества, взятого в количестве одного моля. Молярная масса  равна:

 = m₀N_A,

имеет разное значение для каждого вещества, но всегда содержит одинаковое число молекул. Молярная масса веществ, состоящих из одноатомных молекул, содержит одинаковое число атомов, и ее в этом случае называют атомной массой. Для углерода ¹²С молярная масса в точности равна 0,012 кг/моль и, следовательно, масса его атома:

.

Относительная атомная масса и относительная молекулярная масса по определению безразмерные числа. Поэтому их единица измерения также безразмерна, т.е. 1/12 от числового значения массы атома ¹²С будет равна 1,6610^-27. Масса же любого атома в этом случае равна 1,6610^-27А кг.

Например, для водорода А = 1,00797 кг, масса его атома m_H = 1,6710^-27 кг.

Молярную массу  можно выразить через относительную молекулярную массу М. Так как , где m₀ – масса молекулы данного вещества, m_0C – масса атома углерода ¹²С, и

Воспользовавшись постоянной Авогадро, можно оценить размеры молекул. Например, молярная масса воды  = 1810^-3 кг/моль и так как плотность воды  = 10³ кг/м³, то 1 моль воды занимает объем V = 1810^-6 м³/моль. В этом объеме содержится N_A молекул, а число молекул в единице объема равно:

.

Так как в жидкости молекулы расположены плотнее друг к другу, чем в газе, то линейный размер молекулы воды будет приблизительно равен:

.

Линейные размеры молекул других веществ представляют собой также величины порядка 10^-10 м.