1.2. Массы и размеры молекул

В молекулярной физике принято характеризовать массы атомов и молекул не их абсолютными значениями, например в килограммах, а относительными безразмерными величинами – относительными атомной A_r и молекулярной M_r массами. В качестве атомной единицы массы (а.е.м., или m_u) принимается 1/12 массы m_C изотопа углерода ¹²C: m_u = m_C /12 = 1,66⋅10 ^–27 кг. Следовательно, масса любого атома равна m = m_uA = 1,66⋅10 ^–27 , где А – атомная масса элемента. Например, для водорода А = = 1,00797 кг и масса его атома Относительной атомной массой A_r называют отношение абсолютного значения массы данного атома к атомной единице массы. Аналогично определяется и относительная молекулярная масса M_r = m/m_u, где m – абсолютная масса молекулы.

В молекулярной физике широко используется понятие количества вещества, выражаемое в молях. Моль равен такому количеству вещества, которое содержит столько же структурных элементов (атомов, молекул), сколько их атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода ¹²C. Следовательно, моль любого вещества содержит, по определению, одинаковое число структурных элементов, которое называют постоянной Авогадро, или числом Авогадро:

В молекулярной физике помимо относительной молекулярной массы часто используют молярную массу, т.е. массу вещества, взятого в количестве одного моля. Молярная масса M равна произведению массы молекулы данного вещества m на число Авогадро N_A: M = mN_A. Она имеет разное значение для каждого вещества, но всегда содержит одинаковое число молекул. Молярная масса вещества, состоящего из одноатомных молекул, содержит одинаковое число атомов, и ее в этом случае называют атомной массой. Для углерода (¹²C) молярная масса в точности равна 0,012кг/моль и, следовательно, масса его атома:

Молярную массу M можно выразить через относительную молекулярную массу Mr. Так как относительная молекулярная масса то масса молекулы . Следовательно, молярная масса Например, молярная масса углекислого газа СО2 равна 0,044 кг/моль, так как его относительная молекулярная масса равна 44. Произведем теперь оценку размеров молекул. Рассмотрим пример с молекулой воды. Молярная масса воды , а так как плотность воды , то 1 моль воды занимает объем В этом объеме содержится NA молекул, а число молекул в единице объема равно Так как в жидкости молекулы расположены довольно плотно одна к другой, то принимая, что на каждую молекулу приходится кубик со стороной а, то имеет место равенство а3n = 1. Следовательно, линейный размер молекулы воды будет приблизительно равен Линейные размеры молекул других веществ представляют собой также величины порядка