Состав веществ сложный, хотя образованы они крохотными частицами — атомами, молекулами, ионами. многие жидкости и газы, а также некоторые твердые тела. Из атомов и заряженных ионов состоят металлы, многие соли. Все частицы обладают массой, даже самая крохотная если выразить ее в килограммах, получает очень маленькое значение. Например, m (Н 2 О) = 30 . 10 -27 кг. Такие важнейшие характеристики вещества, как масса и размеры микрочастиц, издавна изучают физики и химики. Основы были заложены в трудах Михаила Ломоносова и Рассмотрим, как изменились с тех пор взгляды на микромир.
Представления Ломоносова о «корпускулах»
Предположение о дискретном высказывали ученые Древней Греции. Тогда же было дано название «атом» мельчайшей неделимой частице тел, «кирпичику» мироздания. Великий русский исследователь М. В. Ломоносов писал о ничтожно малой, неделимой физическими способами частице строения вещества — корпускуле. Позже в трудах других ученых она получила название «молекула».
Масса молекулы, а также ее размеры, определяются свойствами составляющих ее атомов. Долгое время ученым не удавалось заглянуть вглубь микромира, что тормозило развитие химии и физики. Ломоносов неоднократно призывал коллег изучать и в своей работе опираться на точные количественные данные — «меру и вес». Благодаря работам русского химика и физика были заложены основы учения о строении вещества, ставшие составной частью стройной атомно-молекулярной теории.
Атомы и молекулы — «кирпичики мироздания»
Даже микроскопически малые тела сложно устроены, обладают различными свойствами. Такие частицы, как атомы, образованы ядром и электронными слоями, отличаются по количеству положительных и отрицательных зарядов, радиусу, массе. Атомы и молекулы существуют в составе веществ не изолированно, они притягиваются с разной силой. Более заметно действие сил притяжения в твердых телах, слабее — в жидкостях, почти не ощущаются в газообразных веществах.
Химические реакции не сопровождаются разрушением атомов. Чаще всего происходит их перегруппировка, возникает другая молекула. Масса молекулы зависит от того, какими атомами она образована. Но при всех изменениях атомы остаются химически неделимыми. Но они могут войти в состав разных молекул. При этом атомы сохраняют свойства того элемента, к которому относятся. Молекула до своего распада на атомы сохраняет все признаки вещества.
Микрочастица строения тел — молекула. Масса молекулы
Для измерения массы макротел используются приборы, старейший из которых — весы. Результат измерения удобно получать в килограммах, ведь это основная единица международной системы физических величин (СИ). Чтобы определить массу молекулы в килограммах, надо сложить атомные массы с учетом количества частиц. Для удобства была введена специальная единица массы — атомная. Можно записать ее в виде буквенного сокращения (а.е.м.). Эта единица соответствует одной двенадцатой части массы углеродного нуклида 12 С.
Если выразить найденное значение в стандартных единицах, то получаем 1,66 . 10 -27 кг. Такими малыми показателями для массы тел оперируют, в основном, физики. В статье приведена таблица, из которой можно узнать, чему равны массы атомов некоторых химических элементов. Чтобы узнать, чему равна масса одной в килограммах, умножим на два приведенную в таблице атомную массу этого химического элемента. В результате получим значение массы молекулы, состоящей из двух атомов.
Относительная молекулярная масса
Трудно оперировать в расчетах очень маленькими величинами, это неудобно, приводит к затратам времени, к ошибкам. Что касается массы микрочастиц, то выходом из затруднительной ситуации стало применение Привычный для химиков термин состоит из двух слов — «атомная масса», его обозначение — Ar. Идентичное понятие было введено для молекулярной массы (то же самое, что масса молекулы). Формула, связывающая две величины: Mr = m(в-ва)/1/12 m(12 C).
Нередко можно услышать, что говорят «молекулярный вес». Этот устаревший термин еще употребляется по отношению к массе молекулы, но все реже. Дело в том, что вес — это другая физическая величина — сила, которая зависит от тела. Напротив, масса служит постоянной характеристикой частиц, которые участвуют в химических процессах и перемещаются с обычной скоростью.
Как определить массу молекулы
Точное определение веса молекулы проводят при помощи прибора — масс-спектрометра. Для решения задач можно использовать сведения из периодической системы. К примеру, масса молекулы кислорода равна 16 . 2 = 32. Выполним несложные расчеты и найдем значение величины Mr(H 2 O) — относительной молекулярной массы воды. По таблице Менделеева определим, что масса атома кислорода — 16, водорода — 1. Проведем несложные расчеты: M r (H 2 O) = 1 . 2 + 16 = 18, где M r — молекулярная масса, H 2 O — молекула воды, H — символ элемента водорода, О — химический знак кислорода.
Массы изотопов
Химические элементы в природе и технике существуют в виде нескольких разновидностей атомов — изотопов. Каждый из них обладает индивидуальной массой, ее величина не может иметь дробное значение. Но атомная масса химического элемента чаще всего представляет собой число с несколькими знаками после запятой. При подсчетах учитывается распространенность каждой разновидности в земной коре. Поэтому массы атомов в периодической системе не всегда являются целыми числами. Используя такие величины для расчетов, мы получаем массы молекул, которые также не являются целыми числами. В некоторых случаях допускается округление значений.
Молекулярная масса веществ немолекулярного строения
Размеры и масса молекул
На электронных микрофотографиях крупных молекул можно рассмотреть отдельные атомы, но они настолько малы, что в обычный микроскоп не видны. Линейный размер частицы любого вещества, как и масса, — это постоянная характеристика. Диаметр молекулы зависит от радиусов образующих ее атомов, их взаимного притяжения. Размеры частиц меняются с увеличением числа протонов и энергетических уровней. Атом водорода — самый маленький по размерам, его радиус составляет всего 0,5 . 10 -8 см. Атом урана в три раза больше атома водорода. Настоящие «великаны» микромира — молекулы органических веществ. Так, линейный размер одной из протеиновых частиц равен 44 . 10 -8 см.
Подведем итог: масса молекул — это сумма масс атомов, входящих в их состав. Абсолютное значение в килограммах можно получить, умножив значение молекулярной массы, найденное в таблице Менделеева, на величину 1,66 . 10 -27 кг.
Молекулы ничтожно малы по сравнению с макротелами. Например, по своим размерам молекула воды Н 2 О уступает яблоку во столько же раз, во сколько раз этот фрукт меньше нашей планеты.
В международной системе единиц (СИ) за единицу количества вещества принят моль.
Моль - это количество вещества, содержащее столько структурных единиц (молекул, атомов, ионов, электронов и др.), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода 12 С.
Зная массу одного атома углерода (1,93310 -26 кг), можно вычислить число атомов N A в 0,012 кг углерода
N A = 0,012/1,93310 -26 = 6,0210 23 моль -1
6,0210 23 моль -1 называется постоянной Авогадро (обозначение N A , размерность 1/моль или моль -1). Она показывает число структурных единиц в моле любого вещества.
Молярная масса – величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества. Она имеет размерность кг/моль или г/моль. Обычно ее обозначают М.
В общем случае молярная масса вещества, выраженная в г/моль, численно равна относительной атомной (А) или относительной молекулярной массе (М) этого вещества. Например, относительные атомные и молекулярные массы С, Fe, O 2 , H 2 O соответственно равны 12, 56, 32, 18, а их молярные массы составляют соответственно 12 г/моль, 56 г/моль, 32 г/моль, 18 г/моль.
Следует отметить, что масса и количество вещества – понятия разные. Масса выражается в килограммах (граммах), а количество вещества – в молях. Между массой вещества (m, г), количеством вещества (ν, моль) и молярной массой (М, г/моль) существуют простые соотношения
m = νM; ν = m/M; M = m/ν.
По этим формулам легко вычислить массу определенного количества вещества, либо определить число молей вещества в известной массе его, либо найти молярную массу вещества.
Относительная атомная и молекулярная массы
В химии традиционно применяют не абсолютные значения масс, а относительные. За единицу относительных атомных масс с 1961 г. принята атомная единица массы (сокращенно а.е.м.), представляющая собой 1/12 массы атома углерода-12, то есть изотопа углерода 12 С.
Относительной молекулярной массой (М r) вещества называется величина, равная отношению средней массы молекулы естественного изотопического состава вещества к 1/12 массы атома углерода 12 С.
Относительная молекулярная масса численно равна сумме относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы, и легко подсчитывается по формуле вещества, например, формула вещества В х Д у С z , тогда
М r = хА В + уА Д + zА С.
Молекулярная масса имеет размерность а.е.м. и численно равна молярной массе (г/моль).
Газовые законы
Состояние газа полностью характеризуется его температурой, давлением, объемом, массой и молярной массой. Законы, которые связывают эти параметры, для всех газов очень близки, а абсолютно точны для идеального газа , у которого между частицами полностью отсутствует взаимодействие, и частицы которого представляют собой материальные точки.
Первые количественные исследования реакций между газами принадлежат французскому ученому Гей-Люссаку. Он является автором законов о тепловом расширении газов и закона объемных отношений. Эти законы были объяснены в 1811 году итальянским физиком А. Авогадро. Закон Авога́дро - одно из важных основных положений химии, гласящее, что «в равных объемах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул ».
Следствия из закона Авогадро:
1) молекулы большинства простых атомов двухатомны (Н 2 , О 2 и т.д.);
2) одинаковое число молекул различных газов при одинаковых условиях занимают одинаковый объем.
3) при нормальных условиях один моль любого газа занимает объем равный 22,4 дм 3 (л). Этот объем называетсямолярным объемом газа (V о) (нормальные условия - t о = 0 °С или
Т о =273 К, Р о = 101325 Па = 101,325 кПа = 760 мм. рт. ст. = 1 атм).
4) один моль любого вещества и атом любого элемента, независимо от условий и агрегатного состояния содержит одинаковое число молекул. Это число Авогадро (постоянная Авогадро) - опытным путем установлено, что это число равно
N A = 6,02213∙10 23 (молекул).
Таким образом: для газов 1 моль – 22,4 дм 3 (л) – 6,023∙10 23 молекул – М, г/моль ;
для вещества 1 моль – 6,023∙10 23 молекул – М, г/моль.
Исходя из закона Авогадро: при одном и том же давлении и одинаковых температурах массы (m) равных объемов газов относятся как их мольные массы (М)
m 1 /m 2 = M 1 /M 2 = D,
где D - относительная плотность первого газа по второму.
Согласно закону Р. Бойля – Э. Мариотта , при постоянной температуре давление, производимое данной массой газа, обратно пропорционально объёму газа
Р о /Р 1 = V 1 /V о или РV = const.
Это означает, что по мере возрастания давления объем газа уменьшается. Впервые этот закон был сформулирован в 1662 г. Р. Бойлем. Поскольку к его созданию причастен также французский ученый Э. Мариотт, в других странах, кроме Англии, этот закон называют двойным именем. Он представляет собой частный случай закона идеального газа (описывающего гипотетический газ, идеально подчиняющийся всем законам поведения газов).
По закону Ж. Гей-Люссака : при постоянном давлении объем газа изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре (Т)
V 1 /T 1 = V о /T о или V/T = const.
Зависимость между объемом газа, давлением и температурой можно выразить общим уравнением, объединяющим законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссак (объединенный газовый закон )
PV/T=P о V о /T о,
где Р и V - давление и объем газа при данной температуре Т; P о и V о - давление и объем газа при нормальных условиях (н.у.).
Уравнение Менделеева-Клапейрона (уравнение состояния идеального газа) устанавливает соотношение массы (m, кг), температуры (Т, К), давления (Р, Па) и объема (V, м 3) газа с его мольной массой (М, кг/моль)
где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль К). Кроме этого газовая постоянная имеет еще два значения:Р – мм рт.ст., V – см 3 (мл), R = 62400 ;
Р – атм, V – дм 3 (л), R = 0,082 .
Парциа́льное давление (лат. partialis - частичный, от лат. pars - часть) - давление отдельно взятого компонента газовой смеси. Общее давление газовой смеси является суммой парциальных давлений ее компонентов.
Парциальное давление газа, растворенного в жидкости, является парциальным давлением того газа, который образовался бы в фазе газообразования в состоянии равновесия с жидкостью при той же температуре. Парциальное давление газа измеряется как термодинамическая активность молекул газа. Газы всегда будут вытекать из области с высоким парциальным давлением в область с более низким давлением; и чем больше разница, тем быстрее будет поток. Газы растворяются, диффундируют и реагируют соответственно их парциальному давлению и не обязательно зависимы от концентрации в газовой смеси. Закон сложения парциальных давлений был сформулирован в 1801 году Дж. Дальтоном. При этом правильное теоретическое обоснование, основанное на молекулярно-кинети-ческой теории, было сделано значительно позже. Законы Дальтона - два физических закона, определяющих суммарное давление и растворимость смеси газов и сформулированы им начале XIX века.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАССА,
сумма масс атомов, входящих в состав данной молекулы; выражается в атомных единицах массы (а. е. м.). Поскольку 1 а. е. м. (иногда называемая дальтон, D) равна 1 / 12 массы атома нуклида 12 С и в единицах массы составляет 1,66057 . 10 -27 кг, то умножение М. м. на 1,66057 . 10 -27 дает абс. массу молекулы в килограммах. Чаще пользуются безразмерной величиной М отн -относительной М. м.: М отн
где М х ->
масса молекулы x, выраженная в тех же единицах массы (кг, г или др.), что и D. М. м. характеризует среднюю массу молекулы с учетом изотопного состава всех элементов, образующих данное хим. соединение. Иногда М. м. определяют для смеси разл. в-в известного состава, напр. для воздуха "эффективную" М. м. можно принять равной 29.
Абс. массами молекул удобно оперировать в области физики субатомных процессов и радиохимии, где путем измерения энергии частиц, согласно теории относительности, определяют их абс. массы. В химии и хим. технологии необходимо применять макроскопич. единицы измерения кол-ва в-ва. Число любых частиц (молекул, атомов, электронов или мысленно выделяемых в в-ве групп частиц, напр. пар ионов Na + и Сl - в кристаллич. решетке NaCl), равное Авогадро постоянной N
А = 6,022 . 10 23 , составляет макроскопич. единицу кол-ва в-ва-моль. Тогда можно записать: М отн = x
. N A /(D . N A),T.е. относительная М. м. равна отношению массы моля в-ва к N A D. Если в-во состоит из молекул с ковалентными связями между составляющими их атомами, то величина x
. N A представляет собой м о л я рн у ю м а с с у этого в-ва, единицы измерения к-рой кг-моль (киломоль, кМ). Для в-в, не содержащих молекул, а состоящих из атомов, ионов или радикалов, определяется ф о р-м у л ь н а я м о л я р н а я м а с с а, т.
е. масса N A частиц, соответствующих принятой формуле в-ва (однако в СССР часто и в этом случае говорят о М. м., что неверно).
Ранее в химии использовали понятия грамм-молекула, грамм-атом, грамм-ион, теперь-моль молекул, моль атомов, моль ионов, подразумевая под этим N A молекул, атомов, ионов и соотв. их молярные массы, выраженные в граммах или килограммах. Традиционно употребляют в качестве синонима термин "молекулярный (молярный) вес", т. к. определение массы производится с помощью весов. Но, в отличие от веса, зависящего от географич. координат, масса является постоянным параметром кол-ва в-ва (при обычных скоростях движения частиц в условиях хим. р-ций), поэтому правильнее говорить "молекулярная масса".
Большое число устаревших терминов и понятий, касающихся М. м., объясняется тем, что до эры космич. полетов в химии не придавали значения различию между массой и весом, к-рое обусловлено разностью значений ускорения своб. падения на полюсах (9,83 м. с -2) и на экваторе (9,78 м. с -2); при расчетах силы тяжести (веса) обычно пользуются средним значением, равным 9,81 м. с -2 . Кроме того, развитие понятия молекулы (как и атома) было связано с исследованием макроскопич. кол-в в-ва в процессах их хим. (реакции) или физ. () превращений, когда не была разработана теория строения в-ва (19 в.) и предполагалось, что все хим. соед. построены только из атомов и молекул.
Методы определения.
Исторически первый метод (обоснованный исследованиями С. Канниццаро и А. Авогадро) предложен Ж. Дюма в 1827 и заключался в измерении плотности газообразных в-в относительно водородного газа, молярная масса к-рого принималась первоначально равной 2, а после перехода к кислородной единице измерений молекулярных и атомных масс-2,016 г. След. этап развития эксперим. возможностей определения М. м. заключался в исследовании жидкостей и р-ров нелетучих и недиссоциирующих в-в путем измерения коллигативных св-в (т. е. зависящих только от числа растворенных частиц) - осмотич. давления (см. Осмометрия),
понижения давления пара, понижения точки замерзания (криоскопия
)и повышения точки кипения (эбулиоскопия
)р-ров по сравнению с чистым р-рителем. При этом было открыто "аномальное" поведение электролитов.
Понижение давления пара над р-ром зависит от молярной доли растворенного в-ва (закон Рауля): [( р - р 0
)/р] = N,
где р 0 ->
давление пара чистого р-рителя, р-
давление пара над р-ром, N-
молярная доля исследуемого растворенного в-ва, N =
( т х
/ М х
)/[( т х
/ М х
) +
(m 0 /M 0)], x
и М х -соотв. навеска (г) и М. м. исследуемого в-ва, m 0 и М 0 -то же для р-рителя. В ходе определений проводят экстраполяцию к бесконечно разб. р-ру, т. е. устанавливают для р-ров исследуемого в-ва и для р-ров известного (стандартного) хим. соединения. В случае криоскопии и эбулиоскопии используют зависимости соотв. Dt 3 = Кс
и Dt к = Еc,
где Dt 3 -понижение т-ры замерзания р-ра, Dt к - повышение т-ры кипения р-ра, К
и Е-
соотв. криоскопич. и эбулиоскопич. постоянные р-рителя, определяемые по стандартному растворенному в-ву с точно известной М. м., с-моляльная исследуемого в-ва в р-ре ( с = М х т х.
1000/m 0). М. м. рассчитывают по ф-лам: М х = т х К.
1000/m 0 Dt 3 или М х = т х Е.
1000/m 0 Dt к. Методы характеризуются достаточно высокой точностью, т. к. существуют спец. (т. наз. термометры Бекмана), позволяющие измерять весьма малые изменения т-ры.
Для определения М. м. используют также изотермич. перегонку р-рителя. При этом пробу р-ра исследуемого в-ва вносят в камеру с насыщ. паром р-рителя (при данной т-ре); пары р-рителя конденсируются, т-ра р-ра повышается и после установления равновесия вновь понижается; по изменению т-ры судят о кол-ве выделившейся теплоты испарения, к-рая связана с М. м. растворенного в-ва. В т. наз. изопиестич. методах проводят изотермич. перегонку р-рителя в замкнутом объеме, напр. в Н-образном сосуде. В одном колене сосуда находится т. наз. р-р сравнения, содержащий известную массу в-ва известной М. м. (молярная концентрация C 1), в другом-р-р, содержащий известную массу исследуемого в-ва (молярная концентрация С 2
неизвестна). Если, напр., С 1 > С 2 ,>
р-ритель перегоняется из второго колена в первое, пока молярные концентрации в обоих коленах не будут равны. Сопоставляя объемы полученных изопиестич. р-ров, рассчитывают М. м. неизвестного в-ва. Для определения М. м. можно измерять массу изопиестич. р-ров с помощью весов Мак-Бена, к-рые представляют собой две чашечки, подвешенные на пружинках в закрытом стеклянном сосуде; в одну чашечку помещают исследуемый р-р, в другую-р-р сравнения; по изменению положения чашечек определяют массы изопиестич. р-ров и, следовательно, М. м. исследуемого в-ва.
Осн. методом определения атомных и мол. масс летучих в-в является масс-спектрометрия.
Для исследования смеси соед. эффективно использование хромато-масс-спектромет-рии.
При малой интенсивности пика мол. иона применяют эффузиометрич. приставки к масс-спектрометрам. Эффузио-метрич. способ основан на том, что скорость вытекания газа в из камеры через отверстие, диаметр к-рого значительно меньше среднего пути своб. пробега молекулы, обратно пропорциональна квадратному корню из М. м. в-ва; скорость вытекания контролируют по изменению давления в камере. М. м. летучих соед. определяют также методами газовой хроматографии с газовыми весами Мартина. Последние измеряют скорость перемещения газа в канале, соединяющем трубки, по к-рым текут газ-носитель и газ из хроматографич. колонки, что позволяет определять разницу плотностей этих газов, зависящую от М. м. исследуемого в-ва.
М. м. измеряют для идентификации хим. соед., для установления содержания отдельных нуклидов в соед., напр. в воде, используемой в атомных энергетич. установках, а также при исследовании и синтезе высокомол. соед., св-ва к-рых существенно зависят от их М. м. (см. Молекулярная масса полимера).
Средние значения М. м. полимеров устанавливают с помощью перечисленных выше методов, основанных на коллигативных св-вах разбавленных р-ров, по числу двойных связей ("мягким" озонолизом) или функц. групп (методами функцион. анализа), а также по таким св-вам их р-ров, как , светорассеяние. Средние значения мол. масс полимеров высокой степени полимеризации определяют по их реологич. характеристикам.
Лит.:
Рафиков С. Р., Павлова С. А., Твердохлебова И. И., Методы определения молекулярных весов и полидисперсности высокомолекулярныхсоединений, М., 1963; Полинг Л., Полинг П., Химия, пер. с англ., М., 1978; Вилков Л. В., Пентин Ю. А., Физические методы исследования в химии, М., 1987. Ю. А. Клячко.
Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .
Смотреть что такое "МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАССА" в других словарях:
Значение массы молекулы, выраженное в атомных единицах массы. Практически М. м. равна сумме масс входящих в неё атомов (см. АТОМНАЯ МАССА). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия
- (молекулярный вес) масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы. Практически равна сумме масс всех атомов, из которых состоит молекула. Величины молекулярной массы используются в химических, физических и химико технических расчетах … Большой Энциклопедический словарь
- (масса моля), термин ранее использовался для обозначения ОТНОСИТЕЛЬНОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ … Научно-технический энциклопедический словарь
Молекулярная масса М м - Молекулярная масса, М. м. * малекулярная маса, М. м. * molecular mass or M. m. масса молекулы, не имеющая собственных единиц измерения, поэтому обычно в этом смысле используют термин «молекулярный вес» (см.) … Генетика. Энциклопедический словарь
молекулярная масса - — Тематики биотехнологии EN molecular mass … Справочник технического переводчика
Молекулярная масса - – относительная величина, отношение массы молекулы данного вещества к 1/12 части массы атома Изотопа углерода С12. [Ушеров Маршак А. В. Бетоноведение: лексикон. М.: РИФ Стройматериалы. 2009. – 112 с.] Рубрика термина: Общие термины… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
молекулярная масса - santykinė molekulinė masė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Molekulės vidutinės masės arba tiksliai apibrėžto medžiagos darinio masės ir nuklido ¹²C atomo masės 1/12 dalies dalmuo. atitikmenys: angl. molecular mass;… …
молекулярная масса - santykinė molekulinė masė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Molekulę sudarančių atomų santykinių atominių masių suma, skaitine verte lygi medžiagos molio masei. atitikmenys: angl. molecular mass; molecular weight;… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
молекулярная масса - santykinė molekulinė masė statusas T sritis chemija apibrėžtis Molekulę sudarančių atomų santykinių atominių masių suma, skaitine verte lygi vieno medžiagos molio masei. atitikmenys: angl. molecular mass; molecular weight; relative molecular mass … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
- (молекулярный вес), масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы. Практически равна сумме масс всех атомов, из которых состоит молекула. Величины молекулярной массы используются в химических, физических и химико технологических расчётах. * … Энциклопедический словарь
Книги
- Характеристики углеводородов. Анализ численных данных и их рекомендованные значения. Справочное издание , Ю. А. Лебедев , А. Н. Кизин , Т. С. Папина , И. Ш. Сайфуллин , Ю. Е. Мошкин , В настоящей книге представлены важнейшие численные характеристики ряда углеводородов, среди которых рассматриваются следующие физико-химические константы: молекулярная масса, температура… Категория: Химия Издатель: ЛЕНАНД , Производитель:
Многие опыты показывают, что размер молекулы очень мал. Линейный размер молекулы или атома можно найти различными способами. Например, с помощью электронного микроскопа, получены фотографии некоторых крупных молекул, а с помощью ионного проектора (ионного микроскопа) можно не только изучить строение кристаллов, но определить расстояние между отдельными атомами в молекуле.
Используя достижения современной экспериментальной техники, удалось определить линейные размеры простых атомов и молекул, которые составляют около 10-8 см. Линейные размеры сложных атомов и молекул намного больше. Например, размер молекулы белка составляет 43*10 -8 см.
Для характеристики атомов используют представление об атомных радиусах, которые дают возможность приближённо оценить межатомные расстояния в молекулах, жидкостях или твёрдых телах, так как атомы по своим размерам не имеют чётких границ. То есть атомный радиус – это сфера, в которой заключена основная часть электронной плотности атома (не менее 90…95%).
Размер молекулы настолько мал, что представить его можно только с помощью сравнений. Например, молекула воды во столько раз меньше крупного яблока, во сколько раз яблоко меньше земного шара.
Моль вещества
Массы отдельных молекул и атомов очень малы, поэтому в расчётах удобнее использовать не абсолютные значения масс, а относительные.
Относительная молекулярная масса (или относительная атомная масса ) вещества М r – это отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода.
М r = (m 0) : (m 0C / 12)
где m 0 – масса молекулы (или атома) данного вещества, m 0C – масса атома углерода.
Относительная молекулярная (или атомная) масса вещества показывает, во сколько раз масса молекулы вещества больше 1/12 массы изотопа углерода С 12 . Относительная молекулярная (атомная) масса выражается в атомных единицах массы.
Атомная единица массы – это 1/12 массы изотопа углерода С 12 . Точные измерения показали, что атомная единица массы составляет 1,660*10 -27 кг, то есть
1 а.е.м. = 1,660 * 10 -27 кг
Относительная молекулярная масса вещества может быть вычислена путём сложения относительных атомных масс элементов, входящих в состав молекулы вещества. Относительная атомная масса химических элементов указана в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.
В периодической системе Д.И. Менделеева для каждого элемента указана атомная масса , которая измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.). Например, атомная масса магния равна 24,305 а.е.м., то есть магний в два раза тяжелее углерода, так как атомная масса углерода равна 12 а.е.м. (это следует из того, что 1 а.е.м. = 1/12 массы изотопа углерода, который составляет большую часть атома углерода).
Зачем измерять массу молекул и атомов в а.е.м., если есть граммы и килограммы? Конечно, можно использовать и эти единицы измерения, но это будет очень неудобно для записи (слишком много чисел придётся использовать для того, чтобы записать массу). Чтобы найти массу элемента в килограммах, нужно атомную массу элемента умножить на 1 а.е.м. Атомная масса находится по таблице Менделеева (записана справа от буквенного обозначения элемента). Например, вес атома магния в килограммах будет:
m 0Mg = 24,305 * 1 a.e.м. = 24,305 * 1,660 * 10 -27 = 40,3463 * 10 -27 кг
Массу молекулы можно вычислить путём сложения масс элементов, которые входят в состав молекулы. Например, масса молекулы воды (Н 2 О) будет равна:
m 0Н2О = 2 * m 0H + m 0O = 2 * 1,00794 + 15,9994 = 18,0153 a.e.м. = 29,905 * 10 -27 кг
Моль равен количеству вещества системы, в которой содержится столько же молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода С 12 . То есть, если у нас есть система с каким-либо веществом, и в этой системе столько же молекул этого вещества, сколько атомов в 0,012 кг углерода, то мы можем сказать, что в этой системе у нас 1 моль вещества .
Постоянная Авогадро
Количество вещества ν равно отношению числа молекул в данном теле к числу атомов в 0,012 кг углерода, то есть количеству молекул в 1 моле вещества.
ν = N / N A
где N – количество молекул в данном теле, N A – количество молекул в 1 моле вещества, из которого состоит тело.
N A – это постоянная Авогадро. Количество вещества измеряется в молях.
Постоянная Авогадро – это количество молекул или атомов в 1 моле вещества. Эта постоянная получила своё название в честь итальянского химика и физика Амедео Авогадро (1776 – 1856).
В 1 моле любого вещества содержится одинаковое количество частиц.
N A = 6,02 * 10 23 моль -1
Молярная масса – это масса вещества, взятого в количестве одного моля:
μ = m 0 * N A
где m 0 – масса молекулы.
Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль = кг*моль -1).
Молярная масса связана с относительной молекулярной массой соотношением:
μ = 10 -3 * M r [кг*моль -1 ]
Масса любого количества вещества m равна произведению массы одной молекулы m 0 на количество молекул:
m = m 0 N = m 0 N A ν = μν
Количество вещества равно отношению массы вещества к его молярной массе:
ν = m / μ
Массу одной молекулы вещества можно найти, если известны молярная масса и постоянная Авогадро:
m 0 = m / N = m / νN A = μ / N A
Более точное определение массы атомов и молекул достигается при использовании масс-спректрометра – прибора, в котором происходит разделение пучком заряженных частиц в пространстве в зависимости от их массы заряда при помощи электрических и магнитных полей.
Для примера найдём молярную массу атома магния. Как мы выяснили выше, масса атома магния равна m0Mg = 40,3463 * 10 -27 кг. Тогда молярная масса будет:
μ = m 0Mg * N A = 40,3463 * 10 -27 * 6,02 * 10 23 = 2,4288 * 10 -2 кг/моль
То есть в одном моле «помещается» 2,4288 * 10 -2 кг магния. Ну или примерно 24,28 грамм.
Как видим, молярная масса (в граммах) практически равна атомной массе, указанной для элемента в таблице Менделеева. Поэтому когда указывают атомную массу, то обычно делают так:
Атомная масса магния равна 24,305 а.е.м. (г/моль).
В химии чрезвычайно важным является понятие «молекулярная масса». Молекулярную массу часто путают с молярной массой. Чем отличаются эти величины, и какими свойствами обладают?
Молекулярная масса
Атомы и молекулы – мельчайшие частицы любых химических вещества. Если постараться выразить их массу в граммах, то получится число, в котором перед запятой будет находиться около 20 нулей. Поэтому измерять массу в таких единицах, как граммы, неудобно. Чтобы выйти из этой ситуации, следует какую-нибудь очень малую массу принять за единицу, а все остальные массы выражать по отношению к ней. В качестве этой единицы используют 1/12 массы атома углерода.
Относительна молекулярная масса – это масса молекулы вещества, которую измеряют в атомных единицах массы. Молекулярная масса равна отношению массы молекулы того или иного вещества к 1/12 части массы атома углерода. Она показывает, во сколько раз масса молекулы определенного вещества больше 1/12 массы атома углерода.
Рис. 1. Таблица молекулярных масс органических веществ.
Атомная единица массы (а. е. м.) равна 1,66*10 в -24 степени и представляет собой 1/12 часть массы атома углерода, то есть атома изотопа элемента углерода массовое число которого равно 12. Химический элемент в природе может иметь несколько устойчивых изотопов, поэтому, когда говорят об относительной атомной массе элемента или, как часто говорят, об атомной массе элемента A, то обязательно учитывают атомную массу всех устойчивых нуклидов.
Молекулярную массу часто путают с молярной массой, единицей измерения которой является г/моль. И действительно численно эти две величины абсолютно идентичны, однако размерность у них абсолютно разная.
Относительную молекулярную массу можно найти, сложив между собой атомные массы
Чтобы вычислить молекулярную массу простых и сложных веществ, необходимо найти сумму относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы. Например, относительная молекулярная масса воды Mr (H 2 O), которая состоит, как известно, из двух атомов водорода и одного атома кислорода, равна 1*2+16=18.
Это означает, что масса молекулы воды в 18 раз больше 1/12 массы атома углерода. А молекулярная масса воздуха равна 29.
Рис. 2. Формула относительная молекулярная масса.
Атомная масса
Атомная масса химического элемента – также одно из важнейших обозначений в химии. Атомная масса – это средняя величина из атомных масс устойчивых природных изотопов этого элемента с учетом их относительного содержания в природе (их природного распространения). Так, в природе существуют два устойчивых изотопа элемента хлора Cl с массовыми числами 35 и 37:
Ar(Cl)=(34.97*0.7553)+(36.95*0.2447)=35.45 – именно такая величина принята для элемента хлора в качестве его относительной атомной массы.
Впервые вычисление атомных весов были сделаны Д. Дальтоном. Атомные веса элементов он относил к атомному весу водорода, приняв его за единицу. Однако вычисленные в соответствии с его принципом «наибольшей простоты» вес атома кислорода и некоторых других элементов оказались неверными.
Рис. 3. Д. Дальтон.
Истинные атомные массы являются мизерными. Атом водорода весит 1,674*10 в -24 степени грамм, кислорода 26,67*10 в -24 степени грамм, а углерода 19,993*10 в -24 степени грамм.