Формула молярной массы. Старт в науке. Что такое молярная масса

Атомы и молекулы – мельчайшие частицы вещества, поэтому в качестве единицы измерения можно выбрать массу одного из атомов и выражать массы других атомов в соотношении с выбранной. Так что же такое молярная масса, и какова ее размерность?

Что такое молярная масса?

Основоположником теории атомных масс был ученый Дальтон, который составил таблицу атомных масс и принял массу атома водорода за единицу.

Молярная масса – это масса одного моля вещества. Моль, в свою очередь, – количество вещества, в котором содержится определенное количество мельчайших частиц, которые участвуют в химических процессах. Количество молекул, содержащихся в одном моле, называют числом Авогадро. Эта величина является постоянной и не изменяется.

Рис. 1. Формула числа Авогадро.

Таким образом, молярная масса вещества – это масса одного моля, в котором находится 6,02*10^23 элементарных частиц.

Число Авогадро получило свое название в честь итальянского ученого Амедео Авагадро, который доказал, что число молекул в одинаковых объемах газов всегда одинаково

Молярная масса в Международной системе СИ измеряется в кг/моль, хотя обычно эту величину выражают в грамм/моль. Эта величина обозначается английской буквой M, а формула молярной массы выглядит следующим образом:

где m – масса вещества, а v – количество вещества.

Рис. 2. Расчет молярной массы.

Как найти молярную массу вещества?

Вычислить молярную массу того или иного вещества поможет таблица Д. И. Менделеева. Возьмем любое вещество, например, серную кислоту.Ее формула выглядит следующим образом: H 2 SO 4 . Теперь обратимся к таблице и посмотрим, какова атомная масса каждого из входящих в состав кислоты элементов. Серная кислота состоит из трех элементов – водород, сера, кислород. Атомная масса этих элементов соответственно – 1, 32, 16.

Получается, что суммарная молекулярная масса равна 98 атомных единиц массы (1*2+32+16*4). Таким образом, мы выясняли, что один моль серной кислоты весит 98 грамм.

Молярная масса вещества численно равна относительной молекулярной массе, если структурными единицами вещества являются молекулы. Молярная масса вещества также может быть равна относительной атомной массе, если структурными единицами вещества являются атомы.

Вплоть до 1961 года за атомную единицу массы принимали атом кислорода, но не целый атом а его 1/16 часть. При этом химическая и физическая единицы массы не были одинаковыми. Химическая была на 0,03% больше, чем физическая.

В настоящее время в физике и химии принята единая система измерения. В качестве стандартной е.а.м. выбрана 1/12 часть массы атома углерода.

Рис. 3. Формула единицы атомной массы углерода.

Молярная масса любого газа или пара измеряется очень легко. Достаточно использовать контроль. Один и тот же объем газообразного вещества равен по количеству вещества другому при одинаковой температуре. Известным способом измерения объема пара является определение количество вытесненного воздуха. Такой процесс осуществляется с использованием бокового отвода, ведущего к измерительному устройству.

Понятие молярной массы является очень важным для химии. Ее расчет необходим для создания полимерных комплексов и множества других реакций. В фармацевтике с помощью молярной массы определяют концентрацию данного вещества в субстанции. Также молярная масса важна при провидении биохимических исследований (обменный процесс в элементе).

В наше время благодаря развитию науки известны молекулярные массы практически всех составляющих крови, в том числе и гемоглобина.

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.

В химии не используют значения абсолютных масс молекул, а пользуются величиной относительная молекулярная масса. Она показывает, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода. Эту величину обозначают M r .

Относительная молекулярная масса равна сумме относительных атомных масс входящих в нее атомов. Вычислим относительную молекулярную массу воды.

Вы знаете, что в состав молекулы воды входят два атома водорода и один атом кислорода. Тогда ее относительная молекулярная масса будет равна сумме произведений относительной атомной массы каждого химического элемента на число его атомов в молекуле воды:

Зная относительные молекулярные массы газообразных веществ, можно сравнивать их плотности, т. е. вычислять относительную плотность одного газа по другому - D(А/Б). Относительная плотность газа А по газу Б равна отношению их относительных молекулярных масс:

Вычислим относительную плотность углекислого газа по водороду:

Теперь вычисляем относительную плотность углекислого газа по водороду:

D(угл. г./водор.) = M r (угл. г.) : M r (водор.) = 44:2 = 22.

Таким образом, углекислый газ в 22 раза тяжелее водорода.

Как известно, закон Авогадро применим только к газообразным веществам. Но химикам необходимо иметь представление о количестве молекул и в порциях жидких или твердых веществ. Поэтому для сопоставления числа молекул в веществах химиками была введена величина - молярная масса .

Молярная масса обозначается М , она численно равна относительной молекулярной массе.

Отношение массы вещества к его молярной массе называется количеством вещества .

Количество вещества обозначается n . Это количественная характеристика порции вещества, наряду с массой и объемом. Измеряется количество вещества в молях.

Слово «моль» происходит от слова «молекула». Число молекул в равных количествах вещества одинаково.

Экспериментально установлено, что 1 моль вещества содержит частиц (например, молекул). Это число называется числом Авогадро. А если к нему добавить единицу измерения - 1/моль, то это будет физическая величина - постоянная Авогадро, которая обозначается N А.

Молярная масса измеряется в г/моль. Физический смысл молярной массы в том, что эта масса 1 моль вещества.

В соответствии с законом Авогадро, 1 моль любого газа будет занимать один и тот же объем. Объем одного моля газа называется молярным объемом и обозначается V n .

При нормальных условиях (а это 0 °С и нормальное давление - 1 атм. или 760 мм рт. ст. или 101,3 кПа) молярный объем равен 22,4 л/моль.

Тогда количество вещества газа при н.у. можно вычислить как отношение объема газа к молярному объему.

ЗАДАЧА 1 . Какое количество вещества соответствует 180 г воды?

ЗАДАЧА 2. Вычислим объем при н.у., который займет углекислый газ количеством 6 моль.

Список литературы

1. Сборник задач и упражнений по химии: 8-й класс: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. - М.: АСТ: Астрель, 2006. (с. 29-34)
2. Ушакова О.В. Рабочая тетрадь по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006. (с. 27-32)
3. Химия: 8-й класс: учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005. (§§ 12, 13)
4. Химия: неорг. химия: учеб. для 8 кл. общеобр.учрежд. / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009. (§§ 10, 17)
5. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. - М.: Аванта+, 2003.

1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
2. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().
3. Тесты по химии (онлайн) ().

Домашнее задание

1. с.69 № 3; с.73 №№ 1, 2, 4 из учебника «Химия: 8-й класс» (П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005).

2. №№ 65, 66, 71, 72 из Сборника задач и упражнений по химии: 8-й класс: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. - М.: АСТ: Астрель, 2006.

Для этого нужно сложить массы всех атомов в этой молекуле.

Пример 1. В молекуле воды Н 2 О 2 атома водорода и 1 атом кислорода. Атомная масса водорода = 1, а кислорода = 16. Поэтому молекулярная масса воды равна 1 + 1 + 16 = 18 атомных единиц массы, а молярная масса воды =18 г/моль.

Пример 2. В молекуле серной кислоты Н 2 SO 4 2 атома водорода, 1 атом серы и 4 атома кислорода. Поэтому молекулярная масса этого вещества составит 1 2 + 32 + 4 16 = 98 а.е.м, а молярная масса - 98 г/моль.

Пример 3. В молекуле сульфата алюминия Al 2 (SO 4) 3 2 атома алюминия, 3 атома серы и 12 атомов кислорода. Молекулярная масса этого вещества равна 27 · 2 + 32 · 3 + 16 · 12 = 342 а.е.м., а молярная масса - 342г/моль.

Моль, молярная масса

Молярная масса - это отношение массы вещества к количеству вещества, т.е. М(х) = m(x)/n(x), (1)

где М(х) - молярная масса вещества Х, m(x) – масса вещества Х, n(x) - количество вещества Х.

Единица СИ молярной массы - кг/моль,однако обычно используется единица г/моль. Единица массы - г, кг.

Единица СИ количества вещества - моль.

Моль - это такое количество вещества, в котором содержится 6,02·10 23 молекул этого вещества.

Любая задача по химии решается через количество вещества. Необходимо помнить основные формулы:

n(x) =m(x)/ М(х)

или общую формулу: n(x) =m(x)/М(х) = V(x)/Vm = N/N A , (2)

где V(x) – объем вещества Х(л), V m - молярный объем газа при н.у. (22,4 л/моль), N - число частиц, N A - постоянная Авогадро (6,02·10 23).

Пример 1. Определите массу иодида натрия NaI количеством вещества 0,6 моль.

Пример 2. Определите количество вещества атомного бора,содержащегося в тетраборате натрия Na 2 B 4 O 7 массой 40,4 г.

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.