Масса молекул. Количество вещества и моль

При расчетах химических процессов необходимо оперировать массами веществ в абсолютных и относительных единицах. Эти величины требуется поставить в соответствие с числом частиц, участвующих во взаимодействиях. Выразив через количество вещества это множество объектов микромира, химики получили возможность быстро, без громоздких вычислений решать задачи, связанные с соотношением веществ.

Размеры и масса структурных единиц вещества

Вещество строится из микроскопических частиц – атомов и молекул. Атом – это носитель индивидуальных свойств химического элемента, наименьшая частица, способная вступать в химическое взаимодействие. Молекула – устойчивое сочетание атомов – является минимальной порцией вещества, которой присущи его химические свойства.

У атома нет четкой границы. Его радиус определяется по правилам квантовой механики и зависит от заряда ядра. Величины атомных радиусов лежат в диапазоне от 3,1∙10-11 м у гелия до 2,9∙10-10 м у франция. Характерный размер большинства атомов – 10-10 м. Размеры молекул сопоставимы с атомными.

Массы атомов сильно различаются. Легчайший атом с массой 1,67∙10-27 кг принадлежит водороду. Атом урана-238 имеет массу 3,95∙10-25 кг. Массу молекулы определяют сложением масс составляющих ее атомов.

Относительные массовые величины

Вести расчеты в абсолютных значениях масс атомов и молекул неудобно из-за их малости. Химики используют безразмерные величины, выражающие отношение массы частицы вещества к эталону – атомной единице массы (а. е. м.), в качестве которой выбрана 1/12 массы атома углерода.

где u – атомная единица массы; ma(C) – масса атома углерода.

• Относительная атомная масса показывает, во сколько раз атом химического элемента массивнее эталона:

Для кислорода она составляет для водорода . Относительные атомные массы элементов указаны в периодической таблице Д. И. Менделеева. Их округляют до целых чисел, за исключением атомной массы хлора (35,5).

• Относительная молекулярная масса – это отношение массы молекулы вещества к а. е. м.:

Эта величина есть сумма относительных масс атомов, образующих молекулу. Так, для сероводорода она равна Mr (H2S)=2∙Ar (H)+Ar (S)=2∙1+32=34.

• Относительная формульная масса – характеристика веществ, имеющих немолекулярное строение. Это сумма относительных атомных масс химических элементов, образующих формульную единицу, с учетом индексов. Например, формульная масса поваренной соли Mr (NaCl)=Ar (Na)+Ar (Cl)=23+35,5=58,5.

Массовая доля

Из формулы соединения можно получить массовые доли входящих в его состав элементов:

где w(A) – массовая доля элемента A; x, y – индексы элементов A и B.

Пример: расчет массовых долей натрия и кислорода в оксиде натрия Na2O.

Проверка: 26+74=100%.

Формулу химического соединения можно установить по массовым долям. Пусть в соединении азота и кислорода NxOy на долю азота приходится 36,8% массы. Тогда массовая доля кислорода будет:100-36,8=63,2%. Далее вычисляется соотношение индексов x и y:

Следовательно, формула вещества – N2O3.

Химическое количество вещества

В качестве единицы измерения химического количества вещества в международной системе СИ принят моль – порция вещества, содержащая приблизительно структурных частиц. Столько атомов насчитывается в 0,012 кг углерода. Независимо от агрегатного состояния 1 моль любого вещества содержит молекул или формульных единиц.

Постоянная Авогадро

Величину , установленную в экспериментах, называют постоянной Авогадро и обозначают символом NA. Эта константа устанавливает масштаб соотношений, показывающих, как найти количество вещества n из числа атомов или молекул в веществе N(X), или произвести обратные вычисления:

Например, число молекул в 2 молях азотной кислоты составит

Молярная масса

Существует величина, выражающая массу одного моля вещества, – молярная масса. Она равна отношению массы к количеству вещества и имеет размерность кг/моль или, чаще, г/моль:

Молярная масса элемента равна массе его атомов. В единицах г/моль она численно совпадает с величиной относительной атомной массы и для углерода равна:

Молярные массы соединений вычисляют путем сложения:

Молярная масса воды составляет 1 моль молекул воды содержит 2 моля атомов водорода и 1 моль атомов кислорода.

По молярной массе можно найти, сколько молей составляет количество вещества некоторой массы:

Например, 280 г оксида кальция соответствует количество

Эквивалентная масса

Количество вещества, реагирующее с 1 молем ионов водорода, называется эквивалентом, а его масса mэкв – эквивалентной. Она рассчитывается из молярной массы и зависит от того, к какому классу соединений принадлежит вещество.

С помощью этой величины описывают химические взаимодействия, опираясь на закон эквивалентов: отношение масс реагентов (и продуктов реакции) пропорционально отношению их эквивалентных масс:

Это упрощает расчеты, позволяя обойтись без составления уравнения реакции.

Задачи

Задача 1. Определите относительные молекулярные массы:

1. фосфорной кислоты H3PO4;
2. нитрата кальция Ca(NO3)2.

Задача 2. Определите массовые доли химических элементов:

1. в сульфате калия K2SO4;
2. в оксиде алюминия Al2O3.

Задача 3. Определите формулу:

1. соединения водорода и фтора с массовой долей водорода 5%;
2. соединения углерода, кальция и кислорода с массовыми долями кислорода и углерода соответственно 48% и 12%.

Задача 4. Определите химическое количество вещества:

1. в 31 г фосфора;
2. в 240 г оксида магния.

Задача 5. Определите число молекул:

1. в 360 г воды;
2. в 80 г брома.

Задача 6. Определите массу:

1. серной кислоты химическим количеством 0,25 моль;
2. хлорида цинка химическим количеством 2,5 моль.

Решения задач