Понятието моларно и молекулно тегло. Моларна маса на азот, водород и въздух
Хипотезата, предложена от древногръцкия философ Демокрит за съществуването на неделими елементарни частици, от които се формира цялата материя, е призната от учените след петнадесет хиляди години. Концепцията за моларната маса на химичното вещество най-накрая се оформя само в началото на 20-ти век. В тази статия разглеждаме тази концепция, фокусирайки се върху моларната маса на азота и водорода.
Амедео Авогадро и неговият закон
В началото на XIX век науката вече установи, че всички вещества се състоят от малки частици. Тези частици се наричат атоми или молекули. В този случай двата термина са използвани като синоними.
По това време известният италиански адвокат, физик и математик Амедео Авогадро проведе серия от експерименти с различни газове, включително въздух. Ученият стигна до удивително заключение, което в момента се нарича закон Авогадро за газовете. Той може да бъде формулиран по следния начин: при същите условия равните количества газове съдържат еднакъв брой частици, които ги образуват. Равни условия са температура и налягане.
Забележете, че самият Авогадро не може да прецени броя на посочените от него частици в газа за реални обеми. Въпреки това, стойността на този закон е огромна, защото се казва, че независимо от химичната природа на атомите или молекулите, газовете се държат по същия начин.
Творбите на Авогадро не са били възприети сериозно от европейските учени по това време. Отне няколко десетилетия, за да се помнят отново.
Опитът на Йохан Лошмид и Жан Перин
През 1865 г. австриецът Йохан Лошмид провежда серия от експерименти, които водят до среден диаметър на въздушните молекули. Знаейки тази стойност, той е в състояние да определи броя на молекулите на единица обем. Експериментите на Лошмит се считат за първите в историята на измерване на броя на молекулите в газовите смеси.
През 1909 г. французинът Жан Перин провежда експерименти, което води до определяне на броя на молекулите в различни газове за различни обеми. През 1926 г. за тези експерименти получава Нобелова награда по физика.
Перин предложи за базовата единица за всякакви химически изчисления да вземе броя на атомите, който се съдържа в 1 грам атомния водород. Впоследствие, тази сума беше предефинирана от него за 1/12 грама въглерод-12. Беше Перин, който предложи тази стойност да бъде номерът на Авогадро.
Константата на Авогадро и веществената единица
Броят на Авогадро, измерен от Перин, се оказа N A = 6.022 * 10 23 . Това означава, че само 1 грам атомния водород (Н) или 2 грама молекулен водород (Н2) съдържат N А частици. Ясно е, че на практика е неудобно да се работи с такива номера. Поради това, през втората половина на 20-ти век, на едно от заседанията на Международната камара на тежестите и мерките беше решено номерът на Авогадро да бъде включен като един от 7-те основни единици за измерване в СИ. Тази единица се нарича мол.
По този начин, 1 mol е броят на съставните частици на вещество (молекули, атоми и т.н.), което е равно на броя N A.
Понятие за моларна маса
Моларната маса на азота или на всяко друго химично вещество е физична величина, равна на масата на един мол частици. Тази стойност обикновено се обозначава със символа M s , където индексът показва кое вещество съответства на стойността. Моларната маса се изразява в система SI в килограми на мол. На практика обаче тези единици рядко се използват. Най-често се използват грамове на мол (g / mol).
Да дадем пример. По-горе беше казано, че 2 грама Н2 газ съдържа N А молекули. Тогава получаваме:
М Н = m (Н2) / N A.
Тъй като N A по дефиниция е 1 mol, тогава моларната маса на молекулярния водород е 2 грама.
Концепцията за молекулно тегло
Въз основа на името е ясно, че молекулното тегло е масата на една молекула от определено химично вещество. За разлика от моларната маса, тази стойност се изразява в SI в килограми (amu на практика).
Използвайки примера по-горе с молекулен водород, лесно може да се изчисли масата на Н2 молекулата. Тъй като масата на молекулите N А е 2 грама, тогава за една молекула получаваме:
М2 = m (Н2) / N А = 2 * 10 -3 [kg] / 6.022 * 10 23 = 3.321 * 10 -27 kg.
За атомния водород, който има два пъти по-малка маса, намерената стойност също ще бъде два пъти по-малка, т.е.
М Н = М Н2 / 2 = 1.66 * 10 -27 kg.
Както се вижда, типичните маси от атоми и молекули са много малки. С тях е също толкова неудобно да се извършват изчисления, както при големи числа. Затова беше въведена нова единица за измерване, която се нарича атомна единица маса, или съкратена а. напр. т. съответства на масата на протона, т.е.
Благодарение на тази дефиниция, моларните и молекулярните маси съвпадат една с друга числено, въпреки че техните мерни единици са различни. Например, за същия водород установихме, че моларната маса е 2 g / mol, а молекулната маса е 2 amu.
Имайте предвид, че тези стойности за всеки химичен елемент са измерени и са показани в периодичната таблица.
Изотопи и тяхното въздействие върху моларните и молекулните тегла
Теоретичната информация и изчисления, дадени в предходните параграфи на статията, казват, че моларната маса на водороден атом е 1 g / mol (атомна е 1 amu). Ако се обърнем към периодичната таблица, вместо числото 1 за Н е стойността на 1.00794. Защо има несъответствие с броя, който получихме?
Отговорът на този въпрос е свързан с съществуването в природата на изотопи - атоми, които съдържат същия брой протони (електрони), но различен брой неутрони. Тъй като масите на протона и неутрона са приблизително равни, откриваме, че масите на изотопите на химичния елемент ще се различават един от друг. Например, деутерий - водород, състоящ се от неутрон, протон и електрон, вече има атомна маса от 2 amu.
Атомната маса, показана в периодичната таблица за всеки елемент, е определена средна Мп за всички изотопи, открити в природата. Може да се изчисли по формулата:
M¯ = ∑ i (x i * M i ).
Тук x i е относителното количество на изотопа i в сместа, M i е атомната му маса. Отбележете, че тази формула може да се използва за определяне на средната моларна маса на газовата смес.
Моларно и молекулно тегло на азот
За да се определи масата на азота, трябва първо да се припомни химическата му формула. Символът азот в периодичната таблица съответства на латинската буква N (номер 7). Под него можете да видите, че атомната маса на азота е 14.0067 amu.
Азотната молекула се състои от два атома и е доста стабилна (тя влиза в химична реакция при екстремни условия, например, когато мълниите се изхвърлят в атмосферата). След това откриваме, че моларната маса на азота е:
М N2 = 2 х М N = 14,0067 * 2 = 28,0134 g / mol.
За химически изчисления често се използва стойност от 28 g / mol.
Що се отнася до молекулното тегло на азота, може да се определи, ако си припомним, че 1 мол всяка субстанция съдържа N А частици. Тъй като 1 мол N2 има маса от 28,0134 грама, тогава масата на една от неговите молекули е равна на:
М N2 = 28,0134 * 10 -3 [kg] / 6,022 * 10 23 = 4,652 * 10 -26 kg.
Моларна маса на въздушната смес
Показано е как е възможно да се определят моларните маси на абсолютно всички газови смеси. За това трябва да знаете следните данни:
- Химичният състав на сместа.
- Моларната маса на всеки компонент в нея.
- Пропорцията на всеки компонент в сместа.
Средният състав на въздуха на нашата планета е както следва (в атомни проценти):
- N 2 78,09.
- O 2 20.95.
- Ar 0.93.
- CO 2 0,04.
Първо, изчисляваме моларната маса на всяко съединение, като използваме периодичната таблица. Моларната маса на азота, ние вече знаем, тя е равна на 28,0134 g / mol. За останалите компоненти имаме:
М2 = 31.9988 g / mol.
М Аг = 39,948 g / mol.
МСО = 44,0095 g / mol.
Използвайки формулата за средната маса за всички изотопи, която също е приложима в този случай, получаваме:
M¯ = ( i (x i * M i ) = 0.7809 * 28.0134 + 0.2095 * 31.9988 + 0.0093 * 39.948 + 0.0004 * 44.0095 = 28.9685 g / mol.
Често получената стойност се закръгля до 29 g / mol.
Така въздухът е средно по-лек от всичките му съставни компоненти, с изключение на азота. Близостта на полученото молекулно тегло към това за N2 се дължи на факта, че почти 80% от въздуха се състои от този газ.