На законе Авогадро основан важнейший метод определения мо­лекулярных весов газообразных веществ. Но прежде чем гово­рить об этом методе, следует напомнить, в каких единицах выра­жаются молекулярные и атомные веса.

При вычислениях атомных весов первоначально принимали за единицу вес атома водорода, как самого легкого элемента, и по отношению к нему вычисляли атомные веса других элементов. Но так как для большинства элементов атомные веса опреде­ляются из их кислородных соединений, фактически вычисле­ния производились по отношению к атомному весу кислорода, который считался равным 16. Отношение между атомными ве­сами кислорода и водорода принималось равным 16:1. Впослед­ствии более точные исследования показали, что это отношение равно 15,88: 1, или 16: 1,008. Следовательно, если считать атом­ный вес водорода равным 1, атомный вес кислорода будет 15,88. Из практических соображений было решено оставить для кисло­рода атомный вес 16, приняв для водорода атомный вес 1,008.

Таким образом, в настоящее время единицей веса атомов яв­ляется 1 / 16 часть веса атома кислорода. Эта единица получила название«кислородной един ицы». Вес атома водорода равен 1,008 кислородной единицы, вес атома серы - 32,06 кисло­родной единицы и т, д.

Атомным весом элемента называется вес его атома, выра­ женный в кислородных единицах.

Так как вес молекулы любого равен сумме весов образующих ее атомов, понятно, что молекулярные веса должны выражаться в тех же единицах, что и атомные веса. Например, вес молекулы водорода, состоящей из двух атомов, равен 2,016 кислородной единицы; вес молекулы кислорода, также состоящей из двух атомов, равен 32 кислородным еди­ницам; вес молекулы воды, содержащей два атома водорода и один атом кислорода, равен 16 + 2,016=18,016 кислородной единицы и т. д.

Молекулярным весом простого или сложного назы­ вается вес его молекулы, выраженный в кислородных единицах.

Посмотрим теперь, как определяются молекулярные веса газообразных веществ.

По закону Авогадро, равные объемы газов, взятых при одина­ковом давлении и одинаковой температуре, содержат равное число молекул. Отсюда следует, что веса равных объемов двух газов должны относиться друг к другу, как их молекулярные веса.

Возьмем например, по одному литру двух различных газов. Пусть в каждом из них содержится по N молекул. Обозначим вес литра первого газа через g, а второго через g 1 . Молекулярные веса газов обозначим соответственно через М и M 1 . Так как вес литра газа равен сумме весов находящихся в нем молекул,

g = N M и g 1 =N M 1 Разделив первое равенство на второе, получим:(1)

Отношение веса данного газа к весу того же объема дру­гого газа, взятого при той же температуре и том же давлении, называется плотностью первого газа по второму. Например, 1 л углекислого газа весит 1,98 г, а 1 л водорода при тех же условиях 0,09 г, откуда плотность углекислого газа по водороду будет 1,98:0,09 = 22.

Обозначив плотность газа буквой D, перепишем уравнение (1):

откуда

M = D M 1 (2)

Молекулярный вес газа равен его плотности по отношению к другому газу, умноженной на молекулярный вес второго газа.

Очень часто плотности различных газов определяют по отно­шению к водороду как самому легкому из всех тазов. Так как молекулярный вес самого водорода равен 2,016, то в этом слу­чае формула для расчета молекулярных весов принимает вид:

М = 2,016 D

или, если округлить молекулярный вес водорода до 2:

М = 2 D

Вычисляя, например, по этой формуле молекулярный вес угле­кислого газа, плотность которого по водороду, как указано выше, равняется 22, находим:

М = 2 22 = 44

Нередко также вычисляют молекулярный вес газа, исходя из его плотности по воздуху. Хотя воздух представляет собой смесь нескольких газов, все же мы можем говорить о среднем мо­лекулярномвесе воздуха, определяемом из плотности воздуха по водороду. Найденный таким путем молекулярный вес воздуха равен 29.

Обозначив плотность исследуемого газа по воздуху через D 1 получим следующую формулу для вычисления молекулярных весов:

М = 29 D 1

Число 29 полезно запомнить, так как его часто применяют при расчетах.

Практически определение молекулярного веса сводится к из­мерению веса и объема некоторого количества исследуемого газа и последующему вычислению его плотности, после чего молеку­лярный вес находят прямопо формуле. Плотность газа может быть вычислена по отношению к любому другому газу, молеку­лярный вес которого и вес единицы объема известны. Но так как в справочниках указываются веса газов при нормальных усло­виях, а на опыте обычно приходится измерять вес и объем иссле­дуемого газа при других условиях, то для вычисления плотности газа нужно предварительно привести измеренный объем газа к нормальным условиям (0° и 760 мм давления).

Приведение к нормальным условиям производится на основа­нии уравнения, объединяющего газовые законы Бойля-Мариотта и Геи-Люссака:

где р и υ - соответственно давление и объем газа в условиях опыта; Р 0 — нормальное давление; υ 0 - объем газа при нормаль­ных условиях; Т - абсолютная температура газа.

Определяя из этого уравнения υ 0 , получаем формулу для вычисления объема газа при 0° и 760 мм давления:

Пример расчета молекулярного веса

Из опыта найдено, что 380 мл газа при температуре 27° и давлении 800 мм рт. ст. весят 0,455 г. Определить молекулярный вес газа, если известно, что 1 л воздуха при нормальных условиях весит 1,293 г.

Приводим найденный объем газа к нормальным условиям. Получаем:

Определяем теперь вес 1 л этого газа (g) при нормальных условиях:

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 12 С и в единицах массы составляет 1,66057 . 10 -27 кг, то умножение молекулярной массы на 1,66057 . 10 -27 дает абсолютную массу в килограммах. Чаще пользуются безразмерной величиной М отн - относительной молекулярной массы: М отн =M x /D, где М х - масса x , выраженная в тех же единицах массы (кг, г или др.), что и D. молекулярная масса характеризует среднюю массу с учетом изотопного состава всех элементов, образующих данное химическое соединение. Иногда молекулярную массу определяют для смеси различных веществ известного состава, например для "эффективную" молекулярную массу можно принять равной 29.

Абсолютными массами молекул удобно оперировать в области физики субатомных процессов и , где путем измерения энергии частиц, согласно теории относительности, определяют их абсолютные массы. В и химической технологии необходимо применять макроскопические единицы измерения количества вещества. Число любых частиц (молекул, атомов, электронов или мысленно выделяемых в веществе групп частиц, например Na + и Сl - в кристаллич. решетке NaCl), равное N А = 6,022 . 10 23 , составляет макроскопическую единицу количества вещества - моль. Тогда можно записать: М отн = M x . N A /(D . N A), то есть относительная молекулярная масса равна отношению массы моля вещества к N A D. Если вещество состоит из молекул с между составляющими их атомами, то величина M x . N A представляет собой молярную массу этого вещества, единицы измерения которой кг-моль (киломоль, кМ). Для веществ, не содержащих молекул, а состоящих из атомов, или радикалов, определяется формульная молярная масса, то есть масса N A частиц, соответствующих принятой формуле вещества (однако в СССР часто и в этом случае говорят о молекулярной массе, что неверно).

Ранее в использовали понятия грамм-молекула, грамм-атом, грамм-ион, теперь - моль молекул, моль атомов, моль ионов, подразумевая под этим N A молекул, атомов, и соответсвенно их молярные массы, выраженные в граммах или килограммах. Традиционно употребляют в качестве синонима термин "молекулярный (молярный) вес", так как определение массы производится с помощью весов. Но, в отличие от веса, зависящего от географических координат, масса является постоянным параметром количества вещества (при обычных скоростях движения частиц в условиях химических реакций), поэтому правильнее говорить "молекулярная масса".

Большое число устаревших терминов и понятий, касающихся молекулярной массы, объясняется тем, что до эры космических полетов в не придавали значения различию между массой и весом, которое обусловлено разностью значений ускорения свободного 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 (как и атома) было связано с исследованием макроскопических количеств вещества в процессах их химических (реакции) или физических (фазовые переходы) превращений, когда не была разработана теория строения вещества (19 в.) и предполагалось, что все химические соединения построены только из 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 веществ относительно водородного газа, молярная масса которого принималась первоначально равной 2, а после перехода к кислородной единице измерений молекулярных и атомных масс - 2,016 г. Следующий этап развития экспериментальных возможностей определения молекулярной массы заключался в исследовании жидкостей и растворов нелетучих и недиссоциирующих веществ путем измерения коллигативных свойств (то есть зависящих только от числа растворенных частиц) - осмотического давления, понижения давления пара, понижения точки замерзания (криоскопия) и повышения точки кипения (эбулиоскопия) растворов по сравнению с чистым растворителем. При этом было открыто "аномальное" поведение электролитов.

Понижение давления пара над раствором зависит от молярной доли растворенного вещества (закон Рауля): [(раствор 0 )/р ] = N, где р 0 - давление пара чистого растворителя, р - давление пара над раствором, N- молярная доля исследуемого растворенного вещества, N = (т х /М х )/[(т х /М х ) + (m 0 /M 0)], m x и М х -соответствующая навеска (г) и молекулярная масса исследуемого вещества, m 0 и М 0 - то же для растворителя. В ходе определений проводят экстраполяцию к бесконечно разбавленному раствору, то есть устанавливают для растворов исследуемого вещества и для растворов известного (стандартного) химического соединения. В случае криоскопии и эбулиоскопии используют зависимости соответствующих Dt 3 = Кс и Dt к = Еc, где Dt 3 -понижение температуры замерзания раствора, Dt к - повышение температуры кипения раствора, К и Е- соответственно криоскопические и эбулиоскопические постоянные растворителя, определяемые по стандартному растворенному веществу с точно известной молекулярной массы, с - моляльная концентрация исследуемого вещества в растворе (с = М х т х. 1000/m 0). Молекулярную массу рассчитывают по формулам: 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, так как существуют специальные термометры (так называемые термометры Бекмана), позволяющие измерять весьма малые изменения температуры.

Для определения молекулярной массы используют также изотермическую перегонку растворителя. При этом пробу раствора исследуемого вещества вносят в камеру с насыщенным паром растворителя (при данной температуре); пары растворителя конденсируются, температура раствора повышается и после установления равновесия вновь понижается; по изменению температуры судят о количестве выделившейся теплоты испарения, которая связана с молекулярной массой растворенного вещества. В так называемых изопиестичих методах проводят изотермическую перегонку растворителя в замкнутом объеме, например в Н-образном сосуде. В одном колене сосуда находится так называемая раствор сравнения, содержащий известную массу вещества известной молекулярная масса(молярная концентрация C 1), в другом - раствор, содержащий известную массу исследуемого вещества (молярная концентрация С 2 неизвестна). Если, например, С 1 > С 2 , р-ритель перегоняется из второго колена в первое, пока молярные концентрации в обоих коленах не будут равны. Сопоставляя объемы полученных изопиестичких растворов, рассчитывают молекулярную массу неизвестного вещества. Для определения молекулярной массы можно измерять массу изопиестических растворов с помощью Мак-Бена, которые представляют собой две чашечки, подвешенные на пружинках в закрытом стеклянном сосуде; в одну чашечку помещают исследуемый раствор, в другую - раствор сравнения; по изменению положения чашечек определяют массы изопиестических растворов и, следовательно, молекулярную массу исследуемого вещества.

Основным методом определения атомных и молекулярных масс летучих веществ является масс-спектрометрия. Для исследования смеси соединений эффективно использование хромато-масс-спектрометрии. При малой интенсивности пика молекулярного иона применяют эффузиометрические приставки к масс-спектрометрам. Эффузиометрический способ основан на том, что скорость вытекания газа в вакуум из камеры через отверстие, диаметр которого значительно меньше среднего пути свободного пробега молекулы, обратно пропорциональна квадратному корню из молекулярной массы вещества; скорость вытекания контролируют по изменению давления в камере. Молекулярная масса летучих соединений определяют также методами газовой хроматографии с газовыми весами Мартина. Последние измеряют скорость перемещения газа в канале, соединяющем трубки, по которым текут газ-носитель и газ из хроматографической колонки, что позволяет определять разницу плотностей этих газов, зависящую от молекулярной массы исследуемого вещества.

В килограммах. Чаще пользуются безразмерной величиной М отн -относительной молекулярной массой: М отн =M x /D, где М х -масса x, выраженная в тех же единицах массы (кг, г или др.), что и D. Молекулярная масса характеризует среднюю массу с учетом изотопного состава всех элементов, образующих данное хим. соединение. Иногда молекулярную массу определяют для смеси разл. в-в известного состава, напр. для "эффективную" молекулярную массу можно принять равной 29.

Абс. массами удобно оперировать в области физики субатомных процессов и , где путем измерения энергии частиц, согласно теории относительности, определяют их абс. массы. В и хим. технологии необходимо применять макроскопич. единицы измерения кол-ва в-ва. Число любых частиц ( , электро нов или мысленно выделяемых в в-ве групп частиц, напр. Na + и Сl - в кристаллич. решетке NaCl), равное N А = 6,022 . 10 23 , составляет макроскопич. единицу кол-ва в-ва-моль. Тогда можно записать: М отн = M x . N A /(D . N A),T.е. относительная молекулярная масса равна отношению массы в-ва к N A D. Если в-во состоит из с между составляющими их , то величина M 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 , а состоящих из , 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 молекулярной массе, что неверно).

Ранее в использовали понятия , грамм-ион, теперь-моль , подразумевая под этим N A , и соотв. их молярные массы, выраженные в граммах или килограммах. Традиционно употребляют в качестве синонима термин "молекулярный (молярный) ", т. к. определение массы производится с помощью . Но, в отличие от , 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 молекулярной массы, объясняется тем, что до эры космич. полетов в не придавали значения различию между массой и , 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 () обычно пользуются средним значением, равным 9,81 м. с -2 . Кроме того, развитие понятия (как и ) было связано с исследованием макроскопич. кол-в в-ва в процессах их хим. () или физ. () превращений, когда не была разработана теория строения в-ва (19 в.) и предполагалось, что все хим. соед. построены только из и .

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 , 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 молекулярной массы заключался в исследовании и р-ров нелетучих и недиссоциирующих в-в путем измерения коллигативных св-в (т. е. зависящих только от числа растворенных частиц) - осмотич. (см. ), понижения , понижения точки замерзания ()и повышения точки ()р-ров по сравнению с чистым р-рителем. При этом было открыто "аномальное" поведение .

Понижение над р-ром зависит от молярной доли растворенного в-ва (): [(р - р 0)/р] = N, где р 0 -давление чистого р-рителя, р-давление над р-ром, N- молярная доля исследуемого растворенного в-ва, N = (т х /М х)/[(т х /М х) + (m 0 /M 0)], m x и М х -соотв. навеска (г) и молекулярная масса 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 и используют зависимости соотв. Dt 3 = Кс и Dt к = Еc, где Dt 3 -понижение т-ры замерзания р-ра, Dt к - повышение т-ры р-ра, К и Е-соотв. криоскопич. и эбулиоскопич. постоянные р-рителя, определяемые по стандартному растворенному в-ву с точно известной молекулярной массой, с-моляльная исследуемого в-ва в р-ре (с = М х т х. 1000/m 0). Молекулярную массу 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. ), позволяющие измерять весьма малые изменения т-ры.

Для определения молекулярной массы используют также изотермич. р-рителя. При этом р-ра исследуемого в-ва вносят в камеру с насыщ. р-рителя (при данной т-ре); р-рителя конденсируются, т-ра р-ра повышается и после установления вновь понижается; по изменению т-ры судят о кол-ве выделившейся теплоты , к-рая связана с молекулярной массой растворенного в-ва. В т. наз. изопиестич. методах проводят изотермич. р-рителя в замкнутом объеме, напр. в Н-образном . В одном колене находится т. наз. р-р сравнения, содержащий известную массу в-ва известной молекулярной массы (молярная C 1), в другом-р-р, содержащий известную массу исследуемого в-ва (молярная С 2 неизвестна). Если, напр., С 1 > С 2 , р-ритель перегоняется из второго колена в первое, пока молярные в обоих коленах не будут равны. Сопоставляя объемы полученных изопиестич. р-ров, рассчитывают молекулярную массу неизвестного в-ва. Для определения молекулярной массыы можно измерять массу изопиестич. р-ров с помощью Мак-Бена, к-рые представляют собой две чашечки, подвешенные на пружинках в закрытом стеклянном ; в одну чашечку помещают исследуемый р-р, в другую-р-р сравнения; по изменению положения чашечек определяют массы изопиестич. р-ров и, следовательно, молекулярную массу исследуемого в-ва.

Осн. методом определения атомных и мол. масс летучих в-в является . Для исследования смеси соед. эффективно использование хромато-масс-спектромет-рии. При малой интенсивности пика мол.

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.

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.