Одной из важнейших характеристик атомов является его масса .

Абсолютной называется масса атома, выраженная в килограммах (граммах).

Абсолютная масса атома (m a тома) величина чрезвычайно малая. Так, атом легкого изотопа водорода (протия) имеет массу 1,66 · 10 –27 кг.

m (Н) = 1,66 · 10 –27 кг, m (Н) = 1,66 · 10 –24 г,

атом одного из изотопов кислорода имеет массу 2,67 · 10 –26 кг,

m (О) = 2,67 · 10 –26 кг, m (О) = 2,67 · 10 –23 г,

атом изотопа углерода 12 С имеет массу 1,99 · 10 –26 кг,

m (С) = 1,99 · 10 –26 кг, m (С) = 1,99 · 10 –23 г.

В практических расчётах пользоваться такими величинами крайне неудобно. Поэтому обычно пользуются значениями не абсолютных масс атомов, а значениями относительных атомных масс .

Относительная атомная масса обозначается Ar , индекс r – начальная буква английского слова relative , что значит относительный.

В качестве единицы для измерения масс атомов и молекул принята атомная единица массы (а.е.м.) .

Атомная единица массы (а.е.м.) представляет собой 1/12 часть массы атома изотопа углерода 12 С, т.е.

а.е.м. = = · 1,99 · 10 –26 кг = · 1,99 · 10 –23 г.

Относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше 1/12 части массы атома изотопа углерода 12 С, т. е. атомной единицы массы.

Относительная атомная масса является безразмерной величиной, но допускается обозначение ее величины в атомных единицах массы (а.е.м.). Например:

Таким образом, значение относительной атомной массы элемента водорода равно 1,001 или, округленно,

Аr(Н) ≈ 1 а.е.м, а кислорода – Аr(O) = 15,999 ≈ 16 а.е.м.

Значения величин относительных атомных масс элементов приведены в периодической системе Д.И. Менделеева. Эти величины представляют собой усредненное значение массы атома какого-либо элемента с учетом существующих в природе изотопов этого элемента и их количества. Для обычных расчетов следует пользоваться округленными значениями относительных атомных масс элементов (см. табл. 4 приложения).

Аналогично понятиям абсолютная масса атома и относительная атомная масса можно сформулировать понятия абсолютная масса молекулы и относительная молекулярная масса.

Абсолютная масса молекулы (m) мол. – масса молекулы химического вещества, выраженная в килограммах (граммах).

Относительная молекулярная масса (М r ) (или просто молекулярная масса) – масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы.

Зная химическую формулу соединения, можно легко определить значение его молекулярной массы, которая определяется как сумма значений атомных масс всех элементов, входящих в состав молекулы вещества.

Например, относительная молекулярная масса серной кислоты Мr(Н 2 SO 4) будет складываться из двух значений относительных атомных масс элемента водорода, одной относительной атомной массы элемента серы и четырех относительных атомных масс элемента кислорода:

Мr(Н 2 SO 4) = 2Аr (Н) + Аr (S) + 4Аr(O) = 2·1 + 32 + 4·16 = 98.

Таким образом, значение молекулярной массы серной кислоты равно 98 или 98 а.е.м.

Молекулярная масса (относительная молекулярная масса) показывает, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 части массы атома углерода 12 С.

В приведенном выше примере значение молекулярной массы серной кислоты равно 98 а.е.м., то есть молекула серной кислоты имеет массу в 98 раз большую, чем 1/12 часть массы атома углерода 12 С.

Атомы имеют очень маленький размер и очень маленькую массу. Если выражать массу атома какого-нибудь химического элемента в граммах, то это будет число перед которым находится более двадцати нулей после запятой. Поэтому измерять массу атомов в граммах неудобно.

Однако, если принять какую-либо очень малую массу за единицу, то все остальные малые массы можно выражать как отношение к этой единицы. В качестве единицы измерения массы атома была выбрана 1/12 часть массы атома углерода.

1/12 часть массы атома углерода называют атомной единицей массы (а. е. м.).

Относительной атомной массой является величина, равная отношению реальной массы атома конкретного химического элемента к 1/12 реальной массы атома углерода. Это безразмерная величина, так как делятся две массы.

A r = m ат. / (1/12)m угл.

Однако абсолютная атомная масса равна относительной по значению и имеет единицу измерения а.е.м.

То есть относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса конкретного атома больше 1/12 атома углерода. Если у атома A r = 12, значит его масса в 12 раз больше 1/12 массы атома углерода, или, другими словами, в нем 12 атомных единиц массы. Такое может быть только у самого углерода (C). У атома водорода (H) A r = 1. Это значит, что его масса равна массе 1/12 части от массы атома углерода. У кислорода (O) относительная атомная масса равна 16 а.е.м. Это значит, что атом кислорода в 16 раз массивнее 1/12 атома углерода, в нем 16 атомных единиц массы.

Самый легкий элемент - это водород. Его масса примерно равна 1 а.е.м. У самых тяжелых атомов масса приближается к 300 а.е.м.

Обычно для каждого химического элемента его значение абсолютной массы атомов, выраженных через а. е. м. округляют.

Значение атомных единиц массы записаны в таблице Менделеева.

Для молекул используется понятие относительной молекулярной массы (M r) . Относительная молекулярная масса показывает, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода. Но поскольку масса молекулы равна сумме масс составляющих ее атомов, то относительную молекулярную массу можно найти, просто сложив относительные массы этих атомом. Например, в молекулу воды (H 2 O) входят два атома водорода с A r = 1 и один атом кислорода с A r = 16. Следовательно, Mr(Н 2 O) = 18.

Ряд веществ имеет немолекулярное строение, например металлы. В таком случае их относительную молекулярную массу считают равной их относительной атомной массе.

В химии важным является величина, которая называется массовая доля химического элемента в молекуле или веществе. Она показывает, какая часть относительной молекулярной массы приходится на данный элемент. Например, в воде на водород приходится 2 доли (так как два атома), а на кислород 16. То есть, если смешать водород массой 1 кг и кислород массой 8 кг, то они прореагируют без остатка. Массовая доля водорода равна 2/18 = 1/9, а массовая доля кислорода 16/18 = 8/9.

2.10.1. Расчет относительных и абсолютных масс атомов и молекул

Относительные массы атомов и молекул определяются с использованием приведенных в таблице Д.И. Менделеева величин атомных масс. При этом, при проведении расчетов для учебных целей значения атомных масс элементов обычно округляются до целых чисел (за исключением хлора, атомная масса которого принимается равной 35,5).

Пример 1. Относительная атомная масса кальция А r (Са)=40; относительная атомная масса платины А r (Pt)=195.

Относительная масса молекулы рассчитывается как сумма относительных атомных масс составляющих данную молекулу атомов с учетом количества их вещества.

Пример 2. Относительная молярная масса серной кислоты:

М r (H 2 SO 4) = 2A r (H) + A r (S) + 4A r (O) = 2· 1 + 32 + 4· 16 = 98.

Величины абсолютных масс атомов и молекул находятся делением массы 1 моль вещества на число Авогадро.

Пример 3. Определите массу одного атома кальция.

Решение. Атомная масса кальция составляет А r (Са)=40 г/моль. Масса одного атома кальция окажется равной:

m(Ca)= А r (Ca) : N A =40: 6,02· 10 23 = 6,64· 10 -23 г.

Пример 4. Определите массу одной молекулы серной кислоты.

Решение. Молярная масса серной кислоты равна М r (H 2 SO 4) = 98. Масса одной молекулы m(H 2 SO 4) равна:

m(H 2 SO 4) = М r (H 2 SO 4) : N A = 98:6,02· 10 23 = 16,28· 10 -23 г.

2.10.2. Расчет количества вещества и вычисление числа атомных и молекулярных частиц по известным значениям массы и объема

Количество вещества определяется путем деления его массы, выраженной в граммах, на его атомную (молярную) массу. Количество вещества, находящегося в газообразном состоянии при н.у., находится делением его объема на объем 1 моль газа (22,4 л).

Пример 5. Определите количество вещества натрия n(Na), находящегося в 57,5 г металлического натрия.

Решение. Относительная атомная масса натрия равна А r (Na)=23. Количество вещества находим делением массы металлического натрия на его атомную массу:

n(Na)=57,5:23=2,5 моль.

Пример 6 . Определите количество вещества азота, если его объем при н.у. составляет 5,6 л.

Решение. Количество вещества азота n(N 2) находим делением его объема на объем 1 моль газа (22,4 л):

n(N 2)=5,6:22,4=0,25 моль.

Число атомов и молекул в веществе определяется умножением количества вещества атомов и молекул на число Авогадро.

Пример 7. Определите число молекул, содержащихся в 1 кг воды.

Решение. Количество вещества воды находим делением ее массы (1000 г) на молярную массу (18 г/моль):

n(Н 2 О) = 1000:18=55,5 моль.

Число молекул в 1000 г воды составит:

N(Н 2 О) = 55,5· 6,02· 10 23 = 3,34· 10 24 .

Пример 8. Определите число атомов, содержащихся в 1 л (н.у.) кислорода.

Решение. Количество вещества кислорода, объем которого при нормальных условиях составляет 1 л равно:

n(О 2) = 1: 22,4 = 4,46· 10 -2 моль.

Число молекул кислорода в 1 л (н.у.) составит:

N(О 2) = 4,46· 10 -2 · 6,02· 10 23 = 2,69· 10 22 .

Следует отметить, что 26,9· 10 22 молекул будет содержаться в 1 л любого газа при н.у. Поскольку молекула кислорода двухатомна, число атомов кислорода в 1 л будет в 2 раза больше, т.е. 5,38· 10 22 .

2.10.3. Расчет средней молярной массы газовой смеси и объемной доли
содержащихся в ней газов

Средняя молярная масса газовой смеси рассчитывается на основе молярных масс составляющих эту смесь газов и их объемных долей.

Пример 9. Полагая, что содержание (в объемных процентах) азота, кислорода и аргона в воздухе соответственно составляет 78, 21 и 1, рассчитайте среднюю молярную массу воздуха.

Решение.

М возд = 0,78· М r (N 2)+0,21· М r (O 2)+0,01· М r (Ar)= 0,78· 28+0,21· 32+0,01· 40 = 21,84+6,72+0,40=28,96

Или приблизительно 29 г/моль.

Пример 10. Газовая смесь содержит 12 л NH 3 , 5 л N 2 и 3 л Н 2 , измеренных при н.у. Рассчитать объемные доли газов в этой смеси и ее среднюю молярную массу.

Решение. Общий объем смеси газов равен V=12+5+3=20 л. Объемные доли j газов окажутся равными:

φ(NH 3)= 12:20=0,6; φ(N 2)=5:20=0,25; φ(H 2)=3:20=0,15.

Средняя молярная масса рассчитывается на основе объемных долей составляющих эту смесь газов и их молекулярных масс:

М=0,6· М(NH 3)+0,25· M(N 2)+0,15· M(H 2) = 0,6· 17+0,25· 28+0,15· 2 = 17,5.

2.10.4. Расчет массовой доли химического элемента в химическом соединении

Массовая доля ω химического элемента определяется как отношение массы атома данного элемента Х, содержащегося в данной массе вещества к массе этого вещества m. Массовая доля – безразмерная величина. Ее выражают в долях от единицы:

ω(X) = m(X)/m (0 <ω< 1);

или в процентах

ω(X),%= 100 m(X)/m (0% <ω<100%),

где ω(X) – массовая доля химического элемента X; m(X) – масса химического элемента X; m – масса вещества.

Пример 11. Рассчитайте массовую долю марганца в оксиде марганца (VII).

Решение. Молярные массы веществ равны: М(Mn) = 55 г/моль, М(О) = 16 г/моль, M(Mn 2 O 7)=2М(Mn)+7М(О)= 222 г/моль. Следовательно, масса Mn 2 O 7 количеством вещества 1 моль составляет:

m(Mn 2 O 7) = M(Mn 2 O 7)· n(Mn 2 O 7) = 222· 1= 222 г.

Из формулы Mn 2 O 7 следует, что количество вещества атомов марганца в два раза больше количества вещества оксида марганца (VII). Значит,

n(Mn) = 2n(Mn 2 O 7) = 2 моль,

m(Mn)= n(Mn)· M(Mn) = 2· 55 = 110 г.

Таким образом, массовая доля марганца в оксиде марганца(VII) равна:

ω(X)=m(Mn) : m(Mn 2 O 7) = 110:222 = 0,495 или 49,5%.

2.10.5. Установление формулы химического соединения по его элементному составу

Простейшая химическая формула вещества определяется на основании известных величин массовых долей входящих в состав этого вещества элементов.

Допустим имеется образец вещества Na x P y O z массой m o г. Рассмотрим как определяется его химическая формула, если известны количества вещества атомов элементов, их массы или массовые доли в известной массе вещества. Формула вещества определяется отношением:

x: y: z = N(Na) : N(P) : N(O).

Это отношение не изменится, если каждый его член разделить на число Авогадро:

x: y: z = N(Na)/N A: N(P)/N A: N(O)/N A = ν(Na) : ν(P) : ν(O) .

Таким образом, для нахождения формулы вещества необходимо знать соотношение между количествами веществ атомов в одной и той же массе вещества:

x: y: z = m(Na)/M r (Na) : m(P)/M r (P) : m(O)/M r (O).

Если разделить каждый член последнего уравнения на массу образца m o , то получим выражение, позволяющее определить состав вещества:

x: y: z = ω(Na)/M r (Na) : ω(P)/M r (P) : ω(O)/M r (O).

Пример 12. Вещество содержит 85,71 масс. % углерода и 14,29 масс. % водорода. Молярная его масса равна 28 г/моль. Определите простейшую и истинную химические формулы этого вещества.

Решение. Соотношение между количеством атомов в молекуле С х Н у определяется делением массовых долей каждого элемента на его атомную массу:

х: у = 85,71/12: 14,29/1 = 7,14:14,29 = 1: 2.

Таким образом простейшая формула вещества - СН 2 . Простейшая формула вещества не всегда совпадает с его истинной формулой. В данном случае формула СН 2 не соответствует валентности атома водорода. Для нахождения истинной химической формулы необходимо знать молярную массу данного вещества. В данном примере молярная масса вещества равна 28 г/моль. Разделив 28 на 14 (сумму атомных масс, отвечающих формульной единице СН 2), получаем истинное соотношение между числом атомов в молекуле:

Получаем истинную формулу вещества: С 2 Н 4 - этилен.

Вместо молярной массы для газообразных веществ и паров в условии задачи может быть указана плотность по какому-либо газу или по воздуху.

В рассматриваемом случае плотность газа по воздуху составляет 0,9655. На основании этой величины может быть найдена молярная масса газа:

М = М возд · D возд = 29· 0,9655 = 28.

В этом выражении М – молярная масса газа С х Н у, М возд – средняя молярная масса воздуха, D возд - плотность газа С х Н у по воздуху. Полученная величина молярной массы используется для определения истинной формулы вещества.

В условии задачи может не указываться массовая доля одного из элементов. Она находится вычитанием из единицы (100%) массовых долей всех остальных элементов.

Пример 13. Органическое соединение содержит 38,71 масс. % углерода, 51,61 масс. % кислорода и 9,68 масс. % водорода. Определить истинную формулу этого вещества, если плотность его паров по кислороду составляет 1,9375.

Решение. Рассчитываем соотношение между количеством атомов в молекуле С х Н y О z:

х: у: z = 38,71/12: 9,68/1: 51,61/16 = 3,226: 9,68: 3,226= 1:3:1.

Молярная масса М вещества равна:

М = М(O 2)· D(O 2) = 32· 1,9375 = 62.

Простейшая формула вещества СН 3 О. Сумма атомных масс для этой формульной единицы составит 12+3+16=31. Делим 62 на 31 и получаем истинное соотношение между количеством атомов в молекуле:

х: у: z = 2: 6: 2.

Таким образом, истинная формула вещества С 2 Н 6 О 2 . Эта формула отвечает составу двухатомного спирта – этиленгликоля: СН 2 (ОН)-СН 2 (ОН).

2.10.6. Определение молярной массы вещества

Молярная масса вещества может быть определена на основе величины плотности его паров по газу с известной величиной молярной массы.

Пример 14 . Плотность паров некоторого органического соединения по кислороду равна 1,8125. Определите молярную массу этого соединения.

Решение. Молярная масса неизвестного вещества М x равна произведению относительной плотности этого вещества D на молярную массу вещества M, по которому определено значение относительной плотности:

М x = D· M = 1,8125· 32 = 58,0.

Веществами с найденным значением молярной массы могут быть ацетон, пропионовый альдегид и аллиловый спирт.

Молярная масса газа может быть рассчитана с использованием величины молярного его объема при н.у.

Пример 15. Масса 5,6 л газа при н.у. составляет 5,046 г. Рассчитайте молярную массу этого газа.

Решение. Молярный объем газа при н.у равен 22,4 л. Следовательно, молярная масса искомого газа равна

М = 5,046· 22,4/5,6 = 20,18.

Искомый газ – неон Ne.

Уравнение Клапейрона–Менделеева используется для расчета молярной массы газа, объем которого задан при условиях, отличающихся от нормальных.

Пример 16. При температуре 40 о С и давлении 200 кПа масса 3,0 л газа составляет 6,0 г. Определите молярную массу этого газа.

Решение. Подставляя известные величины в уравнение Клапейрона–Менделеева получаем:

М = mRT/PV = 6,0· 8,31· 313/(200· 3,0)= 26,0.

Рассматриваемый газ – ацетилен С 2 Н 2 .

Пример 17. При сгорании 5,6 л (н.у.) углеводорода получено 44,0 г углекислого газа и 22,5 г воды. Относительная плотность углеводорода по кислороду равна 1,8125. Определите истинную химическую формулу углеводорода.

Решение. Уравнение реакции сгорания углеводорода можно представить следующим образом:

С х Н y + 0,5(2x+0,5y)О 2 = х СО 2 + 0,5у Н 2 О.

Количество углеводорода составляет 5,6:22,4=0,25 моль. В результате реакции образуется 1 моль углекислого газа и 1,25 моль воды, которая содержит 2,5 моль атомов водорода. При сжигании углеводорода количеством вещества 1 моль получается 4 моль углекислого газа и 5 моль воды. Таким образом, 1 моль углеводорода содержит 4 моль атомов углерода и 10 моль атомов водорода, т.е. химическая формула углеводорода С 4 Н 10 . Молярная масса этого углеводорода равна М=4· 12+10=58. Его относительная плотность по кислороду D=58:32=1,8125 соответствует величине, приведенной в условии задачи, что подтверждает правильность найденной химической формулы.

Атомно-молекулярное учение

Представления об атомах как мельчайших неделимых частицах зародились в древней Греции. Основы современного атомно-молекулярного учения впервые сформулировал М.В. Ломоносов (1748), но его представления, изложенные в частном письме, были неизвестны большинству учёных. Поэтому основоположником современного атомно-молекулярного учения считается английский ученый Дж. Дальтон, который сформулировал (1803–1807) его основные постулаты.

1. Каждый элемент состоит из очень мелких частиц – атомов.

2. Все атомы одного элемента одинаковы.

3. Атомы различных элементов имеют разные массы и обладают разными свойствами.

4. Атомы одного элемента не превращаются в атомы других элементов в результате химических реакций.

5. Химические соединения образуются в результате комбинации атомов двух или нескольких элементов.

6. В данном соединении относительные количества атомов различных элементов всегда постоянны.

Эти постулаты вначале были косвенно доказаны совокупностью стехиометрическихзаконов. Стехиометрия - часть химии, которая изучает состав веществ и его изменение в ходе химических превращений. Это слово образовано от греческих слов «стехион» - элемент и «метрон» - мера. К законам стехиометрии относятся законы сохранения массы, постоянства состава, кратных отношений, объемных отношений, закон Авогадро и закон эквивалентов.

1.3. Стехиометрические законы

Законы стехиометрии считаются составными частями АМУ. На основании этих законов было введено понятие о химических формулах, химических уравнениях и валентности.

Установление стехиометрических законов позволило приписать атомам химических элементов строго определенную массу. Массы атомов чрезвычайно малы. Так, масса атома водорода составляет 1,67∙10 –27 кг, кислорода - 26,60∙10 -27 кг, углерода - 19,93∙10 –27 кг. Пользоваться такими числами при различных расчетах очень неудобно. Поэтому с 1961 года за единицу массы атомов принята 1 / 12 массы изотопа углерода 12 С - атомная единица массы (а.е.м.). Раньше её называли углеродной единицей (у.е.), но сейсчас это название использовать не рекомендуется.

Масса а.е.м. составляет 1,66 . 10 –27 кг или 1,66 . 10 –24 г.

Относительной атомной массой элемента (Аr ) называют отношение абсолютной массы атома к 1 / 12 части абсолютной массы атома изотопа углерода 12 С. Иначе говоря, А r показывает, во сколько раз масса атома данного элемента тяжелее 1 / 12 массы атома 12 С. Например, округлённое до целого числа значение А r кислорода равно 16; это означает, что масса одного атома кислорода в 16 раз больше 1 / 12 массы атома 12 С.

Относительные атомные массы элементов (Аr) приводятся в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

Относительной молекулярной массой (М r) вещества называется масса его молекулы, выраженная в а.е.м.Она равна сумме атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы вещества и вычисляется по формуле вещества. Например, относительная молекулярная масса серной кислоты H 2 SO 4 слагается из атомных масс двух атомов водорода (1∙2 = 2), атомной массы одного атома серы (32) иатомной массы четырех атомов кислорода (4∙16 = 64). Она равна 98.

Это означает, что масса молекулы серной кислоты в 98 раз больше 1 / 12 массы атома 12 С.

Относительные атомные и молекулярные массы - величины относительные, а потому - безразмерные.