Koncept molarne in molekulske mase. Molska masa dušika, vodika in zraka
Hipotezo, ki jo je predlagal starogrški filozof Demokrit o obstoju nedeljivih elementarnih delcev, iz katerih je nastala vsa snov, so znanstveniki priznali po petsto sto letih. Koncept molarne mase kemične snovi se je končno oblikoval šele na začetku 20. stoletja. V tem članku obravnavamo ta koncept, ki se osredotoča na molsko maso dušika in vodika.
Amedeo Avogadro in njegov zakon
Na začetku XIX. Stoletja je znanost že ugotovila, da so vse snovi sestavljene iz drobnih delcev. Ti delci se imenujejo atomi ali molekule. V tem primeru sta bila oba izraza uporabljena kot sinonimi.
V tem času je slavni italijanski odvetnik, fizik in matematik Amedeo Avogadro izvedel vrsto poskusov z različnimi plini, vključno z zrakom. Znanstvenik je prišel do neverjetnega zaključka, ki se trenutno imenuje Avogadrov zakon za pline. Lahko se ga oblikuje takole: pod enakimi pogoji enake količine plinov vsebujejo enako število delcev, ki jih tvorijo. Enaki pogoji so temperatura in tlak.
Upoštevajte, da Avogadro sam ni mogel oceniti števila delcev, ki jih je navedel v plinu za realne prostornine. Vendar je vrednost tega zakona ogromna, ker pravi, da se ne glede na kemijsko naravo atomov ali molekul plini obnašajo na enak način.
V tistem času evropski avtorji Avogadrovih del resno niso upoštevali. Še nekaj desetletij je bilo treba zapomniti.
Izkušnje Johanna Loshmidta in Jeana Perrina
Leta 1865 je avstrijski Johann Loshmidt izvedel vrsto poskusov, kar je povzročilo povprečni premer molekul zraka. Ker je vedel to vrednost, je lahko določil število molekul na volumen enote. Loshmidtovi poskusi so prvi v zgodovini merjenja števila molekul v plinskih mešanicah.
Francoz Jean Perrin je leta 1909 izvedel poskuse, kar je privedlo do določitve števila molekul v različnih plinih za različne prostornine. Leta 1926 je za te poskuse dobil Nobelovo nagrado za fiziko.
Perrin je predlagal osnovno enoto za vse kemijske izračune, da bi vzel število atomov, ki jih vsebuje 1 gram atomskega vodika. Nato je ta znesek ponovno opredelil za 1/12 gram ogljika-12. Perrin je predlagal, da se ta vrednost imenuje Avogadrojeva številka.
Avogadrova konstanta in enota snovi
Avogadro številka, ki jo je izmeril Perrin, se je izkazala za N A = 6,022 * 10 23 . To pomeni, da samo 1 gram atomskega vodika (H) ali 2 gramov molekularnega vodika (H 2 ) vsebuje N delcev. Jasno je, da je delo s takšnimi številkami v praksi neprijetno. Zato je bila v drugi polovici 20. stoletja na enem od sestankov Mednarodne komore za uteži in mere odločeno, da se številka Avogadro vključi med 7 osnovnih merskih enot v SI. Ta enota se imenuje mol.
Tako je 1 mol število sestavnih delcev snovi (molekul, atomov itd.), Ki je enako številu N A.
Koncept molarne mase
Molska masa dušika ali katere koli druge kemične snovi je fizikalna količina, ki je enaka masi enega mole delcev. Ta vrednost je običajno označena z simbolom M s , kjer indeks kaže, katera snov ustreza vrednosti. Molska masa je izražena v sistemu SI v kilogramih na mol. V praksi pa se te enote le redko uporabljajo. Najpogosteje se uporabljajo gram na gram (g / mol).
Dajmo primer. Zgoraj je bilo rečeno, da 2 g H2 plina vsebuje N A molekule. Potem dobimo:
MH2 = m (H2) / NA .
Ker je N A po definiciji 1 mol, je molska masa molekularnega vodika 2 grama.
Koncept molekulske mase
Na podlagi imena je jasno, da je molekulska masa masa ene molekule določene kemične snovi. Za razliko od molske mase je ta vrednost izražena v SI v kilogramih (amu v praksi).
Z uporabo zgornjega primera z molekularnim vodikom lahko enostavno izračunamo maso molekule H 2 . Ker je masa molekul N A 2 grama, potem za eno molekulo dobimo:
M H2 = m (H2) / NA = 2 * 10 -3 [kg] / 6.022 * 10 23 = 3.321 * 10 -27 kg.
Za atomski vodik, ki ima dvakrat manjšo maso, bo najdena vrednost tudi dvakrat manjša, to je:
M H = M H2 / 2 = 1,66 * 10 -27 kg.
Kot je razvidno, so tipične mase atomov in molekul zelo majhne. Z njimi je prav tako neprijetno izvesti izračune kot pri velikih številkah. Zato smo uvedli novo mersko enoto, ki se imenuje atomska masna enota ali skrajšana a. e. m. a. e. m ustreza masi protona, to je M H.
Zahvaljujoč tej definiciji se molarne in molekulske mase med seboj ujemajo številčno, čeprav so njihove merilne enote različne. Na primer, za isti vodik ugotovimo, da je molska masa 2 g / mol, molekulska masa pa je 2 amu.
Upoštevajte, da se te vrednosti za vsak kemični element merijo in so prikazane v periodnem sistemu.
Izotopi in njihov vpliv na molarne in molekulske mase
Teoretične informacije in izračuni, podani v prejšnjih odstavkih članka, pravijo, da je molska masa vodikovega atoma 1 g / mol (atomska 1 amu). Če se obrnemo na periodni sistem, se namesto števila 1 za H uporabi vrednost 1.00794. Zakaj obstaja neskladje s številom, ki smo ga prejeli?
Odgovor na to vprašanje je povezan z obstojem izotopov - atomov, ki vsebujejo enako število protonov (elektronov), vendar različnega števila nevtronov. Ker so mase protonov in nevtronov približno enake, ugotovimo, da se bodo mase izotopov kemičnega elementa med seboj razlikovale. Deuterij - vodik, ki ga sestavlja nevtron, proton in elektron, ima na primer atomsko maso 2 amu.
Atomska masa, prikazana v periodnem sistemu pod vsakim elementom, je določena povprečna vrednost Mp nad vsemi izotopi v naravi. Lahko se izračuna po formuli:
M¯ = ∑ i (x i * M i ).
Tu je xi relativna količina izotopa i v mešanici, M i je njena atomska masa. Upoštevajte, da se ta formula lahko uporabi za določitev povprečne molske mase mešanice plinov.
Molarna in molekulska masa dušika
Da bi določili množice dušika, je treba najprej spomniti na njegovo kemijsko formulo. Simbol dušika v periodni tabeli ustreza latinični črki N (številka 7). Pod njo lahko vidite, da je atomska masa dušika 14.0067 amu.
Molekula dušika je sestavljena iz dveh atomov in je dokaj stabilna (vstopi v kemijsko reakcijo v ekstremnih pogojih, na primer, ko se strela izpušča v ozračje). Nato ugotovimo, da je molska masa dušika:
MN2 = 2xMN = 14,0067x2 = 28,0134 g / mol.
Za kemijske izračune se pogosto uporablja vrednost 28 g / mol.
Kar zadeva molekulsko maso dušika, lahko ugotovimo, če spomnimo, da 1 mol katerekoli snovi vsebuje N delce. Ker 1 mol N2 ima maso 28.0134 gramov, je masa ene od njenih molekul enaka:
M N2 = 28,0134 * 10 -3 [kg] / 6,022 * 10 23 = 4,652 * 10 -26 kg.
Molarna masa zmesi zraka
Pokazali bomo, kako je mogoče določiti molske mase absolutno vseh mešanic plinov. Za to morate vedeti naslednje podatke:
- Kemična sestava zmesi.
- Molska masa vsake komponente v njem.
- Delež vsake komponente v mešanici.
Povprečna sestava zraka na našem planetu je naslednja (v atomskih odstotkih):
- N 2 78,09.
- O 2 20.95.
- Ar 0.93.
- CO 2 0,04.
Najprej izračunamo molsko maso vsake spojine z uporabo periodnega sistema. Molska masa dušika, ki jo že vemo, je enaka 28,0134 g / mol. Za preostale komponente imamo:
M02 = 31.9988 g / mol.
M Ar = 39,948 g / mol.
MC02 = 44,0095 g / mol.
Z uporabo formule za povprečno maso vseh izotopov, ki je tudi v tem primeru uporabna, dobimo:
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.
Pogosto dobljeno vrednost zaokrožimo na 29 g / mol.
Tako je zrak v povprečju lažji od vseh sestavnih delov, razen dušika. Bližina pridobljene molekulske mase glede na tisto za N2 je posledica dejstva, da skoraj 80% zraka vsebuje ta plin.