Количество вещества. Моль.

Модуль 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

Атомно-молекулярное учение

Создание атомно-молекулярного учения относится к концу XVIII – началу XIX веков, когда в химию были введены количественные методы исследования и установлены законы химического взаимодействия (стехиометрические законы *), что позволило английскому ученому Дальтону сформулировать некоторые положения атомного учения (1803 г.). Огромный вклад в создание этого учения внес русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов.

Еще древнегреческие философы пытались ответить на вопросы: из чего состоят вещества; почему вещества бывают разными; почему одни вещества могут превращаться в другие?

В широком смысле веществом называют любой вид материи, обладающей массой покоя. В химии понятие вещества более узкое: вещество это любая устойчивая совокупность элементарных частиц, атомов ионов, молекул, обладающих определенными свойствами.

* - Стехиометрия – раздел химии, который изучает количественные (массовые и объемные) соотношения между реагирующими веществами. Стехиометрические законы мы будем рассматривать с точки зрения атомно-молекулярного учения, а не в историческом плане их появления.

Все окружающие нас тела состоят из различных веществ. Каждому веществу присущи определенные физические и химические свойства. К физическим свойствам относят: плотность, температуры плавления и кипения, растворимость, вкус, цвет, запах, агрегатное состояние и др. Любое вещество может переходить из одного агрегатного состояния в другое при изменении условий (например, температуры). Так, вода при обычных условиях является жидкостью, но при температуре 100ºС (температура кипения воды) превращается в пар (газообразное состояние), а при температуре 0ºС (температура замерзания воды) превращается в лед (твердое состояние).

Процессы изменения формы (структуры) или агрегатного состояния веществ, в результате которых новые вещества не образуются, называются физическими явлениями. При физических явлениях молекулы остаются неизменными.

Химические свойства веществ проявляются в превращениях веществ. Поэтому химическими явлениями называются такие явления, при которых из одних веществ образуются другие вещества. Так, процессы ржавления стали, горения дров в печи, гниение листьев деревьев сопровождаются образованием новых веществ.

К основным положениям атомно-молекулярного учения можно отнести:

- вещества состоят из молекул; молекулы разных веществ отличаются между собой составом, строением, размерами, массой;

- молекулы находятся в непрерывном движении; между ними существует взаимное притяжение и отталкивание; скорость движения молекул зависит от агрегатного состояния веществ и от температуры;

- при физических явлениях состав молекул остается неизменным, при химических явлениях происходят качественные и количественные изменения, в результате чего из одних молекул образуются другие;

- молекулы состоят из атомов; атомы характеризуются определенными размерами и массой; разным элементам соответствуют разные атомы.

Понятие «химический элемент» характеризует элементарность веществ на уровне атомов. Химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Свойства химических элементов определяются строением его атомов. В настоящее время существует в природе и получено синтетическим путем более 110 химических элементов, из них в природе встречается только 92.

Греческое слово «атом» означает «неделимый», что справедливо только при химических превращениях. Сейчас атомом называется электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Молекулой мы будем называть электронейтральную частицу, состоящую из атомов.Молекулы способны к самостоятельному существованию; они могут состоять из одинаковых или различных атомов, соединенных в одно целое с помощью химических связей.

Однако не каждое вещество состоит из молекул. Скорее даже, большинство веществ имеют немолекулярное строение. Например, хлорид натрия (обыкновенная поваренная соль) состоит из положительно и отрицательно зараженных ионов,алмаз состоит из атомов углерода, металлы также не являются молекулярными веществами.

Если вещество образовано одинаковыми атомами, то его относят к простым веществам (например: водород Н₂, кислород О₂, озон О₃, сера S, железо Fe). Сложные веществасостоят из атомов различных химических элементов: вода – Н₂О, азотная кислота – НNO₃, глюкоза – С₆Н₁₂О₆ и т.д.

Очень часто бывает так, что атомы одного химического элемента образуют несколько простых веществ. Такое явление называется аллотропией, оно обусловлено несколькими причинами: 1) в состав молекул входит различное число атомов одного химического элемента (кислород – O₂ и озон O₃); 2) из атомов одного химического элемента образуются кристаллы различного строения – частный случай полиморфизма (графит и алмаз; сера ромбическая и моноклинная и т.д.). Известно более 400 аллотропных модификаций простых веществ.

Каждый химический элемент обозначают соответствующим символом, например, символ Cu обозначает атомы меди, символ Н – атомы водорода, символ Cl – атомы хлора и т.д.

Состав вещества условно обозначают химическими формулами, где соответствующие символы обозначают атомы химических элементов, входящие в состав вещества, а цифровые индексы справа внизу от символа - число атомов данного химического элемента. Например, молекула серной кислоты состоит из двух атомов водорода, одного атома серы (индекс «1» не пишется) и четырех атомов кислорода: H₂SO₄.

Химические формулы, которые указывают истинное число атомов в молекуле, называются молекулярными формулами. Если химическая формула указывает только соотношение атомов в атомных или ионных (в полимерных) структурах, то ее называют эмпирической или простейшей формулой. Например, состав ионного вещества – хлорида натрия – отображается простейшей формулой NaCl.

Часто мы будем использовать графические формулы, в которых отражается последовательность взаимного расположения атомов в молекуле. Каждая химическая связь в таких формулах обозначается черточкой.

Например, графические формулы воды, пероксида водорода, серной кислоты изображают так:

O H H — O O

/ \ / \ //

H H O — O S

/ / \\

H H — O O

Однако графические формулы не всегда дают представление о геометрии молекул.

Относительные атомные и молекулярные массы.

Количество вещества. Моль.

Еще одна важная характеристика атома, кроме заряда ядра, это масса атома. Истинная масса атома называется абсолютной атомной массой m_a. Например, масса атома углерода равна 1,99∙10^–26 кг, а масса атома водорода еще меньше:

m_a (C) = 1,993∙10^–26 кг;

m_a (H) = 1.67∙10^–27 кг.

Понятно, что выражать массы атомов в килограммах или граммах неудобно из-за очень малых значений.

Атомная масса – число, которое показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше массы какого-то стандартного атома (или его части), принятой за единицу*. В качестве стандартного атома для определения атомных масс с 1961 г. принят изотоп углерода-12 (¹²С). За единицу атомной массы принята масса 1/12 части изотопа углерода-12.Она называется атомной единицей массы (а.е.м.), иногда – углеродной единицей (у.е.), и равна

1 а.е.м. = 1,667∙10^–27 кг.

Относительную атомную массу (А_r) любого химического элемента можно вычислить, разделив абсолютную массу этого элемента на 1 а.е.м., согласно формуле А_r(Х) = m_a (Х)/ 1 а.е.м., например:

А_r(С) = m_a (С)/ 1 а.е.м. = 1,993∙10^–26 кг /1,667∙10^–27 кг ≈ 12;

А_r(О) = m_a (О)/ 1 а.е.м. = 2,667∙10^–26 кг /1,667∙10^–27 кг ≈16;

А_r(Н) = m_a (H)/ 1 а.е.м. = 1.67∙10^–27 кг / 1,667∙10^–27 кг ≈ 1.

^* Масса и вес – это разные понятия. Вес любого предмета уменьшается по мере удаления от поверхности Земли, а масса его остается неизменной. Удаленные в космос тела вообще не имеют веса («состояние невесомости»), но имеют ту же массу, что и на Земле. В старых учебниках используется термин «атомный вес».

Для молекул: относительной молекулярной массой называется масса молекулы, выраженная в а.е.м. Относительная молекулярная масса какого-либо вещества равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав этой молекулы.

Например, А_r(О) равна 16, А_r(Н) равна 1, следовательно, относительная молекулярная масса М_r молекулы воды будет равна

М_r (Н₂О) = 2∙ А_r(Н) + А_r(О) = 2∙1 + 16 = 18 а.е.м.

На практике мы не встречаемся с отдельными атомами или молекулами, поэтому в химии часто используют понятие – количество вещества, которое подразумевает число структурных единиц (атомов, молекул, ионов и др.частиц), образующих данное вещество. Обозначают количество вещества латинской буквой n или греческой буквой ν.

За единицу количества вещества принят 1 моль (от латинского moles – масса) – такое количество вещества, которое содержит столько же структурных единиц (атомов, молекул, ионов …), сколько содержится атомов в 12 граммах чистого изотопа углерода-12, а именно 6,02∙10²³.

Число атомов в 12 граммах (0,012 кг) углерода равно

0,012 (кг/моль) /1,993∙10^–26 (кг) = 6,02∙10²³ моль^–1.

Это число называется числом Авогадро (или постоянной Авогадро) и обозначают символом N_А. Таким образом, один моль любого вещества содержит 6,02∙10²³ молекул, атомов или других структурных единиц, например:

1 моль алюминия Al содержит 6,02∙10²³ атомов алюминия;

1 моль хлора Сl₂ cодержит 6,02∙10²³ молекул Сl₂, но атомов Сl здесь будет в два раза больше, т.к. молекула хлора является двухатомной;

1 моль воды Н₂О содержит 6,02∙10²³ молекул Н₂О.

Массу 1 моль данного вещества называют молярной массой, обозначают символом М и выражают в кг/моль или г/моль. Молярная масса – это величина, равная отношению массы вещества к количеству этого вещества

М = m / ν;

где m – масса вещества, г;

ν – количество вещества, моль.

Молярная масса численно совпадает с относительной молекулярной массой вещества М_r или с относительной атомной массой А_r (если вещество состоит из атомов):

Натрий Na А_r = 23 М = 23 г/моль

Хлор Cl₂ М_r = 71 М = 71 г/моль

Хлорид натрия NaCl М_r = 58,5 М = 58,5 г/моль

Следовательно, в 23 г натрия содержится 6,02∙10²³ атомов натрия, в 18 г воды Н₂О содержится 6,02∙10²³ молекул Н₂О.

Примеры решения задач

Задача 1. Сколько атомов содержится в 2 молях серы?

Решение. Число частиц, содержащихся в определенном количестве вещества можно определить по формуле: N = N_A ∙ ν

N(S) = 6,02∙10²³ моль^–1 ∙ 2 моль = 12,04 ∙10²³

Ответ: в 2 молях серы содержится 12,04 ∙10²³ атомов серы.

Задача 2. Сколько молекул содержится в 50,8 г иода?

Решение. Число частиц, в данном случае – молекул, содержащихся в определенном количестве вещества можно определить по формуле: N = N_A ∙ ν.Чтобы воспользоваться этой формулой, необходимо знать количество вещества. Число молей вещества определяем из формулы, которая связывает массу, молярную массу и количество вещества: М = m / ν. Отсюда следует, что

ν = m / М.

Молярная масса иода I₂ равна 254 г/моль, следовательно

ν(I₂) =50,8 г : 254 г/моль = 0,2 моль

Теперь можно определить число молекул, используя постоянную Авогадро

N = 6,02∙10²³ моль^–1 ∙ 0,2 моль = 1,2 ∙ 10²³.

Ответ: в 50,8 г иода содержится 1,2 ∙ 10²³ молекул.

Задача 3. Какова масса 0,25 моль серной кислоты?

Решение. Используем формулу, которая связывает массу, молярную массу и количество вещества: М = m / ν.Из этой формулы следует, что масса вещества равна произведению молярной массы этого вещества на число молей этого вещества: m = M∙ν

Молярная масса серной кислоты составляет:

М(H₂SO₄) = 2∙М(Н) + М(S) + 4∙M(O) = (2∙1 + 32 + 4∙16) г/моль = 98 г/моль.

Определяем массу серной кислоты: m (H₂SO₄) = 98 г/моль ∙ 0,25 моль = 24,5 г.

Ответ: масса 0,25 моль серной кислоты составляет 24,5 г.

Задача 4. Определить число молей и число молекул в 11 граммах углекислого газа.

Решение. Число молей вещества определяем из формулы, которая связывает массу, молярную массу и количество вещества: М = m / ν. Отсюда следует, что

ν = m / М.

Молярная масса углекислого газа составляет:

М(СО₂) = М(С) + 2∙М(О) = (12 + 2∙16) г/моль = 44 г/моль.

Количество вещества углекислого газа составляет:

ν(СО₂) = 11 г / 44 г/моль = 0,25 моль.

Число молекул, содержащихся в определенном количестве вещества, определим по формуле: N = N_A ∙ ν

N(СО₂) = 6,02∙10²³ моль^–1 ∙ 0,25 моль = 1,5 ∙10²³.

Ответ: в 11 граммах углекислого газа содержится 1,5 ∙10²³ молекул и это составляет 0,25 моль.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: