Маса и размер на молекулите. Савелиев И.В.

Много експерименти показват това молекулен размермного малък. Може да се намери линейният размер на молекула или атом различни начини. Например с помощта на електронен микроскоп бяха получени снимки на някои големи молекули и с помощта на йонен проектор ( йонен микроскоп) можете не само да изучавате структурата на кристалите, но и да определяте разстоянието между отделните атоми в молекулата.

Използвайки постиженията на съвременната експериментална технология, беше възможно да се определят линейните размери на простите атоми и молекули, които са около 10-8 cm, линейните размери на сложните атоми и молекули са много по-големи. Например, размерът на една протеинова молекула е 43 * 10 -8 cm.

За характеризиране на атомите се използва концепцията за атомни радиуси, което прави възможно приблизителното оценяване на междуатомните разстояния в молекули, течности или твърди вещества, тъй като атомите нямат ясни граници по размер. Това е атомен радиус- това е сферата, в която се съдържа по-голямата част от електронната плътност на атома (поне 90...95%).

Размерът на молекулата е толкова малък, че може да се представи само чрез сравнения. Например една водна молекула е толкова пъти по-малка от голяма ябълка, колкото ябълката е по-малка от земното кълбо.

Мол вещество

Масите на отделните молекули и атоми са много малки, така че е по-удобно да се използва не абсолютни стойностимаса, но относителна.

Относително молекулно тегло(или относителна атомна маса) вещество M r е съотношението на масата на молекула (или атом) от това веществодо 1/12 от масата на въглероден атом.

M r = (m 0) : (m 0C / 12)

където m 0 е масата на молекула (или атом) на дадено вещество, m 0C е масата на въглероден атом.

Относителната молекулна (или атомна) маса на дадено вещество показва колко пъти масата на една молекула на дадено вещество е по-голяма от 1/12 от масата на въглеродния изотоп С12. Относителната молекулна (атомна) маса се изразява в атомни единицимаси.

Атомна единица за маса– това е 1/12 от масата на въглеродния изотоп C12. Точните измервания показаха, че единицата за атомна маса е 1,660 * 10 -27 kg, т.е.

1 аму = 1.660 * 10 -27 кг

Относителната молекулна маса на дадено вещество може да се изчисли чрез добавяне на относителните атомни маси на елементите, които изграждат молекулата на веществото. Относителната атомна маса на химичните елементи е дадена в периодичната таблицахимически елементи D.I. Менделеев.

В периодичната система D.I. Менделеев за всеки елемент е посочен атомна маса, което се измерва в единици за атомна маса (amu). Например, атомната маса на магнезия е 24,305 amu, тоест магнезият е два пъти по-тежък от въглерода, тъй като атомната маса на въглерода е 12 amu. (това следва от факта, че 1 amu = 1/12 от масата на въглеродния изотоп, който е повечетовъглероден атом).

Защо да измерваме масата на молекулите и атомите в аму, ако има грамове и килограми? Разбира се, можете да използвате тези мерни единици, но това ще бъде много неудобно за писане (ще трябва да се използват твърде много числа, за да се запише масата). За да намерите масата на елемент в килограми, трябва да умножите атомната маса на елемента по 1 amu. Атомната маса се намира според периодичната таблица (написана вдясно от буквеното обозначение на елемента). Например, теглото на магнезиев атом в килограми ще бъде:

m 0Mg = 24,305 * 1 a.u.m. = 24,305 * 1,660 * 10 -27 = 40,3463 * 10 -27 кг

Масата на една молекула може да се изчисли чрез добавяне на масите на елементите, които изграждат молекулата. Например, масата на водна молекула (H 2 O) ще бъде равна на:

m 0H2O = 2 * m 0H + m 0O = 2 * 1,00794 + 15,9994 = 18,0153 а.м. = 29,905 * 10 -27 кг

Къртицаравно на количеството вещество в система, която съдържа същия брой молекули, колкото има атоми в 0,012 kg въглерод C 12. Тоест, ако имаме система с някакво вещество и в тази система има толкова молекули от това вещество, колкото има атоми в 0,012 kg въглерод, тогава можем да кажем, че в тази система имаме 1 мол вещество.

Константата на Авогадро

Количество веществоν е равно на отношението на броя на молекулите в дадено тяло към броя на атомите в 0,012 kg въглерод, т.е. броят на молекулите в 1 мол от веществото.

ν = N / N A

където N е броят на молекулите в дадено тяло, N A е броят на молекулите в 1 мол от веществото, от което се състои тялото.

N A е константата на Авогадро. Количеството вещество се измерва в молове.

Константата на Авогадрое броят на молекулите или атомите в 1 мол вещество. Тази константа е кръстена на италианския химик и физик Амедео Авогадро (1776 – 1856).

1 мол от всяко вещество съдържа същия брой частици.

N A = 6,02 * 10 23 mol -1

Моларна масае масата на вещество, взето в количество от един мол:

μ = m 0 * N A

където m 0 е масата на молекулата.

Моларната маса се изразява в килограми на мол (kg/mol = kg*mol -1).

Моларната маса е свързана с относителната молекулна маса чрез:

μ = 10 -3 * M r [kg*mol -1]

Масата на всяко количество вещество m е равна на произведението на масата на една молекула m 0 от броя на молекулите:

m = m 0 N = m 0 N A ν = μν

Количеството на веществото е равно на съотношението на масата на веществото към неговата моларна маса:

ν = m/μ

Масата на една молекула от веществото може да се намери, ако са известни моларната маса и константата на Авогадро:

m 0 = m / N = m / νN A = μ / N A

| Повече ▼ точно определениеМасата на атомите и молекулите се постига с помощта на масспектрометър - устройство, в което сноп от заредени частици се разделя в пространството в зависимост от масата на заряда им с помощта на електрически и магнитни полета.

Например, да намерим моларна масамагнезиев атом. Както разбрахме по-горе, масата на магнезиев атом е m0Mg = 40,3463 * 10 -27 kg. Тогава моларната маса ще бъде:

μ = m 0Mg * N A = 40,3463 * 10 -27 * 6,02 * 10 23 = 2,4288 * 10 -2 kg/mol

Тоест, 2,4288 * 10 -2 кг магнезий се "побира" в един мол. Е, или около 24,28 грама.

Както виждаме, моларната маса (в грамове) е почти равна на атомната маса, посочена за елемента в периодичната таблица. Следователно, когато посочват атомната маса, те обикновено правят това:

Атомната маса на магнезия е 24,305 amu. (g/mol).

Част I

1. Количеството вещество се измерва вмолове, милимоли (1000 пъти по-малко от 1 мол) и киломоли (1000 пъти повече от 1 мол).

2. Масата се измерва в mg, g, kg.

3. Има моларни, милимоларни и киломоларни маси, които се измерват съответнов mg/mmol, g/mol, kg/kmol.

4. Обемът се измерва в ml, l, m3, а милимоларни, моларни и киломоларни обеми - в ml/mmol, l/mol, m3/kmol.

5. Попълнете таблицата „Съотношение на някои физични и химични величини и техните единици“.

6. Попълнете таблицата, като направите необходимите изчисления.

Част II

1. Колко молекули се съдържат в 513 mg захароза?

2. Изчислете масата (n.s.) на 89,6 m3 азот.

3. Измислете проблемно условие, ако масата газообразно веществое дадено в килограми, но трябва да намерите обема (съществително).

4. Изчислете броя на молекулите в 147 mg сярна киселина.

5. Броят на молекулите метан е равен на . Изчислете масата му.

6. Какво количество вещество се съдържа в 945 mg калциев фосфат Ca3(PO4)2?

7. Какъв същия обем въздух (при същите условия) ще има най-голяма маса?
1) сух въздух
2) влажен въздух
Обосновете своя избор.

2) Влажен въздух, тъй като ще бъде по-тежък от сухия въздух с масата водна пара, съдържаща се във влажния въздух.

Както вече знаете, всички тела са изградени от молекули. Ако говорим за масата на молекулите и я изразим в грамове или килограми, тогава ще видим, че масата е много малка, а ако говорим за броя на молекулите, например в една кубичен сантиметърпространството около нас, тогава броят на тези молекули ще бъде огромен. Работете с много малки или много големи числане е много удобно, въпреки това учените успяха да разберат как да изразят масата или размера на молекулите в не много големи видими числа, не повече от сто. Днес ще ви покажем как са успели да направят това.

Виждаме, че една тежест значително надвишава седем пластмасови топки. Опитът с везните ни дава отговора - повече веществов желязна тежест, това е, ако сравним маси - мерки за инерция на желязо и пластмаса.

Но какво ще стане, ако сравним не масите, а количеството вещество, което е отишло за направата на топките и тежестите, всъщност броя на частиците, от които са съставени? Като вземем топките и тежестта в ръцете си, ще видим, че тежестта всъщност се губи на фона на тези топки. Ако можем да преброим броя на частиците, които са включени в желязото и пластмасата, тогава ще видим, че броят на железните атоми ще бъде значително по-малък от броя на молекулите във всички пластмасови топки. Това означава, че има повече вещество в пластмасата.

И двата отговора са верни.

Работата е там, че в първия случай сравнихме масата, тоест мярка за инерцията на телата, а във втория случай сравнихме броя на молекулите, количеството вещество.

Можем да направим проста аналогия със захарта в мерителна чаша. На въпроса колко захар има може да се отговори, като погледнете делението на чашата и приблизително кажете колко грама захар има. Можете да преброите всяко зърно в чашата и да отговорите колко от тях съдържа чашата. И първият, и вторият отговор ще бъдат верни. Кога е по-удобно да се говори за масата на молекулите и кога е по-удобно да се говори за количеството вещество? Именно това е темата на урока: „Маса на молекулите, Количество на веществото“.

През 19 век италианският учен Авогадро установява интересен факт: ако два различни газа, например водород и кислород, са в едни и същи съдове, при еднакви налягания и температури, тогава във всеки съд ще има еднакъв брой молекули, въпреки че масите на газовете могат да се различават много, в нашия пример - 16 пъти (фиг. 2 ).

Ориз. 2. Експериментът на Авогадро ()

Всичко това означава, че някои свойства на тялото се определят именно от броя на молекулите, а не само от масата.

Какво разбираме под термина „количество вещество“? Всяко вещество се състои от молекули, атоми, йони - което означава, че под количеството вещество разбираме броя на молекулите.

Физическата величина, която определя броя на молекулите в дадено тяло, се нарича количество вещество. Означава се с гръцката буква ν - ну.

Съгласихме се да приемем като единица количество вещество такова количество, което съдържа толкова частици (атоми, молекули), колкото атоми се съдържат в 0,012 kg (12 грама) въглероден изотоп с атомна маса 12.

Тази единица се нарича къртица.

От това определение следва, че в един мол от всяко вещество ще има същия брой молекули. Един мол от всяко вещество съдържа 6.02 10 23молекули или частици. Това количество се нарича Константата на Авогадро.

Ориз. 3. Определяне на общия брой молекули ()

Тази формула ви позволява да разберете пълен номермолекули за известно количество вещество.

Масата на молекулата е изключително малка. Физиците установиха това с помощта на така наречения масспектрограф. Например стойността на масата на водна молекула (фиг. 4):

Ориз. 4. Определяне на масата на водна молекула ()

Както виждаме, точно както в случаите с количеството вещество, сравняването на масата на една молекула с еталон за маса, килограм, не е много удобно. Ако в случаите с количеството вещество числата са огромни, то в случаите с масата на молекулите числата са много малки. Ето защо като мерна единица за масата на молекула или атом е избрана специална извънсистемна единица - атомна единица за маса. Ще сравним единица маса не със стандарт, а с масата на молекула на някакво вещество.

Това вещество стана най-разпространеният елемент в природата - въглеродът, който е включен във всичко. органични съединения. Единицата за атомна маса е равна на:

1 аму = 1/12 маса въглерод - 12 (изотоп с 12 нуклона)

1 аму = 1,66·10 -27 кг

Тъй като ще измерваме масата на молекулите в единици за атомна маса, стигаме до нова физическо количество- относително молекулно тегло.

Отношението на масата на молекула (атом) на дадено вещество към 1/12 от масата на въглероден атом се нарича относително молекулно тегло(или относителна атомна маса) в случай на атомна структура на вещество.

Формули, изразяващи това определение:

Относителното молекулно тегло е безразмерна величина, не се измерва в нищо. Нищо не ни пречи да продължим да измерваме масите на атомите и молекулите в килограми, когато ни е удобно. От курса по химия знаем, че: относителната молекулна маса на веществото е равна на сумата от относителните атомни маси на елементите, включени в него. Например, за вода H2O относителното молекулно тегло ще бъде:

Mr = 1 2 + 16 = 18

Сумата от относителните молекулни тегла на кислород (16) и два водорода (2.1) ще даде 18

Как да намерим общото между масата в килограми и количеството вещество в молове? Това количество е моларна маса.

Моларна масае масата на един мол вещество.

Означено [M], измерено в kg/mol.

Моларната маса е равна на отношението на масата към количеството вещество:

Получаваме формули, които се отнасят различни характеристикимолекули.

За определяне на моларната маса химически елементнека се обърнем към периодичната таблицахимически елементи на Менделеев - просто вземаме атомната маса А (броя нуклони на търсения елемент) - това ще бъде неговата моларна маса, изразена в g/mol.

Например за алуминий (фиг. 5):

Ориз. 5. Определяне на моларната маса на веществото ( )

Атомната маса на алуминия ще бъде 27, а моларната маса ще бъде 0,027 kg/mol.

Това се обяснява с факта, че моларната маса на въглерода е 12 g/mol по дефиниция, докато ядрото на въглеродния атом съдържа 12 нуклона - 6 протона и 6 неутрона, оказва се, че всеки нуклон допринася с 1 g/mol за моларна маса, така че моларната маса на химичен елемент с атомна маса A ще бъде равна на A g/mol.

Моларната маса на вещество, чиято молекула се състои от няколко атома, се получава чрез просто сумиране на моларните маси, например (фиг. 6):

Ориз. 6. Моларна маса на въглероден диоксид ()

Трябва да сте особено внимателни с моларните маси на някои газове, като водород, азот, кислород - тяхната молекула се състои от два атома - H 2, N 2, O 2, а хелият, който често се среща в задачи, е едноатомен и има молекулно тегло 4 g/mol, предписано от периодичната таблица (фиг. 7).

Ориз. 7. Моларни маси на някои газове ()

Един мол от всяко вещество съдържа броя на молекулите на Авогадро, което означава, че ако умножим числото на Авогадро (броя на молекулите в един мол) по масата на една молекула m0, тогава получаваме моларната маса на веществото, т.е. , масата на един мол от веществото:

M = m 0 N A

Ако 25 ученика учат в класна стая с площ 50 m2, тогава за всеки ученик има 2 m2. Когато отидат във фитнес зала с площ от 500 m2, всеки ученик вече ще има 20 m2. Броят на студентите не се е променил, но те са станали по-малко разпределени, в този случай те казват: концентрацията на хора е намаляла. По същия начин понятието концентрация се въвежда за молекулите в молекулярно-кинетичната теория.

Концентрация(n) е броят на молекулите на единица обем на веществото. Тя е равна на отношението на броя на молекулите към обема:

Формули, свързващи концентрацията с други характеристики на молекулите:

Използвайки тези формули, можем да сравняваме веществата както по броя на молекулите, така и по масата.

Получихме всичко необходимо за изграждане на молекулярно-кинетична теория, което ще направим в следващите уроци.

Библиография

1. Тихомирова С.А., Яворски Б.М. Физика ( основно ниво на) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Физика 10 клас. - М.: Мнемозина, 2014.
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика - 9, Москва, Образование, 1990г.

1. Lib.podelise.ru ().
2. Class-fizika.spb.ru ().
3. Bolshoyvopros.ru ().

Домашна работа

1. Определете количеството на веществото.
2. Назовете мерната единица за масата на молекула или атом.
3. Определете относителното молекулно тегло.