Относительная атомная и молекулярная масса

Для измерения массы атома используется относительная атомная масса, которая выражается в атомных единицах массы (а. е. м.). Относительная молекулярная масса складывается из относительных атомных масс веществ.

Относительная молекулярная масса

Вещества молекулярного строения характеризуются величиной относительной молекулярной массы, которая обозначается M_r.

Относительная молекулярная масса — это физическая величина, равная отношению массы одной молекулы вещества к 1/12 части массы атома углерода.

Эта величина равна сумме относительных атомных масс всех химических элементов с учетом числа их атомов в молекуле. Например, рассчитаем относительную молекулярную массу воды H₂O:

Относительная молекулярная масса серной кислоты H₂SO₄:

Относительные молекулярные массы, как и относительные атомные массы, являются величинами безразмерными. Значение М_r показывает, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше атомной единицы массы u. Например, если M_r(H₂O) = 18, это значит, что масса молекулы H₂O в 18 раз больше 1/12 части массы атома углерода, т. е. в 18 раз больше атомной единицы массы. Соответственно, масса молекулы H₂SO₄ в 98 раз больше 1/12 части массы атома углерода.

Относительная формульная масса

Вещества немолекулярного строения также характеризуются подобной величиной, которая называется относительной формульной массой. Как и относительная молекулярная масса, она равна сумме относительных атомных масс всех элементов, входящих в состав структурной единицы таких веществ — формульной единицы, и также обозначается M_r. При этом, конечно, необходимо учитывать индексы у символов атомов.

Например, относительная формульная масса вещества CaCO₃ равна:

Относительная формульная масса вещества Al₂(SO₄)₃ равна:

Относительная формульная масса показывает, во сколько раз масса формульной единицы данного вещества больше 1/12 части массы атома углерода, или атомной единицы массы u.

Как определить массу молекулы?

Хотя идеи о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц, то есть атомов, высказывались ещё Демокритом в Античности, доказать подобные гипотезы было невозможно. Однако в начале XIX в. произошел научный прорыв. Джон Дальтон открыл сразу три важных закона:

• закон кратных отношений;
• закон парциальных давлений;
• закон растворимости газов в жидкостях.

Объяснить открытые закономерности можно было только с помощью гипотезы об атомной строении вещества. Эти же законы позволяли Дальтону сравнивать массы атомов и молекул между собой. Ученый принял массу атома водорода за единицу (так как он оказался самым легким атомом), и через нее (то есть через водородную единицу) в 1803 г. выразил массы многих других атомов и молекул. Впрочем, оказалось, что значительная часть вычислений была проведена с ошибками.

На тот момент для определения масс атомов чаще всего использовались реакции образования оксидов, то есть кислородных соединений. По этой причине в ходе опытов фактически в качестве единицы измерения использовалась масса не атома водорода, а атома кислорода. Изначально грубые расчеты показывали, что кислородный атом в 16 раз тяжелее водородного атома, то есть его масса, по системе Дальтона, составляла 16 единиц. Однако потом выяснилось, что всё же атом кислорода тяжелее только в 15,874 раза. Эти данные потребовали пересчета всех атомных масс. Но химики поступили проще – они договорились, что теперь масса кислородного атома принимается в точности равной 16 атомным единицам. Так возникла новая, кислородная единицы атомного веса. В результате пересчитывать пришлось лишь массу водорода – она теперь составляла не единицу, а 16:15,874≈ 1,0079 атомных единиц.

Уже в начале XX в. выяснилось, что в природе могут существовать изотопы – разные по массе атомы одного и того же элемента. В частности, в природе встречается три различных стабильных изотопов кислорода (и ещё 10 – нестабильных). Встал вопрос – масса какого из этих изотопов будет приниматься за единицу? Физики стали использовать массу изотопа кислород-16, а химики – среднюю массу всех изотопов (с учетом их распространенности в природном кислороде). Возникли разночтения, которые были решены лишь в 1960-1961 г. Тогда была принята договоренность, что масса изотопа углерода-12 принимается равной 12 атомным единицам массы (а. е. м.). Таким образом появилась углеродная единица.

Понятия

Для осознания, что такое относительная атомная масса в химии, следует понимать, что абсолютная масса атома слишком мала, чтобы выражать её в граммах, а тем более в килограммах. Поэтому в современной химии за атомную единицу массы (а. е. м.) взята 1/12 часть массы углерода. Относительная атомная масса равна отношению абсолютной массы к 1/12 абсолютной массы углерода. Другими словами относительная масса отражает, во сколько раз масса атома конкретного вещества превышает 1/12 массы атома углерода. Например, относительная масса азота – 14, т.е. атом азота содержит 14 а. е. м. или в 14 раз больше, чем 1/12 часть атома углерода.

Рис. 1. Атомы и молекулы.

Среди всех элементов водород самый лёгкий, его масса равна 1 единице. Самые тяжёлые атомы имеют массу в 300 а. е. м.

Молекулярная масса – значение, показывающее, во сколько раз масса молекулы превышает 1/12 часть массы углерода. Также выражается в а. е. м. Масса молекулы складывается из массы атомов, поэтому для вычисления относительной молекулярной массы необходимо сложить значения масс атомов вещества. Например, относительная молекулярная масса воды равна 18. Это значение складывается из относительных атомных масс двух атомов водорода (2) и одного атома кислорода (16).

Рис. 2. Углерод в периодической таблице.

Как видно, эти два понятия имеют несколько общих характеристик:

• относительная атомная и молекулярная массы вещества – безразмерные величины;
• относительная атомная масса имеет обозначение A_r, молекулярная – M_r;
• единица измерения одинакова в обоих случаях – а. е. м.

Молярная и молекулярная массы совпадают численно, но отличаются по размерности. Молярная масса – это отношение массы вещества к количеству молей. Она отражает массу одного моля, который равен числу Авогадро, т.е. 6,02 ⋅ 10

23

. Например, 1 моль воды весит 18 г/моль, а M_r(Н₂О) = 18 а. е. м. (тяжелее в 18 раз одной атомной единицы массы).

Как рассчитать

Чтобы выразить относительную атомную массу математически, следует определить, что 1/2 часть углерода или одна атомная единица массы равна 1,66⋅10

−24

г. Следовательно, формула относительной атомной массы имеет следующий вид:

A_r(X) = m_a(X) / 1,66⋅10

−24

,

где m_a – абсолютная атомная масса вещества.

Относительная атомная масса химических элементов указана в периодической таблице Менделеева, поэтому её не нужно рассчитывать самостоятельно при решении задач. Относительные атомные массы принято округлять до целых. Исключение составляет хлор. Масса его атомов равна 35,5.

Следует обратить внимание, что при расчёте относительной атомной массы элементов, имеющих изотопы, учитывается их среднее значение. Атомная масса в этом случае высчитывается следующим образом:

A_r = ΣA_r,in_i,

где A_r,i – относительная атомная масса изотопов, n_i – содержание изотопов в природных смесях.

Например, кислород имеет три изотопа –

16

О,

17

О,

18

О. Их относительная масса равна 15,995, 16,999, 17,999, а их содержание в природных смесях – 99,759 %, 0,037 %, 0,204 % соответственно. Поделив проценты на 100 и подставив значения, получим:

A_r = 15,995 ∙ 0,99759 + 16,999 ∙ 0,00037 + 17,999 ∙ 0,00204 = 15,999 а.е.м.

Обратившись к периодической таблице, легко найти это значение в клетке кислорода.

Рис. 3. Таблица Менделеева.

Относительная молекулярная масса – сумма масс атомов вещества:

M_r = ΣAr.

При определении значения относительной молекулярной массы учитываются индексы символов. Например, вычисление массы H₂CO₃ выглядит следующим образом:

M_r = 1 ∙ 2 + 12 + 16 ∙ 3 = 62 а. е. м.

Зная относительную молекулярную массу, можно вычислить относительную плотность одного газа по второму, т.е. определить, во сколько раз одно газообразное вещество тяжелее второго. Для этого используется уравнение D_(y)x = M_r(х) / M_r(y).

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Захар Харитонов

  10/10

• Александр Котков

  10/10

• Евгения Медникова

  10/10

• Александр Котков

  10/10

• Сергей Ефремов

  9/10

• Сергей Макаров

  10/10

• Вася Загайнов

  9/10

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6. Всего получено оценок: 690.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...