ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Отношение массы (m) вещества к его количеству (n) называют молярной массой вещества :
Молярную массу обычно выражают в г/моль, реже в кг/кмоль. Поскольку в одном моле любого вещества содержится одинаковое число структурных единиц, то молярная масса вещества пропорциональная массе соответствующей структурной единицы, т.е. относительной атомной массе данного вещества (M r):
где κ - коэффициент пропорциональности, одинаковый для всех веществ. Относительная молекулярная масса - величина безразмерная. Её вычисляют, используя относительные атомные массы химических элементов, указанных в Периодической системе Д.И. Менделеева.
Относительная атомная масса атомарного азота равна 14,0067 а.е.м. Его относительная молекулярная масса будет равна 14,0064, а молярная масса:
M(N) = M r (N) × 1 моль = 14,0067 г/моль.
Известно, что молекула азота двухатомна - N 2 , тогда, относительная атомная масса молекулы азота будет равна:
A r (N 2) = 14,0067 × 2 = 28,0134 а.е.м.
Относительная молекулярная масса молекулы азота будет равна 28,0134, а молярная масса:
M(N 2) = M r (N 2) × 1 моль = 28,0134 г/моль или просто 28 г/моль.
Азот представляет собой бесцветный газ, не обладающий ни запахом, ни вкусом (схема строения атома представлена на рис. 1), плохо растворимый в воде и других растворителях с очень низкими значениями температур плавления (-210 o C) и кипения (-195,8 o C).
Рис. 1. Строение атома азота.
Известно, что в природе азот может находиться в виде двух изотопов 14 N (99,635%) и 15 N (0,365%). Эти изотопы характеризуются различным содержанием нейтронов в ядре атома, а значит и молярной массой. В первом случае она будет равна 14 г/моль, а во втором - 15 г/моль.
Молекулярную массу вещества в газообразном состоянии можно определить, используя понятие о его молярном объеме. Для этого находят объем, занимаемый при нормальных условиях определенной массой данного вещества, а затем вычисляют массу 22,4 л этого вещества при тех же условиях.
Для достижения данной цели (вычисление молярной массы) возможно использование уравнения состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона):
где p - давление газа (Па), V - объем газа (м 3), m - масса вещества (г), M - молярная масса вещества (г/моль), Т - абсолютная температура (К), R - универсальная газовая постоянная равная 8,314 Дж/(моль×К).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Вычислите объем азота (нормальные условия), который может прореагировать с магнием массой 36 г. |
| Решение | Запишем уравнение реакции химического взаимодействия магния с азотом:
Задача 80.
Ответ
: Задача 81.
Ответ:
Задача 82.
Здесь R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314Дж/(моль. К); Т – температура газа, К; Р – давление газа, Па; V – объём газа, м3; М – мольная масса газа, г/моль.
б) 1 моль любого вещества содержит 6,02 . 10 23 частиц (атомов, молекул), тогда масса од-ной молекулы рассчитывается из соотношения:
Ответ : М = 28г/моль; m = 4,65 . 10 -23 г. Задача 83.
Плотность газа по воздуху равна отношению мольной массы данного газа к мольной массе воздуха:
Здесь - плотность газа по воздуху; - мольная масса газа; - воздуха (29г/моль). Тогда
Задача 84.
Мольная масса кислорода равна 32г/моль. Тогда Ответ : Задача 85.
где m 1 /m 2 - относительная плотность первого газа по второму, обозначаемая D. Следовательно, по условию задачи:
Мольная масса азота равна 28г/моль. Тогда б) 1 моль любого газа при нормальных условиях (Т = 0 0 С и Р = 101,325кПа) занимает объём равный 22,4л. Зная массу и объём газа при нормальных условиях рассчитаем мольную массу его, составив пропорцию:
Ответ: М (Газа) = 34 г/моль. Задача 86. где m 1 /m 2 - относительная плотность первого газа по второму, обозначаемая D. Следовательно, по условию задачи:
Мольная масса воздуха равна 29г/моль. Тогда M 1 = D . M 2 = 6,92 . 29 = 200,6 г/моль. Зная, что Ar(Hg) = 200,6 г/моль, находим количество атомов (n), из которых состоит молекула ртути:
Таким образом, молекула ртути состоит из одного атома. Ответ : из одного. Задача 87. где m 1 /m 2 - относительная плотность первого газа по второму, обозначаемая D. Следовательно, по условию задачи:
Мольная масса азота равна 28г/моль. Тогда мольная масса паров серы равно: M 1 = D . M 2 = 9,14 . 2 = 255,92 г/моль. Зная, что Ar(S) = 32г/моль, находим количество атомов (n), из которых состоит молекула серы:
Таким образом, молекула серы состоит из одного атома. Ответ : из восьми. Задача 88.
Здесь R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314Дж/(моль . К); Т – температура газа, К; Р – давление газа, Па; V – объём газа, м 3 ; М – мольная масса газа, г/моль.
Ответ : 58 г/моль. Задача 89. Выразив данные задачи в системе единиц СИ (Р = 10,4 . 104Па; V = 6,24 . 10-4м3; m = 1,56 . 10-3кг; Т = 290К) и подставив их в уравнение Клапейрона- Менделеева (уравнение состояния идеального газа), находим мольную массу газа: Здесь R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314Дж/(моль. К); Т – температура газа, К; Р – давление газа, Па; V – объём газа, м 3 ; М – мольная масса газа, г/моль.
Ответ: 58 г/моль. Молекулярная масса - одно из основных понятий в современной химии. Ее ввод стал возможным после научного обоснования утверждения Авогадро о том, что многие вещества состоят из мельчайших частиц - молекул, каждая из которых, в свою очередь, состоит из атомов. Этим суждением наука во многом обязана итальянскому химику Амадео Авогадро, который научно обосновал молекулярное строение веществ и подарил химии многие важнейшие понятия и законы. Единицы масс элементовПервоначально за базовую единицу атомной и молекулярной массы брали атом водорода как наиболее легкого из элементов во Вселенной. Но атомные массы в большинстве своем вычислялись но основе их кислородных соединений, поэтому было принято решение выбрать новый эталон для определения атомных масс. Атомную массу кислорода приняли равной 15, атомную массу самого легкого вещества на Земле, водорода, - 1. В 1961 году кислородная система определения веса была общепринятой, но создавала определенные неудобства.
В 1961 году была принята новая шкала относительных атомных масс, эталоном для которой стал изотоп углерода 12 С. Атомная единица массы (сокращенно а.е.м.) составляет 1/12 часть массы этого эталона. В настоящее время атомной массой называют массу атома, которая должна быть выражена в а.е.м. Масса молекулМасса молекула любого вещества равна сумме масс всех атомов, образующих данную молекулу. Самая легкая молекулярная масса газа у водорода, его соединение пишется как Н 2 и имеет значение, приближенное к двум. Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Значит, ее молекулярная масса равна 15,994 + 2*1.0079=18.0152 а.е.м. Самые большие молекулярные массы имеют сложные органические соединения - белки и аминокислоты. Молекулярная масса структурной единицы белка колеблется от 600 до 10 6 и выше, в зависимости от количества пептидных цепей в этой макромолекулярной структуре.
МольОдновременно со стандартными единицами массы и объема в химии используется совершенно особая системная единица - моль. Моль - это количество вещества, которое содержит столько структурных единиц (ионов, атомов, молекул, электронов), столько содержится в 12 граммах изотопа 12 С. При применении меры количества вещества необходимо указывать, какие именно структурные единицы имеются в виду. Как следует из понятия «моль», в каждом отдельном случае следует точно указывать, о каких структурных единицах идет речь - например, моль ионов Н + , моль молекул Н 2 и прочее. Молярная и молекулярная массаМасса количества вещества в 1 моль измеряется в г/моль и называется молярной массой. Отношение между молекулярной и молярной массой можно записать в виде уравнения ν = k × m/M, где к - коэффициент пропорциональности. Нетрудно сказать, что для любых соотношений коэффициент пропорциональности будет равен единице. Действительно, изотоп углерода имеет относительную молекулярную массу 12 а.е.м, а, согласно определению, молярная масса этого вещества равна 12 г/моль. Отношение молекулярной массы к молярной равно 1. Отсюда можно сделать вывод, что молярная и молекулярная масса имеют одинаковые числовые значения. Объемы газовКак известно, все окружающие нас вещества могут пребывать в твердом, жидком или газообразном агрегатном состоянии. Для твердых тел наиболее распространенной базовой мерой является масса, для твердых и жидких - объем. Это связано с тем, что твердые тела сохраняют свою форму и конечные размеры, Жидкие и газообразные вещества конечных размеров не имеют. Особенность любого газа состоит в том, что между его структурными единицами - молекулами, атомами, ионами - расстояние во много раз больше, чем такие же расстояния в жидкостях или твердых телах. Например, один моль воды в нормальных условиях занимает объем 18 мл - приблизительно столько же вмещается в одну столовую ложку. Объем одного моля мелкокристаллической поваренной соли - 58,5 мл, а объем 1 моля сахара больше моля воды в 20 раз. Для газов места требуется еще больше. Один моль азота при нормальных условиях занимает объем, в 1240 раз больший, чем один моль воды.
Таким образом, объемы газообразных веществ существенно отличаются от объемов жидких и твердых. Это обусловлено разностью растояний между молекулами веществ в различных агрегатных состояниях. Нормальные условияСостояние любого газа сильно зависит от температуры и давления. Например, азот при температуре в 20 °С занимает объем в 24 литра, а при 100 °С при том же самом давлении - 30,6 литров. Химики учли такую зависимость, поэтому было принято решение сводить все операции и измерения с газообразными веществами к нормальным условиям. Во всем мире параметры нормальных условий одинаковы. Для газообразных химических веществ это:
Для нормальных условий принято специальное сокращение - н.у. Иногда в задачах это обозначение не пишется, тогда следует внимательно перечитать условия задачи и привести заданные параметры газа к нормальным условиям. Расчет объема 1 моля газаВ качестве примера несложно выполнить расчет одного моля любого газа, например азота. Для этого сначала нужно найти значение его относительной молекулярной массы: М r (N 2)= 2×14=28. Поскольку относительная молекулярная масса вещества численно равна молярной, то M(N 2)=28 г/ моль. Опытным путем выяснено, что при нормальных условиях плотность азота равна 1,25 г/литр. Подставим это значение в стандартную формулу, известную со школьного курса физики, где:
Получим, что молярный объем азота при нормальных условиях V(N 2)= 25г/моль: 1,25 г/ литр =22,4 л/ моль. Получается, что один моль азота занимает 22,4 литра. Если выполнить такую операцию со всеми существующими газовыми веществам, можно прийти к удивительному выводу: объем любого газа при нормальных условиях равен 22,4 литра. Вне зависимости от того, о каком газе идет речь, какова его структура и физико-химические характеристики, один моль этого газа будет занимать объем 22,4 литра.
Молярный объем газа - одна из важнейших констант в химии. Эта постоянная позволяет решить многие химические задачи, связанные с измерением свойств газов при нормальных условиях. ИтогиМолекулярная масса газообразных веществ важна для определения количества вещества. А если исследователь знает количество вещества того или иного газа, он может определить массу или объем такого газа. Для одной и той же порции газообразного вещества одновременно выполняются условия: ν = m/ M ν= V/ V m. Если убрать постоянную ν, можно уравнять эти два выражения: Так можно вычислить массу одной порции вещества и его объем, а также становится известной молекулярная масса исследуемого вещества. Применяя эту формулу, можно легко вычислить соотношение объем-масса. При приведении данной формулы к виду M= m V m /V станет известна молярная масса искомого соединения. Для того чтобы вычислить это значение, достаточно узнать массу и объем исследуемого газа. Следует помнить, что строгое соответствие реальной молекулярной массы вещества к той, что найдена по формуле, невозможно. Любой газ содержит массу примесей и добавок, которые вносят определенные изменения в его структуру и влияют на определение его массы. Но эти колебания вносят изменения в третью или четвертую цифру после запятой в найденном результате. Поэтому для школьных задач и экспериментов найденные результаты вполне правдоподобны. V экв1 иV экв2 молярные объемы их эквивалентов. Используя рассмотренные стехиометрические законы, можно решать обширный круг задач. Примеры решения ряда типовых задач приведены ниже. 3.3.Вопросы для самоконтроля1. Что такое стехиометрия? 2. Какие стехиометрические законы Вам известны? 3. Как формулируется закон сохранения массы веществ? 4. Как на основании атомно-молекулярной теории объяснить справедливость закона сохранения массы веществ? 5. Как формулируется закон постоянства состава? 6. Сформулируйте закон простых объемных отношений. 7. Как формулируется закон Авогадро? 8. Сформулируйте следствия из закона Авогадро. 9. Что такое молярный объем? Чему он равен? 10. Что такое относительная плотность газов? 11. Как, зная относительную плотность газа, можно определить его молярную массу? 12. Какие параметры характеризуют газовое состояние? 13. Какие единицы измерения массы, объема, давления и температуры вам известны? 14. Чем отличаются шкалы температур Цельсия и Кельвина? 15. Какие условия газового состояния считаются нормальными? 16. Каким образом можно привести объем газа к нормальным условиям? 17. Что называется эквивалентом вещества? 18. Что такое молярная масса эквивалента? 19. Как определяется фактор эквивалентности для а) оксида, б) кислоты, в) основания, г) соли? 20. По каким формулам можно вычислить эквивалент для а) оксида, б) кислоты, в) основания, г) соли? 21. По каким формулам можно вычислить молярные массы эквивалентов для а) оксида, б) кислоты, в) основания, г) соли? 22. Что такое молярный объем эквивалента? 23. Как формулируется закон эквивалентов? 24. Какими формулами можно выразить закон эквивалентов? 3.4. Тесты для самоконтроля по теме «Эквивалент» Вариант 11. При одинаковых условиях взяты равные объемыO 2 и С1 2 . Каково соотношение масс обоих газов? 1) m (O 2) > m (Cl 2), 2) m (O 2) < m (Cl 2), 3) m (O 2) = m (Cl 2). 2. Чему равно значение относительной плотности кислорода по водороду? 1) 32, 2) 8, 3) 16, 4) 64. 3. Сколько молей эквивалентов серной кислоты содержится в 1 моль молекул этого вещества, участвующего в реакции полной нейтрализации? 1) 2, 2) 1, 3) 1/2, 4) 1/6, 5) 1/4. 4. Чему равен эквивалент хлорида железа (III) в реакции FeCl 3 + 3NаОН =Fе(ОН) 3 + 3NаС1? 1) 1/2, 2) 1, 3) 1/3, 4) 1/4, 5) 1/6. 5. Чему равна масса цинка в граммах, которую нужно взять, чтобы при реакции с кислотой выделился водород объемом 5,6 л? 1) 65, 2) 32,5, 3) 16,25, 4) 3,25. Ответы см. на стр 26. Вариант 21. Смешали равные объемы водорода и хлора. Как изменится объем смеси после протекания реакции? 1) Увеличится в 2 раза 2) уменьшится в 2 раза 3) не изменится.2. Масса газа объемом 2,24 л (при нормальных условиях) равна 2,8 г. Чему равно значение относительной молекулярной массы газа? 1) 14, 2) 28, 3) 28 Г/моль, 4) 42.3. Под каким номером приведена формула оксида азота, молярная масса эквивалента азота в котором равна 7 г/моль? 1) N 2 O, 2) NO, 3) N 2 O 3 , 4) N 2 O 4 , 5) N 2 O 5 . 4. Под каким номером приведено значение объема водорода в л при н.у., который выделится при растворении в кислоте 18 г металла, молярная масса эквивалента которого равна 9? 1) 22,4, 2) 11,2, 3) 5,6, 4) 2,24. 5. Чему равен эквивалент нитрата гидроксожелеза (Ш) в реакции: Fе(NO 3) 3 + NаОН = Fe(ОН) 2 NO 3 + NаNO 3 ? 1) 1/4, 2) 1/6, 3) 1, 4) 1/2, 5) 1/3. Ответы см. на стр. 26. Читайте также:
|
