Атомные и молекулярные массы
ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВ
Химия – наука о веществах и их превращениях
Вещество – вид материи, состоящий из дискретных частиц, обладающих массой покоя (атомы, молекулы, ионы). Способ существования материи – движение .
Фундаментальный закон природы – закон неуничтожимости материи и движения имеет следствием закон сохранения массы , открытый М.В. Ломоносовым в 1748 году и опубликованный в 1760 году: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
М.В. Ломоносов является также создателем атомно-молекулярного учения, которое он сформулировал в 1741 году.
Основные положения атомно-молекулярного учения:
1) Все вещества состоят из молекул, между которыми имеются промежутки. Молекула – мельчайшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
2) Молекулы состоят из атомов, которые соединяются друг с другом в определенных соотношениях.
Атом – наименьшая частица химического элемента в составе простых и сложных веществ, химически неделимая.
3) Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении.
4) Атомы характеризуются определенной массой и размерами.
5) Разным элементам соответствуют разные атомы (элемент – вид атомов).
6) Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных – из разных.
Закон постоянства состава
Открытие закона сохранения массы ознаменовало переход химии к количественным методам исследования. Был изучен состав многих веществ и установлен закон постоянства состава в 1799-1807 гг. Ж. Прустом : всякое чистое вещество, независимо от способов его получения и нахождения в природе, имеет постоянный качественный и количественный состав.
Закон простых кратных отношений
Из закона постоянства состава следует, что при образовании сложного вещества элементы соединяются друг с другом в определенных весовых соотношениях. Многие элементы могут соединяться друг с другом в нескольких различных весовых соотношениях и при этом образуются разные вещества (СО, СО 2). В молекулах СО и СО 2 , N 2 O, NO и NO 2 состав меняется скачками, а не постепенно, что свидетельствует о дискретном строении вещества. Этот закон, подтвержденный на опыте, был первым доказательством реальности существования атомов.
Атомные и молекулярные массы
Атомы и молекулы имеют абсолютные массы порядка 10 –24 –10 –21 г, неудобные для сравнения, поэтому химики пользуются относительными значениями масс атомов. Представление об относительной атомной массе было введено Дж. Дальтоном в 1803 г. За единицу массы он принял массу самого легкого атома – водорода. В настоящее время в качестве эталона принята масса 1/12 массы атома углерода изотопа 12 С, равная 1,66043×10 –24 г.
Относительная атомная (А r) масса показывает во сколько раз данный атом тяжелее 1/12 массы атома изотопа углерода 12 С.
Используя величину удельной теплоемкости , которая легко определяется экспериментально (отношение количества теплоты полученного или отданного 1 г вещества к соответствующему изменению температуры ) можно найти приближенное значение атомной массы. Исключения составляют легкие элементы, особенно неметаллы, имеющие теплоемкость значительно меньше (бериллий, бор, кремний, алмаз).
В настоящее время атомные массы элементов определяют методом масс-спектроскопии. Массы атомов определяют по отклонению траектории их ионов, двигающихся в магнитном поле, поскольку величина отклонение зависит от отношения массы иона к его заряду.
Относительная молекулярная масса (M r)показывает во сколько раз данная молекула тяжелее 1/12 массы атома 12 С.
 ,
| (1.4) |
где m м – масса молекулы.
Относительная атомная и относительная молекулярная масса. Моль. Число Авогадро
Соврем методы исследования позволяют определить чрезвычайно малые массы атомов с большой точностью. Так, например, масса атома водорода составляет 1,674 10 27 кг, кислорода - 2,667 x 10 -26 кг, углерода - 1,993 x 10 26 кг. В химии традиционно используются не абсолютные значения атомных масс, а относительные. В 1961 г. за единицу атомной массы принята атомная единица массы (сокращенно а.е.м.), которая представляет собой ‘/12 часть массы атома изотопа углерода «С. Большинство химических элементов имеют атомы с различной массой. Поэтому относительной атомной массой А, хим элемента называется величина, равная отношению средней массы атома естественного изотопического состава элемента к 1/12 массы атома углерода 12C. Относительные атомные массы’ элементов обозначают А, где индекс r - начальная буква английского слове relative - относительный. Записи Аr(Н), Ar(0), Ar(С) означают: относ атомная масса водорода, относит атомная масса кислорода, относит атомная масса углерода. Например, Ar(Н) =1,6747x 10-27 = 1,0079; 1/12 x 1,993 x 10 -26Относительная атомная масса - одна из основных характеристик химического элемента. Относительной молекулярной массой М, вещества называется величина, равная отношению средней массы молекулы естественного изотопического состава вещества к 1/12 массы атома углерода 12С. Вместо термина «относит атомная масса» можно использовать термин «атомная масса». Относ молекулярная масса численно равна сумме относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы вещества. Она легко подсчитывается по формуле вещества. Например Мг(H2O) слагается из 2Аr(Н)=2 1,00797=2,01594 Ar(0) =1x15, 9994 = 15,9994
Mr (H2O) = 18,01534 Значит, относит молекулярная масса воды равна 18,01534, округленно, 18. Относит молекулярная масса показывает, во сколько масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы атома С +12 . Так, молекулярная масса воды равна 18. Это означает, что масса молекулы воды в 18 раз больше, чем 1/12 массы атома С +12 . Относит молекулярная масса-одна из основных характеристик вещества. Моль. Молярная масса. В Международной системе единиц (СИ) за единицу количества вещества принят моль. Моль - это количество вещества, содержащее столько структурных единиц (молекул, атомов, ионов, электронов и других), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода С +12 . Зная массу одного атома углерода (1,993 10-26 кг), можно вычислить число атомов NA в 0,012 кг углерода: NA=0,012 кг/моль = 1,993 х10-26 кг 6,02 х 1023 ед/моль.
Это число называется постоянной Авогадро (обозначение НА размерность 1/моль), показывает число структурных единиц в моле любого вещества. Молярная масса - величина, равная отношению массы вещества к количеству вещества. Она имеет размерность кг/моль или г/моль; обычно ее обозначают буквой М. Молярную массу вещества легко вычислить, зная массу молекулы. Так, если масса молекулы воды равна 2,99х10-26, кг, то молярная масса Мr (Н2О) = 2,99 10-26 кг 6,02 1023 1/моль = 0,018 кг/моль, или 18 г/моль. В общем случае молярная масса вещества, выраженная в г/моль, численно равна относительной атомной или относительной молекулярной массе этого вещества. -Например, относительные атомные и молекулярные массы С, Fe, О, Н 2О соответственно равны 12, 56, 32,18, а их молярные массы составляют соответственно 12 г/моль, 56 г/моль, 32 г/моль, 18 г/моль. Молярная масса может быть подсчитана для веществ как в молекулярном, так и в атомном состоянии. Например, относительная молекулярная масса водорода Мr (Н 2) = 2, а относит атомная масса водорода А(Н) = 1. Количество вещества, определенное числом структурных единиц (Н А), в обоих случаях одинаково - 1 моль. Однако молярная масса молекулярного водорода 2 г/моль, а молярная масса атомного водорода 1 г/моль. Один моль атомов, молекул или ионов содержит число этих частиц, равное постоянной Авогадро, например
1 моль атомов С +12 = 6,02 1023 атомов С +12
1 моль молекул Н 2 O = 6,02 1023 молекул Н 2 O
1 моль ионов S0 4 2- = 6,02 1023 ионов S0 4 2-
Масса и количество вещества - понятия разные. Масса выражается в килограммах (граммах), а количество вещества - в молях. Между массой вещества (т, г), количеством вещества (п, моль) и молярной массой (М, г/моль) существуют простые соотношения: m=nM, n=m/M M=m/n По этим формулам легко вычислить массу определенного количества вещества, или определить количество вещества в известной ассе его, или найти молярную массу вещества.
Атомно-молекулярная теория. Атом, молекула. Химический элемент. Простое и сложное вещество. Аллотропия.
Химия - наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении. В настоящее время известно более 100 тыс. неорганических и более 4 млн. органических соединений.
Химические явления: одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, при этом состав ядер атомов не изменяется.
Физические явления: меняется физическое состояние веществ (парообразование, плавление, электропроводность, выделение тепла и света, ковкость и др.) или образуются новые вещества с изменением состава ядер атомов.
1. Все вещества состоят из молекул. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
2. Молекулы состоят из атомов. Атом - наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Различным элементам соответствуют различные атомы.
3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении; между ними существуют силы притяжения и отталкивания.
Химический элемент - это вид атомов, характеризующийся определенными зарядами ядер и строением электронных оболочек. В настоящее время известно 117 элементов: 89 из них найдены в природе (на Земле), остальные получены искусственным путем. Атомы существуют в свободном состоянии, в соединениях с атомами того же или других элементов, образуя молекулы. Способность атомов вступать во взаимодействие с другими атомами и образовывать химические соединения определяется его строением. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него, образуя электронейтральную систему, которая подчиняется законам, характерным для микросистем.
Химическая формула - это условная запись состава вещества с помощью химических знаков (предложены в 1814 г. Й. Берцелиусом) и индексов (индекс - цифра, стоящая справа внизу от символа. Обозначает число атомов в молекуле). Химическая формула показывает, атомы каких элементов и в каком отношении соединены между собой в молекуле.
Аллотропия - явление образования химическим элементом нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам.
Простые вещества - молекулы, состоят из атомов одного и того же элемента.
Cложные вещества - молекулы, состоят из атомов различных химических элементов.
Международная единица атомных масс равна 1/12 массы изотопа 12 C - основного изотопа природного углерода: 1 а.е.м = 1/12 m (12 C) = 1,66057 10 -24 г
Относительная атомная масса (Ar) - безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента (с учетом процентного содержания изотопов в природе) к 1/12 массы атома 12 C.
Средняя абсолютная масса атома (m) равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м. (1 а.е.м.=1,66*10 -24)
Относительная молекулярная масса (Mr) - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы атома углерода 12 C.
Mr = mr / (1/12 mа(12 C))
mr - масса молекулы данного вещества;
mа(12 C) - масса атома углерода 12 C.
Mr = S Ar(э). Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов с учетом формульных индексов.
Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на а.е.м. Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения - моль.
Количество вещества, моль. Означает определенное число структурных элементов (молекул, атомов, ионов). Обозначается n, измеряется в моль. Моль - количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 12 г углерода.
Число Авогадро ди Кваренья (N A). Количество частиц в 1 моль любого вещества одно и то же и равно 6,02 10 23 . (Постоянная Авогадро имеет размерность - моль -1).
Молярная масса показывает массу 1 моля вещества (обозначается M): M = m / n
Молярная масса вещества равна отношению массы вещества к соответствующему количеству вещества.
Молярная масса вещества численно равна его относительной молекулярной массе, однако первая величина имеет размерность г/моль, а вторая – безразмерная: M = N A m(1 молекула) = N A Mr 1 а.е.м. = (N A 1 а.е.м.) Mr = Mr
Эквивалент
- это реальная или условная частица вещества, которая эквивалентна:
а) одному иону Н + или ОН - в данной кислотно-основной реакции;
б) одному электрону в данной ОВР (окислительно-восстановительной реакции);
в) одной единице заряда в данной реакции обмена,
г) количеству монодентатных лигандов, участвующих в реакции образования комплекса.
Атомно-молекулярное учение
Представления об атомах как мельчайших неделимых частицах зародились в древней Греции. Основы современного атомно-молекулярного учения впервые сформулировал М.В. Ломоносов (1748), но его представления, изложенные в частном письме, были неизвестны большинству учёных. Поэтому основоположником современного атомно-молекулярного учения считается английский ученый Дж. Дальтон, который сформулировал (1803–1807) его основные постулаты.
1. Каждый элемент состоит из очень мелких частиц – атомов.
2. Все атомы одного элемента одинаковы.
3. Атомы различных элементов имеют разные массы и обладают разными свойствами.
4. Атомы одного элемента не превращаются в атомы других элементов в результате химических реакций.
5. Химические соединения образуются в результате комбинации атомов двух или нескольких элементов.
6. В данном соединении относительные количества атомов различных элементов всегда постоянны.
Эти постулаты вначале были косвенно доказаны совокупностью стехиометрическихзаконов. Стехиометрия - часть химии, которая изучает состав веществ и его изменение в ходе химических превращений. Это слово образовано от греческих слов «стехион» - элемент и «метрон» - мера. К законам стехиометрии относятся законы сохранения массы, постоянства состава, кратных отношений, объемных отношений, закон Авогадро и закон эквивалентов.
1.3. Стехиометрические законы
Законы стехиометрии считаются составными частями АМУ. На основании этих законов было введено понятие о химических формулах, химических уравнениях и валентности.
Установление стехиометрических законов позволило приписать атомам химических элементов строго определенную массу. Массы атомов чрезвычайно малы. Так, масса атома водорода составляет 1,67∙10 –27 кг, кислорода - 26,60∙10 -27 кг, углерода - 19,93∙10 –27 кг. Пользоваться такими числами при различных расчетах очень неудобно. Поэтому с 1961 года за единицу массы атомов принята 1 / 12 массы изотопа углерода 12 С - атомная единица массы (а.е.м.). Раньше её называли углеродной единицей (у.е.), но сейсчас это название использовать не рекомендуется.
Масса а.е.м. составляет 1,66 . 10 –27 кг или 1,66 . 10 –24 г.
Относительной атомной массой элемента (Аr ) называют отношение абсолютной массы атома к 1 / 12 части абсолютной массы атома изотопа углерода 12 С. Иначе говоря, А r показывает, во сколько раз масса атома данного элемента тяжелее 1 / 12 массы атома 12 С. Например, округлённое до целого числа значение А r кислорода равно 16; это означает, что масса одного атома кислорода в 16 раз больше 1 / 12 массы атома 12 С.
Относительные атомные массы элементов (Аr) приводятся в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.
Относительной молекулярной массой (М r) вещества называется масса его молекулы, выраженная в а.е.м.Она равна сумме атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы вещества и вычисляется по формуле вещества. Например, относительная молекулярная масса серной кислоты H 2 SO 4 слагается из атомных масс двух атомов водорода (1∙2 = 2), атомной массы одного атома серы (32) иатомной массы четырех атомов кислорода (4∙16 = 64). Она равна 98.
Это означает, что масса молекулы серной кислоты в 98 раз больше 1 / 12 массы атома 12 С.
Относительные атомные и молекулярные массы - величины относительные, а потому - безразмерные.
В химической литературе исторически сложилось положение, когда массы атомов и молекул выражают посредством -понятий атомный вес и молекулярный вес.
Как известно, если тело с массой m (а также атом или молекула) движется под действием притяжения Земли с ускорением g, то сила тяжести данного тела равна т. е. сила тяжести пропорциональная массе тела, на которое она действует.
Если тело покоится, то вес тела равен силе тяжести, на него действующей, и в формуле можно считать Р весом тела. Следовательно, для покоящихся тел их веса пропорциональны массам. Однако ускорение в различных точках земной поверхности различно, поэтому и вес одного и того же тела (атома, молекулы!) будет здесь разным. Вес тела будет также уменьшаться и при подъеме над поверхностью Земли.
В заключение зададим себе вопрос, Судет ли вес тела (и соответственно вес атома, молекулы) одинаковым на Земле, на космической орбитальной станции, на поверхности Луны?
Если есть необходимость, то можно повторить физические понятия «вес», «масса» и т. д..
Относительные единицы для выражения веса атомов впервые использовал Дальтон, который определил атомный вес как число, показывающее, во сколько раз атом какого-либо элемента тяжелее атома другого элемента. В качестве единицы атомных весов им был предложен вес самого легкого атома - водорода.
Более правильно, как было показано выше, нужно говорить о единице атомных или молекулярных масс, поэтому в дальнейшем изложении авторы стремились везде использовать эти понятия вместо «атомный вес», «молекулярный вес».
Поскольку атомные массы элементов вычисляли из экспериментальных данных по весовым отношениям в различных соединениях, а кислород образует соединения с гораздо большим числом элементов по сравнению с водородом, то в последующие годы, вплоть до 1961 г., в качестве единицы атомной массы была принята часть массы атома кислорода. Эта относительная единица меры массы атомов была названа кислородной единицей (к. е.).
Однако уже к 1930 г. было обнаружено, что помимо атомов кислорода с массой 16 к. е.существуют отличающиеся по массе изотопы кислорода(0,039%) и(0,204%). Химические свойства изотопов кислорода одинаковы, а физические хотя и не сильно, но разнятся, поэтому изотопный состав кислорода в различных природных соединениях неодинаков. Например, средняя атомная масса атмосферного кислорода на 0,00011 атомных единиц меньше средней атомной массы кислорода из морской воды.
Возникли физическая и химическая система единиц атомных масс. Физики за единицу атомной массы принималичасть массы изотопаа химики - часть средней массы атома кислорода природного изотопного состава. Это приводило к различным величинам атомных масс и затрудняло сопоставление физических и химических атомных масс, что и явилось в конце концов основной причиной отказа от кислородной атомной единицы.
В 1961 г. Международный союз чистой и прикладной химии принял решение выбрать стандартную единицу атомной массы и перейти к единой шкале атомных масс. В качестве новой стандартной единицы атомной массы была выбрана углеродная единица (у. е.) - часть массы изотопа углеродаАтомные массы, основанные на новой единице (у. е), равны старым (к. е.), умноженным на 0,99996, так что изменения прежних атомных масс настолько малы, и это следует особо подчеркнуть, что не сказываются практически при всех химических расчетах.
Таким образом, масса атома, выраженная в углеродных единицах, называется атомной массой. Атомная масса показывает, во сколько раз масса атома данного элемента тяжелеемассы атома углерода С10. Масса молекул также выражается в углеродных единицах (у. е.).
Молекулярной массой вещества называется масса его молекулы, выраженная в углеродных единицах. Молекулярная масса показывает, во сколько раз масса молекулы данного вещества тяжелеемассы углерода С12. Следовательно, как атомная, так и молекулярная массы являются относительными единицами измерений. При написании обычно не указывают размерности атомных и молекулярных масс, помня о том, что они выражены в углеродных единицах.
Для количественных расчетов удобно пользоваться следующими характеристиками - грамм-атомом и грамм-молекулой.
Грамм-атомом называется количество граммов вещества, численно равное атомной массе этого элемента. Например, атомная масса натрия равна 23 у. е., следовательно, г -атом натрия имеет массу 23 г.
Количество граммов вещества, численно равное его молекулярной массе, называется грамм-молекулой этого вещества, или молем. Например, молекулярная масс перманганата калия равна 158 у. е., следовательно, составляют 1 грамм-молекулу.
Понятия атомной и молекулярной масс принципиально отличаются от понятий грамм-атомной и грамм-молекулярной масс. Если значения атомной и молекулярной масс суть числа относительные и показывают, во сколько раз масса атома или молекулы больше части атома изотопа углерода, то грамм-атом и грамм- молекула - это числа абсолютные, показывающие количество граммов вещества.
После открытия закона Авогадро (см. § 5, гл. IV)" было доказано, что число молекул (атомов), содержащихся в одной грамм-молекуле (грамм-атоме) любого вещества, одинаково и равно(число Авогадро), т. е. и масса грамм-молекулы равна массе молекул данного вещества. Стоит подчеркнуть, чтомолекул (атомов) содержится в 1 моле
(1 г-атоме) -любого вещества в любом агрегатном состоянии- твердом, жидком, газообразном.
