МОЛЯРНАЯ МАССА И ОТНОСИТЕЛЬНАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАССА: В ЧЕМ ОТЛИЧИЕ И ПОЧЕМУ ОНИ ЧИСЛЕННО РАВНЫ
Как вычислить молярную массу вещества? В каких единицах она измеряется?
А еще есть относительная молекулярная масса. Почему она относительная и численно равна молярной массе? Может быть это одно и то же?
Вот сколько вопросов возникает сразу в отношении такого простого на первый взгляд понятия, как молярная масса.
Разберемся по порядку и научимся ее определять.
Относительная атомная масса
Огромнейший вклад в развитие и обоснование понятия относительная атомная масса внесли в разное время французский ученый Гей-Люссак, итальянский ученый А.Авогадро и шведский ученый Й.Я. Берцелиус.
Не углубляясь в историю вопроса, вспомним, что любой химический элемент представляет собой определенную разновидность атомов. Сегодня мы знаем, что атомы химических элементов имеют свои особые характеристики.
И самая главная из них, определяющая практически все остальные, это заряд ядра. А так как заряд ядра обусловлен присутствием в нем протонов, а заряд одного протона равен +1, то и количество протонов, соответственно, также является важнейшей характеристикой атомов химических элементов.
Основную массу атома составляет ядро, которое кроме протонов содержит еще и нейтроны. Масса последних сопоставима с массой первых. Оболочку атома составляют электроны.
По числу частиц в атоме, а точнее, по их суммарной массе, атомы химических элементов можно условно разделить на тяжелые и легкие. Например, легким элементом является водород, так как его атомы имеют самую маленькую массу. А свинец — это уже тяжелый элемент. Масса его атома в 302 раза тяжелее массы атома водорода.
Но тем не менее, как бы мы не делили все атомы на тяжелые или легкие, абсолютная масса (mA) каждого из них ничтожно мала, как мала и масса составляющих их частиц. Например,
Очевидно, что такие значения крайне не удобны в вычислениях. Поэтому используют не абсолютные, а относительные массы атомов (Ar). То есть массы атомов, посчитанные относительно какой-то определенной одной и той же величины.
Величина, с которой сравнивают массу атома
Первоначально еще Дальтон сравнивал массы атомов с массой атома водорода, как самого легкого. Позднее появилась так называемая кислородная единица, равная 1/16 части массы атома кислорода. К ней перешли потому, что большинство атомов химических элементов образуют соединения с кислородом.
Однако, с развитием атомной физики и эта единица стала крайне неудобной. Все потому, что кислород в природе имеет несколько изотопов (а именно 3 устойчивых, всего же их 16). А изотопы, как известно, отличаются своей атомной массой. Из-за большого разнообразия изотопов и их различной устойчивости кислородная единица утратила свою актуальность.
Почему именно углерод? Да потому, что:
— у углерода всего 2 изотопа: 12 С и 13 С; причем первого 98,9%;
— количество органических веществ (их основу составляет, как известно, именно углерод) в сотни раз больше, чем неорганических;
— при переходе от кислородной единицы к углеродной уже посчитанные относительные атомные массы всех элементов изменились не существенно, что оказалось очень удобным.
Таким образом, масса атома любого химического элемента связана с массой атома углерода как относительная атомная масса:
Зная значения абсолютных масс атомов и а.е.м. найдем Аr:
Ar считается безразмерной величиной, либо величиной в а.е.м. Но «а.е.м.» обычно не пишут, оставляя значение Ar без единиц измерения.
Почему атомная масса дробная?
Вернемся к строению атома.
Масса атома складывается из массы всех составляющих его частиц.
Массы протона и нейтрона приняты равными 1. А вот массой электрона обычно пренебрегают (по крайней мере в химии), так как даже относительная она безнадежно мала (0,0005485799090659(16) а.е.м.). То есть можно сказать, что масса атома определяется массой его ядра.
В составе ядра целое количество частиц. Например, в атоме одного из изотопов кислорода 8 протонов и 8 нейтронов. Значит, его Ar должна быть равна 16. Так почему же Ar представлена в периодической системе химических элементов в виде десятичной дроби? Для кислорода это Ar(О)=15,9994.
Дело в том, что в периодической системе указаны относительные атомные массы, посчитанные с учетом всех существующих в природе изотопов элемента. А содержание их в природе разное.
Например, химический элемент кислород в природе состоит на 99,76% из изотопа 16 О, на 0,04% из изотопа 17 О и на 0,20% из изотопа 18 О. Таким образом, Ar для кислорода является средним значением, учитывающим относительное содержание его изотопов.
Относительная молекулярная масса
А как же найти относительную молекулярную массу?
Дело в том, что молекулы характерны для веществ с ковалентными связями: вода H2O, серная кислота H2SO4, глюкоза C6H12O6 и т.д. И к ним в полной мере можно применить термин «относительная молекулярная масса».
Так как молекулы состоят из атомов, то относительная молекулярная масса (Mr) будет складываться из их относительных атомных масс. Например:
А вот металлы (как простые вещества) и ионные соединения молекул не имеют. Их кристаллические решетки состоят из бесконечного количества атомов и ионов. Поэтому молекулярная формула таких соединений отражает количественные соотношения частиц в кристалле.
Точно так же, как относительную атомную массу (Ar), относительную молекулярную массу (Mr) будем сопоставлять с 1/12 частью атома изотопа углерода 12 С.
В последующем говорим о Mr.
Количество вещества и молярная масса
В практических расчетах все-таки требуется вычислять массы, взятые в граммах, килограммах ато и в тоннах (если речь идет о каком-то производстве, например).
Как же поступают тогда?
Количество вещества, которое содержит столько же частиц (атомов, ионов, молекул – в зависимости от строения), что и 12 г изотопа углерода 12 С, назвали молем.
Один моль вещества (любого!) всегда содержит 6,02·10 23 его частиц ( постоянная Авогадро ).
Ну, а так как атомы элементов отличаются по своей массе, то и 1 моль вещества тоже будет отличаться по массе.
! Обратите внимание, что в русском языке «моль» мужского рода! (это не как моль бабочка).
Массу одного моля вещества называют молярной массой (М) и вычисляют в г/моль.
Таким образом, молярная масса и количество вещества связаны соотношением:
Можно также определить и такие отношения, связанные с количеством вещества:
Почему же относительная молекулярная и молярная массы равны?
Итак, относительная молекулярная и молярная массы, как следует из их определений – это не одно и то же.
Докажем, каким образом обе массы численно могут быть равны:
Как вычислить молярную массу вещества
Мы уже знаем, что относительная молекулярная масса складывается из относительных атомных масс.
При нахождении относительной молекулярной массы (Mr), а значит и молярной (М), выполняем следующие действия :
1) правильно записываем формулу вещества;
2) анализируем качественный состав (атомы каких элементов составляют вещество) и количественный состав (в каких количествах находятся эти атомы – смотрим по индексам, которые стоят справа внизу от знака химического элемента);
3) в периодической системе химических элементов находим элементы, атомы которых составляют вещество, и округляем относительную атомную массу, стоящую рядом со знаком элемента, до целого числа (! у хлора – до 35,5);
4) складываем относительные атомные массы всех элементов с учетом количества атомов.
Рассмотрим еще примеры:
Как вычислить молярную массу вещества, находящегося в газообразном состоянии
Это означает, что в данных условиях отношение масс газов друг к другу является отношением их молярных масс:
Отношение масс газообразных веществ называют относительной плотностью одного газа по другому и обозначают как D:
Таким образом, з ная молярную массу одного газа и его плотность по другому газу, можно вычислить молярную (а значит, и молекулярную) массу второго газа :
Например:
Вычислить молярную массу вещества (а, значит, и относительную молекулярную), находящегося в газообразном состоянии, можно, используя молярный объем газа (VM):
Итак, подведем итог:
Без вычисления молярной массы не обходится решение практически ни одной задачи. Если вы поняли, что такое молярная и относительная молекулярная массы и как их вычислять, но еще не умеете решать задачи с их применением, то самое время научиться.
Разбор простых типовых задач по химии в книге, которую вы можете совершенно БЕСПЛАТНО скачать здесь.
Молекулярная масса
п.1. Относительная атомная и молекулярная масса
Массы атомов и молекул, из которых состоят вещества, очень малы. Поэтому их чаще измеряют не в килограммах, а используют внесистемную единицу – атомную единицу массы.
Относительную атомную массу проще всего найти, пользуясь таблицей Менделеева.
Например:
\(A_r(\mathrm
\(A_r(\mathrm
\(A_r(\mathrm
\(A_r(\mathrm
На практике при решении учебных задач относительные атомные массы округляют и единицу измерения а.е.м. не пишут.
п.2. Количество вещества. Постоянная Авогадро
Например:
В 5 молях углерода будет содержаться \(N=5\cdot N_A\approx 6,022\cdot 10^<23>\approx 3,01\cdot 10^<24>\) атомов углерода. Причём, всё равно, будут ли эти атомы углерода образовывать уголь, графит или алмаз.
Аналогично, в 5 молях воды будет \(N=5\cdot N_A\approx 3,01\cdot 10^<24>\) молекул воды. Причём, независимо от того, в каком агрегатном состоянии находится вода: в виде пара, жидкости или льда.
Т.е., «количество вещества» всегда говорит нам о «количестве частиц», независимо от других параметров.
п.3. Молярная масса
Например:
Найдем молярную массу этилового спирта \begin
п.4. Молярный объем
Это свойство газов часто используется при изучении различных веществ и явлений в физике и химии.
п.5. Задачи
Задача 1. Масса кристалла серы равна 16 г. Сколько молекул серы \(\mathrm
Задача 2*. В кислородном генераторе на космическом корабле было получено 1,6 кг кислорода \(\mathrm
Относительная молекулярная масса – формула, примеры, таблица (химия, 8 класс)
Для химиков важно знать массы молекул исследуемых ими веществ. Измерять их в килограммах неудобно, поэтому ученые используют а. е. м. – атомные единицы массы.
Понятие атомной единицы массы
На сегодняшний день принята договоренность, что масса атома углерода (а точнее его изотопа углерод-12) в точности равна 12 а. е. м. По этой причине используемую химиками величину иногда называют углеродной единицей. Ранее ученые использовали другие единицы – водородную и кислородную, но они по ряду причин оказались неудобными. Опыты показывают, что 1 а. е. м. равна примерно 1,66•10 –27 кг.
Атомная масса показывает, какую массу имеет тот или иной атом. Найти ее можно в таблице Менделеева. Обычно в этой таблице масса записана как дробное число, очень близкое к какому-либо целому значению. Например, атомная масса водорода составляет 1,000797 а. е. м., у гелия она равна 4,0026 а. е. м., а у кислорода 15,9994 а. е. м. При решении практических задач принято округлять эти значения до целых чисел. То есть надо считать, что у водорода атомная масса равна 1 а. е. м, у гелия – 4 а. е. м., у кислорода – 16 а. е. м. Исключением является хлор, чью массу округляют до значения 35,5 а. е. м.
Важно понимать, что на самом деле у одного и того же элемента атомы могут иметь различную массу. Такие отличающиеся по массе атомы называются изотопами. У изотопов одного элемента одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов. При этом все изотопы одного элемента имеют одинаковые химические свойства.
В таблице Менделеева указан средний вес всех изотопов, при этом учитывается их распространенность в природе. Например, у кислорода есть три стабильных изотопа:
С учетом этого атомная масса кислорода, указанная в таблице Менделеева, рассчитывается так:
(15,9949•99,759 + 16,9991•0,037 + 17,9991•0,204)/100 = 15,9994 а. е. м.
Молекулярная масса
Зная атомные массы отдельных элементов, можно находить и молекулярные массы молекул. Для этого надо всего лишь сложить атомные массы тех атомов, которые входят в состав молекулы.
Например, рассмотрим молекулу метана, она имеет формулу СН4, то есть состоит из 1 атома углерода (который весит 12 а. е. м.) и 4 атомов водорода (каждый массой по 1 а. е. м.). Складываем атомные массы:
12 + 1 + 1 + 1 + 1 = 12 + 4•1 = 16 а. е. м.
Итак, молекула метана имеет молекулярную массу 16 а. е. м.
Заметим, что очень часто возникает путаница из-за молекул простых газов – водорода, кислорода, азота и т. д. Дело в том, что их молекулы состоят из двух атомов, поэтому и масса у них вдвое больше, чем масса атомов. Например, атомная масса элемента кислород – 16 а. е. м., а вот молекула кислорода, имеющая формулу О2, весит уже 16•2 = 32 а. е. м.
Молярная масса
Молекулярные массы веществ тесно связаны с понятием молярной массы. Молярная масса – это масса 1 моля вещества. Численно она совпадает с молекулярной массой, но измеряется в других величинах – в граммах на моль, или в г/моль.
Молярная масса позволяет определять, легче или тяжелее воздуха тот или иной газ. Для этого надо лишь сравнить молярную массу газа с молярной массой воздуха, составляющей 28,98 г/моль. Так, кислород оказывается тяжелее воздуха, так как его молярная масса – 32 г/моль. Азот же легче воздуха, ведь его масса равна 28 г/моль. Здесь следует уточнить, что воздух не является отдельным веществом в химическом смысле слова, то есть никаких «молекул воздуха» не существует (поэтому не существует и понятия «молекулярная масса воздуха»). В реальности воздух – это смесь нескольких газов, преимущественно азота и кислорода. При этом более тяжелые молекулы чаще встречаются в нижних слоях атмосферы, а легкие молекулы – на высоте. По этой причине (но отнюдь не только из-за нее) в горах тяжело дышать – на большой высоте воздух содержит меньше кислорода и больше азота.
Подведение итогов
Молекулярная масса показывает, какую массу имеет та или иная молекула. Для ее вычисления достаточно сложить массы входящих в молекулу атомов. Молекулярная масса численно равна молярной массе, и по ней можно оценить, какой газ легче воздуха, а какой – тяжелее.
КАК ВЫЧИСЛИТЬ ФОРМУЛУ ВЕЩЕСТВА
Способов, как определить формулу вещества, достаточно много. Все зависит от исходных данных. Наиболее разнообразны подобные вычисления в органической химии. И это не удивительно, так как органических соединений значительно больше, чем неорганических.
1.Понятие простейшей и истинной формулы вещества
В одних задачах на определение формулы вещества необходимо найти его простейшую формулу, а в других – истинную. В чем разница?
Так, например: СН2 – простейшая формула алкена – показывает, что на каждый 1 атом углерода приходится 2 водородных атома. То есть существует соотношение 1:2. Поэтому для нахождения простейшей (эмпирической) формулы вещества важно рассчитать количество вещества атомов, которые входят в его состав, то есть n(C) и n(H).
Например, для пропилена, относящегося к классу алкенов, истинная (молекулярная) формула будет C3H6. Она говорит о том, что молекула данного вещества включает 3 атома С и 6 атомов Н. Это вполне соответствует простейшей формуле, отвечающей соотношению атомов 1:2. Для нахождения истинной (молекулярной) формулы соединения требуется посчитать его относительную молекулярную (Mr) или молярную массу (M).
2.Массовая доля химического элемента: что означает и как высчитывается
Массовая доля – это отношение массы компонента системы к массе системы, выраженное в процентах или долях от единицы.
Молекула имеет массу. Все атомы в молекуле также имеют свои массы. Атомов одного химического элемента в молекуле может быть 1 или несколько. Важна масса всех атомов одного элемента. Если ее разделить на массу молекулы, то получится массовая доля этого элемента. Ее выражают либо в процентах, которые всегда меньше 100%, либо в долях от единицы, которые всегда меньше 1.
Пример 1. Каковы массовые доли элементов в оксиде железа (III) Fe2O3.
3.Как определить формулу вещества по массовым долям элементов
Нахождение формулы вещества по массовым долям элементов применимо как к органическим, так и к неорганическим соединениям.
Пример 2. Сероуглерод содержит 15,8% углерода по массе. Какова простейшая формула этого вещества?
Поскольку речь идет о массовых долях элементов, то необходимо знать массу вещества. В нашем случае – массу сероуглерода. В условии задачи о ней ничего не говорится. Поэтому допускаем, что масса вещества равна 100 г.
Почему 100 г? Это «круглое» число, и его использование облегчает все расчеты. Так как в итоге будем находить соотношения количеств веществ элементов, то какое-то особенное значение массы вещества не играет никакой роли.
Попробуйте ради эксперимента принять массу сероуглерода равной 23 г, 467 г и т.п. Результат будет один и тот же.
Допустим, что атомов углерода в молекуле х, а атомов серы – у. В таком случае формула вещества примет вид: СхSу.
Пример 3. Содержание углерода в углеводороде составляет 83,33%. Плотность паров соединения по водороду – 36. Какова молекулярная формула углеводорода?
Чтобы не загромождать записи, массовую долю элементов будем считать не в процентах, а в долях от единицы.
Пусть вас не удивляет получившаяся простейшая формула. Ведь, исходя из определения простейшей формулы, на каждый 1 атом углерода приходится 2,4 атома водорода. Это всего лишь соотношение. Соединения с формулой СН2,4 в принципе не существует. Не всегда простейшая и истинная формулы совпадают друг с другом.
А если полученная формула СН2,4 вас все же смущает, вы можете решать задачу и вторым способом. Но это несколько более сложный способ, когда требуется составить и решить уравнение с двумя неизвестными.
Не все химические вещества являются бинарными, то есть состоят из атомов двух химических элементов. Но в любом случае, алгоритм решения задачи тот же.
Пример 4. Некоторая кислота содержит водород (2,2%), иод (55,7%) и кислород (42,1%). Определите простейшую формулу этой кислоты.
4.Как определить формулу органического соединения
Определить формулу органического вещества можно не только зная массовые доли элементов в его составе.
4.1. Как определить формулу органического соединения
по общей молекулярной формуле вещества
Органические вещества сгруппированы по самостоятельным классам на основе общности строения и свойств. Каждый класс соединений характеризуется своей общей молекулярной формулой. Особенно это наглядно видно на примере углеводородов.
Если другие органические вещества рассматривать как их производные, в молекулы которых введена какая-либо функциональная группа, то и для них также можно составить общую молекулярную формулу.
Предельные одноатомные спирты можно рассматривать как производные алканов, в молекулах которых 1 атом водорода замещен на гидроксильную группа –ОН. Таким образом, их общая молекулярная формула такая: СnH2n+1ОН.
Ниже в таблице приведены общие молекулярные формулы основных классов органических соединений.
Разберем примеры решения задач с использованием общей молекулярной формулы вещества.
Пример 5. Плотность паров по воздуху некоторого алкана 4,414. Какова формула алкана?
4.2. Как определить формулу органического соединения
по продуктам его сгорания
Это еще один распространенный тип задач на определение формулы органического соединения.
Необходимо запомнить и понять основные моменты:
— так как все органические вещества содержат атомы С, Н, а также атомы О (кислородсодержащие соединения), то всегда при их сгорании выделяется углекислый газ СО2 и образуется вода Н2О;
— все углеродные атомы, входящие в состав органического соединения, окажутся в составе углекислого газа СО2; следовательно, n(С) как в соединении, так и в СО2 – это одна и та же величина;
— все атомы водорода Н, которые имеются в составе вещества, перейдут в состав воды Н2О; следовательно, n(Н) и в данном веществе, и в Н2О – это одна и та же величина;
— при сгорании веществ, включающих в себя азот (например, амины), кроме СО2 и Н2О, образуется еще и N2.
Разберем несколько примеров.
Пример 6. Сожгли 7,2 г углеводорода. Плотность его паров по водороду составляет 36. В результате реакции образовалось 22 г оксида углерода (IV) и 10,8 г воды. Какова молекулярная формула соединения?
Пример 7. В результате сгорания 4,8 г органического соединения выделилось 3,36 л (н.у.) оксида углерода (IV) и образовалось 5,4 г воды. Плотность паров искомого соединения по кислороду равна 1. Вычислите молекулярную формулу вещества.
Пример 8. Результатом сжигания 0,31 г газообразного органического соединения, имеющего плотность 1,384 г/л, стало выделение 0,224 л (с.у.) оксида углерода (IV), 0,112 л азота и образование 0,45 г воды. Вычислите молекулярную формулу этого вещества.
5. Как определить формулу вещества: комбинированные задачи
Наибольший интерес и некоторую трудность представляют комбинированные задачи, сочетающие в себе необходимость найти формулу соединения:
— используя приемы, применяемые в рассмотренных выше задачах;
— используя сведения не только о химических, но и физических свойствах вещества.
Вот несколько примеров.
Пример 9. Какова молекулярная формула предельного углеводорода, при полном сгорании 8,6 г которого выделилось 13, 44 л (н.у.) оксида углерода (IV).
1) известен класс вещества, поэтому возможно применить его общую молекулярную формулу;
2) речь идет о сгорании вещества, поэтому количество атомов в составе молекулы будем искать, используя данные о продукте сгорания – СО2.
Пример 10. Алкен нормального строения содержит двойную связь при первом углеродном атоме. Образец этого алкена массой 0,7 г присоединил бром массой 1,6 г. Вычислите формулу алкена и назовите его.
В предлагаемых условиях:
1) известен класс вещества, следовательно, применим его общую молекулярную формулу;
2) речь идет об одном из химических свойств: способности алкенов присоединять галогены по месту разрыва двойной связи.
Пример 11. После полного сжигания в кислороде арена, имевшего массу 0,92 г, выделился оксид углерода (IV). Пропуская газ через избыток раствора щелочи Ca(OH)2, получили 7 грамм осадка. Какова молекулярная формула арена?
В предлагаемой задаче:
1) известен класс вещества;
2) речь идет о сжигании соединения и образовании в качестве продукта горения углекислого газа, который при взаимодействии со щелочью Са(ОН)2 привел к выпадению осадка известной массы.
Следующий пример очень характерен для задач, встречающихся в заданиях второй части ЕГЭ по химии.
Пример 12. Некоторое соединение, образующее альдегид в реакции окисления, взаимодействует с избытком бромоводородной кислоты, образуя 9,84 г продукта (выход составляет 80% от теоретического), имеющего плотность паров по Н2 61,5. Определите строение этого соединения, а также его массу, вступившую в реакцию?
1) говорится о химических свойствах искомого соединения; анализируя их, приходим к выводу, что заданным веществом является предельный одноатомный спирт;
2) известна общая молекулярная формула предельных одноатомных спиртов;
3) более подробно говорится о взаимодействии заданного вещества с бромоводородной кислотой; спирт, реагируя с HBr, дает галогеналкан, для которого известны его масса, практический выход и относительная плотность по Н2; именно от этих данных и нужно отталкиваться при решении данной задачи.
Итак, способов, как определить формулу вещества, действительно, множество. Мы рассмотрели лишь основные из них. Важно правильно уяснить понятия «простейшая формула вещества» и «истинная формула вещества», чтобы не путать их.
Чтобы самыми первыми узнавать о новых публикациях на сайте, присоединяйтесь в нашу группу ВКонтакте.
Пожалуйста, оцените публикацию 
и оставьте свой комментарий. Ваше мнение для нас важно!
