Понятие о молярной и молекулярной массе. Молярная масса азота, водорода и воздуха

Предложенная еще древнегреческим философом Демокритом гипотеза о существовании неделимых элементарных частиц, из которых образована вся материя, была признана учеными через полторы тысячи лет. Понятие молярной массы химического вещества окончательно оформилось лишь в начале XX века. В данной статье рассмотрим это понятие, акцентируя внимание на молярной массе азота и водорода.

Амедео Авогадро и его закон

В начале XIX века наукой уже было установлено, что все вещества состоят из крохотных частиц. Эти частицы называли атомами или молекулами. При этом оба термина использовались в качестве синонимов.

В это время известный итальянский адвокат, физик и математик Амедео Авогадро проводил ряд опытов с различными газами, включая воздух. Ученый пришел к удивительному выводу, который в настоящее время носит название закона Авогадро для газов. Сформулировать его можно так: при одинаковых условиях равные объемы газов содержат равное количество образующих их частиц. Под равными условиями понимают температуру и давление.

Заметим, что сам Авогадро не смог оценить количество указанных им частиц в газе для реальных объемов. Однако ценность этого закона огромна, поскольку он говорит о том, что независимо от химической природы атомов или молекул, газы ведут себя одинаковым образом.

Работы Авогадро не были восприняты всерьез известными в то время учеными Европы. Понадобилось несколько десятков лет, чтобы о них вспомнили снова.

Опыты Иоганна Лошмидта и Жана Перрена

В 1865 году австриец Иоганн Лошмидт провел ряд экспериментов, в результате которых получил средний диаметр молекул воздуха. Зная эту величину, он смог определить число молекул в единице объема. Опыты Лошмидта считаются первыми в истории по измерению количества молекул в газовых смесях.

В 1909 году француз Жан Перрен провел эксперименты, в результате которых определил количество молекул в разных газах для разных объемов. В 1926 году за эти эксперименты ему была присуждена Нобелевская премия по физике.

Перрен предложил за базовую единицу для любых химических расчетов взять количество атомов, которое содержится в 1 грамме атомарного водорода. Впоследствии это количество было им переопределено для 1/12 грамма углерода-12. Именно Перрен предложил назвать это значение - числом Авогадро.

Постоянная Авогадро и единица количества вещества

Измеренное Перреном число Авогадро оказалось равным NA = 6,022*1023. Это означает, что всего 1 грамм атомарного водорода (H) или 2 грамма молекулярного водорода (H2) содержат NA частиц. Понятно, что с такими числами на практике работать неудобно. Поэтому во второй половине XX века на одном из заседаний Международной палаты мер и весов было принято включить число Авогадро в качестве одной из 7 базовых единиц измерения в СИ. Эта единица получила название моль.

Таким образом, 1 моль - это такое количество составляющих частиц вещества (молекул, атомов и т. д.), которое равно числу NA.

Понятие о молярной массе

Молярная масса азота или любого другого химического вещества - это физическая величина, равная массе одного моля частиц. Обозначается эта величина обычно символом Ms, где индекс показывает, какой субстанции соответствует величина. Молярная масса выражается в системе СИ в килограммах на моль. Однако, на практике эти единицы редко применяются. Чаще используют граммы на моль (г/моль).

Приведем пример. Выше было сказано, что в 2 граммах газа H2 содержится NA молекул. Тогда получаем:

MH2 = m(H2)/NA.

Поскольку NA по определению - это 1 моль, тогда молярная масса молекулярного водорода равна 2 грамма.

Понятие о молекулярной массе

Исходя из названия, понятно, что молекулярная масса - это масса одной молекулы некоторого химического вещества. В отличие от молярной массы, эта величина выражается в СИ в килограммах (а.е.м. на практике).

Используя пример выше с молекулярным водородом, можно легко рассчитать массу молекулы H2. Поскольку масса NA молекул равна 2 грамма, тогда для одной молекулы получаем:

MH2 = m(H2)/NA = 2*10-3 [кг]/ 6,022*1023 = 3,321*10-27 кг.

Для атомарного водорода, который имеет в два раза меньшую массу, найденная величина будет также в два раза меньше, то есть:

MH = MH2/2 = 1,66*10-27 кг.

Как видно, типичные массы атомов и молекул очень малы. С ними так же неудобно проводить вычисления, как и с большими числами. Поэтому была введена новая единица измерения, которая называется атомной единицей массы, или сокращенно а. е. м. Одна а. е. м. соответствует массе протона, то есть MH.

Благодаря такому определению молярная и молекулярная массы совпадают друг с другом численно, хотя единицы их измерения разные. Например, для того же водорода получаем, что молярная масса равна 2 г/моль, а молекулярная - 2 а.е.м.

Отметим, что эти величины для каждого химического элемента измерены и приведены в таблице Менделеева.

Изотопы и их влияние на молярную и молекулярную массы

Приведенные в предыдущих пунктах статьи теоретические сведения и расчеты говорят, что молярная масса атома водорода равна 1 г/моль (атомарная - 1 а.е.м.). Если обратиться к таблице Менделеева, то вместо цифры 1 для H стоит значение 1,00794. Почему появляется расхождение с полученным нами числом?

Ответ на этот вопрос связан с существованием в природе изотопов - атомов, которые содержат одно и то же число протонов (электронов), но разное количество нейтронов. Поскольку массы протона и нейтрона приблизительно равны, то получаем, что массы изотопов химического элемента будут отличаться друг от друга. Например, дейтерий - водород, состоящий из нейтрона, протона и электрона, уже имеет атомарную массу 2 а.е.м.

Атомная масса, приведенная в периодической таблице под каждым элементом, это некоторая средняя величина M¯ по всем изотопам, встречающимся в природе. Ее можно рассчитать по формуле:

M¯ = ∑i(xi*Mi).

Здесь xi - относительное количество изотопа i в смеси, Mi - его атомная масса. Заметим, что эту формулу можно использовать для определения средней молярной массы газовой смеси.

Молярная и молекулярная масса азота

Для определения рассмотренных масс азота сначала следует вспомнить его химическую формулу. Символ азота в таблице Менделеева соответствует латинской букве N (номер 7). Под ним можно видеть, что атомная масса азота равна 14,0067 а.е.м.

Молекула азота состоит из двух атомов и является достаточно устойчивой (вступает в химическую реакцию при экстремальных условиях, например, при разряде молнии в атмосфере). Тогда получаем, что молярная масса азота равна:

MN2 = 2*MN = 14,0067*2 = 28,0134 г/моль.

Для химических расчетов часто используют значение 28 г/моль.

Что касается молекулярной массы азота, то определить ее можно, если вспомнить, что в 1 моле любой субстанции содержится NA частиц. Так как 1 моль N2 имеет массу 28,0134 грамма, тогда масса одной его молекулы равна:

MN2 = 28,0134*10-3 [кг]/6,022*1023 = 4,652*10-26 кг.

Молярная масса воздушной смеси

Покажем, как можно определять молярные массы совершенно любых газовых смесей. Для этого необходимо знать следующие данные:

• Химический состав смеси.
• Молярную массу каждого компонента в ней.
• Долю каждого компонента в смеси.

Средний состав воздуха на нашей планете следующий (в атомных процентах):

• N2 78,09.
• O2 20,95.
• Ar 0,93.
• CO2 0,04.

Сначала вычислим молярную массу каждого соединения, пользуясь таблицей Менделеева. Молярную массу азота мы уже знаем, она равна 28,0134 г/моль. Для остальных компонентов имеем:

MO2 = 31,9988 г/моль.MAr = 39,948 г/моль.MCO2 = 44,0095 г/моль.

Пользуясь формулой для средней массы по всем изотопам, которая также применима в этом случае, получаем:

M¯ = ∑i(xi*Mi) = 0,7809*28,0134 + 0,2095*31,9988 + 0,0093*39,948 + 0,0004*44,0095 = 28,9685 г/моль.

Часто полученное значение округляют до 29 г/моль.

Таким образом, воздух в среднем легче, чем все его составляющие компоненты, кроме азота. Близость полученной молекулярной массы к таковой для N2 связана с тем, что почти на 80% воздух состоит из этого газа.