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 N_A = 6,022*10²³. Это означает, что всего 1 грамм атомарного водорода (H) или 2 грамма молекулярного водорода (H₂) содержат N_A 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 N_A.

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 M_s, 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 N_A молекул. Тогда получаем:

M_H2 = m(H₂)/N_A.

Поскольку N_A 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 N_A молекул равна 2 грамма, тогда для одной молекулы получаем:

M_H2 = m(H₂)/N_A = 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:

M_H = M_H2/2 = 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 M_H.

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(x_i*M_i).

Здесь x_i - относительное количество изотопа i в смеси, M_i - 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:

M_N2 = 2*M_N = 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 N_A частиц. Так как 1 моль N₂ имеет массу 28,0134 грамма, тогда масса одной его молекулы равна:

M_N2 = 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:

M_O2 = 31,9988 г/моль.

M_Ar = 39,948 г/моль.

M_CO2 = 44,0095 г/моль.

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

M¯ = ∑_i(x_i*M_i) = 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.