Запропонована ще давньогрецьким філософом Демокрітом гіпотеза про існування неподільних частинок, з яких утворена вся матерія, була визнана вченими через півтори тисячі років. Поняття молярної маси хімічної речовини остаточно оформилася лише на початку XX століття. У цій статті розглянемо це поняття, акцентуючи увагу на молярної маси азоту і водню.
Амедео Авогадро та його закон
На початку XIX століття наукою вже було встановлено, що всі речовини складаються з крихітних частинок. Ці частинки називали атомами або молекулами. При цьому обидва терміни використовувалися як синоніми.
У цей час відомий італійський адвокат, фізик і математик Амедео Авогадро проводив ряд дослідів з різними газами, включаючи повітря. Вчений прийшов до дивовижного висновку, який в даний час носить назву закону Авогадро для газів. Сформулювати його можна так: при однакових умовах рівні об’єми газів містять рівну кількість утворюють їх часток. Під рівними умовами розуміють температуру і тиск.
Зауважимо, що сам Авогадро не зміг оцінити кількість зазначених їм частинок в газі для реальних обсягів. Однак цінність цього закону величезна, оскільки він говорить про те, що незалежно від хімічної природи атомів або молекул, гази поводяться однаково.
Роботи Авогадро не були сприйняті серйозно відомими у той час вченими Європи. Знадобилося кілька десятків років, щоб про них згадали знову.
Досліди Йоганна Лошмидта і Жана Перрена
У 1865 році австрієць Йоган Лошмідт провів ряд експериментів, в результаті яких отримав середній діаметр молекул повітря. Знаючи цю величину, він зміг визначити число молекул в одиниці об’єму. Досліди Лошмидта вважаються першими в історії з вимірювання кількості молекул в газових сумішах.
У 1909 році француз Жан Перрен провів експерименти, в результаті яких визначив кількість молекул в різних газах для різних обсягів. У 1926 році за ці експерименти йому була присуджена Нобелівська премія з фізики.
Перрен запропонував за базову одиницю для будь-яких хімічних розрахунків взяти кількість атомів, що міститься в 1 грамі атомарного водню. Згодом ця кількість була їм перевизначено для 1/12 грама вуглецю-12. Саме Перрен запропонував назвати це значення – числом Авогадро.
Постійна Авогадро та одиниця кількості речовини
Виміряне Перреном число Авогадро виявилося рівним NA = 6,022*1023. Це означає, що всього 1 грам атомарного водню (H) або 2 грами молекулярного водню (H2) містять NA частинок. Зрозуміло, що з такими числами на практиці працювати незручно. Тому в другій половині XX століття на одному із засідань Міжнародної палати мір і ваг було прийнято включити число Авогадро в якості однієї з 7 базових одиниць вимірювання в СІ. Ця одиниця одержала назву моль.
Таким чином, 1 моль – це така кількість складових частинок речовини (молекул, атомів тощо), яке дорівнює числу NA.
Поняття про молярної маси
Молярна маса азоту або будь-якого іншого хімічної речовини – це фізична величина, що дорівнює масі одного моля частинок. Позначається ця величина зазвичай символом Ms, де індекс показує, який субстанції відповідає величина. Молярна маса виражається в системі СІ в кілограмах на моль. Однак, на практиці ці одиниці рідко застосовуються. Частіше використовують грами на моль (г/моль).
Наведемо приклад. Вище було сказано, що в 2 грамах газу H2 міститься NA молекул. Тоді отримуємо:
MH2 = m(H2)/NA.
Оскільки NA за визначенням – це 1 моль, тоді молярна маса молекулярного водню дорівнює 2 грами.
Поняття про молекулярній масі
Виходячи з назви, зрозуміло, що молекулярна маса – це маса однієї молекули певного хімічної речовини. На відміну від молярної маси, ця величина виражається в СІ в кілограмах (а.е.м. на практиці).
Використовуючи приклад вище з молекулярним воднем, можна легко розрахувати масу молекули H2. Оскільки маса NA молекул дорівнює 2 грама, тоді для однієї молекули отримуємо:
MH2 = m(H2)/NA = 2*10-3 [кг]/ 6,022*1023 = 3,321*10-27 кг
Для атомарного водню, який має в два рази меншу масу, знайдена величина буде в два рази менше, тобто:
MH = MH 2/2 = 1,66*10-27 кг
Як видно, типові маси атомів і молекул дуже малі. З ними так само незручно проводити обчислення, як і з великими числами. Тому була введена нова одиниця вимірювання, яка називається атомною одиницею маси, або скорочено а. е. м. а Одна. е. м. відповідає масі протона, тобто MH.
Завдяки такому визначенню молярна і молекулярна маси збігаються один з одним чисельно, хоча одиниці їх виміру різні. Наприклад, для того ж водню отримуємо, що молярна маса дорівнює 2 г/моль, а молекулярна – 2 а.е.м.
Зазначимо, що ці величини для кожного хімічного елемента виміряні і наведені в таблиці Менделєєва.
Ізотопи та їх вплив на молярную і молекулярну маси
Наведені в попередніх пунктах статті теоретичні відомості та розрахунки говорять, що молярна маса атома водню дорівнює 1 г/моль (атомарна – 1 а.е.м.). Якщо звернутися до таблиці Менделєєва, то замість цифри 1 H варто значення 1,00794. Чому з’являється розбіжність з отриманими нами числом?
Відповідь на це питання пов’язане з існуванням у природі ізотопів – атомів, які містять одне і те ж число протонів (електронів), але різну кількість нейтронів. Оскільки маси протона і нейтрона приблизно рівні, то отримуємо, що маси ізотопів хімічного елемента будуть відрізнятися один від одного. Наприклад, дейтерій – водень, що складається з нейтрона, протона і електрона, вже має атомарну масу 2 а.е.м.
Атомна маса, наведена в періодичній таблиці під кожним елементом, це деяка середня величина M по всіх ізотопів, що трапляються в природі. Її можна розрахувати за формулою:
M = ∑i(xi*Mi).
Тут xi – відносна кількість ізотопу i в суміші, Mi – його атомна маса. Зауважимо, що цю формулу можна використовувати для визначення середньої молярної маси газової суміші.
Молярна і молекулярна маса азоту
Для визначення розглянутих мас азоту спочатку слід згадати його хімічну формулу. Символ азоту в таблиці Менделєєва відповідає латинської букви N (номер 7). Під ним можна бачити, що атомна маса азоту дорівнює 14,0067 а.е.м.
Молекула нітрогену складається з двох атомів і є досить стійкою (вступає в хімічну реакцію при екстремальних умовах, наприклад, при розряді блискавки в атмосфері). Тоді отримуємо, що молярна маса азоту дорівнює:
MN2 = 2*MN = 14,0067*2 = 28,0134 г/моль.
Для хімічних розрахунків часто використовують значення 28 г/моль.
Що стосується молекулярної маси азоту, то визначити її можна, якщо згадати, що в 1 моль будь-якої субстанції міститься NA частинок. Так як 1 моль N2 має масу 28,0134 грама, тоді маса однієї його молекули дорівнює:
MN2 = 28,0134*10-3 [кг]/6,022*1023 = 4,652*10-26 кг
Молярна маса повітряної суміші
Покажемо, як можна визначати молярні маси абсолютно будь-яких газових сумішей. Для цього необхідно знати наступні дані:
- Хімічний склад суміші.
- Молярную масу кожного компонента в ній.
- Частку кожного компонента в суміші.
Середній склад повітря на нашій планеті наступний (в атомних відсотках):
- N2 78,09.
- O2 20,95.
- Ar 0,93.
- CO2 0,04.
Спочатку обчислимо молярную масу кожного з’єднання, користуючись таблицею Менделєєва. Молярную масу азоту ми вже знаємо, вона дорівнює 28,0134 г/моль. Для решти компонентів маємо:
MO2 = 31,9988 г/моль.
MAr = 39,948 г/моль.
MCO2 = 44,0095 г/моль.
Користуючись формулою для середньої маси по всіх ізотопів, яка також застосовується в цьому випадку, отримуємо:
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 отримане значення округляють до 29 г/моль.
Таким чином, повітря в середньому легше, ніж всі його складові компоненти, крім азоту. Близькість отриманої молекулярної маси до такої для N2 пов’язана з тим, що майже на 80% повітря складається з цього газу.
