Введение в общую химию. Относительные атомная и молекулярная массы

§ 1 Из чего складывается масса вещества

Любое тело имеет массу. Возьмем такое тело как, например, мешок яблок. Это тело имеет массу. Его масса будет складываться из массы каждого яблока в мешке. Мешок риса тоже имеет свою массу, которая определяется путем сложения массы всех рисовых зернышек, хотя они очень маленькие и легкие.

Все тела состоят из веществ. Масса тела складывается из массы составляющих его веществ. Вещества, в свою очередь, состоят из частиц, молекул или атомов, следовательно, частицы вещества тоже имеют массу.

§ 2 Атомная единица массы

Если выразить массу самого легкого атома водорода в граммах, то получим очень сложное для дальнейшей работы число

1,66 ∙10-24г.

Масса атома кислорода примерно в шестнадцать раз больше и составляет 2,66∙10-23г, масса атома углерода 1,99∙10-23г. Масса атома обозначается - ma.

Производить расчеты с такими числами неудобно.

Для измерения атомных (и молекулярных) масс применяют атомную единицу массы (а.е.м.).

Атомная единица массы - это 1/12 массы атома углерода.

В таком случае, масса атома водорода будет равна 1 а.е.м., масса атома кислорода - 16 а.е.м., а масса атома углерода - 12 а.е.м.

Химики долгое время не имели ни малейшего представления о том, сколько весит один атом какого-либо элемента в привычных и удобных для нас единицах измерения массы (грамм, килограмм и т. д.).

Поэтому первоначально задача определения атомных масс была изменена.

Были предприняты попытки определить, во сколько раз атомы одних элементов тяжелее других. Таким образом, учёные стремились сопоставить массу атома одного элемента с массой атома другого элемента.

Решение этой задачи также было сопряжено с большими трудностями, и прежде всего с выбором эталона, т. е. того химического элемента, относительно которого следовало проводить сравнение атомных масс остальных элементов.

§ 3 Относительная атомная масса

Учёные XIX столетия решили эту проблему на основании экспериментальных данных по определению состава веществ. В качестве эталона был взят самый лёгкий атом - атом водорода. Экспериментально, было установлено, что атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода, т. е. его относительная масса (относительно массы атома водорода) равна 16.

Эту величину условились обозначать буквами Ar (индекс «r» - от начальной буквы английского слова «relative» -относительный). Таким образом, запись значения относительных атомных масс химических элементов должна выглядеть следующим образом: относительная атомная масса водорода равна 1, относительная атомная масса кислорода равна 16, относительная атомная масса углерода равна 12.

Относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса атома одного химического элемента больше массы атома, являющегося эталоном, поэтому данная величина не имеет размерности.

Как уже говорилось, первоначально значения атомных масс определяли по отношению к массе атома водорода. Позже эталоном для определения атомных масс стала 1/12 часть массы атома углерода (атом углерода в 12 раз тяжелее атома водорода).

Относительная атомная масса элемента (Ar) - это отношение массы атома химического элемента к 1/12 массы атома углерода.

Значения атомных масс химических элементов приведены в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Взгляните на периодическую таблицу и рассмотрите любую ее клетку, например, под номером 8.

Под химическим знаком и названием в нижней строке указывается значение атомной массы химического элемента: относительная атомная масса кислорода равна 15,9994. Обратите внимание: относительные атомные массы почти всех химических элементов имеют дробное значение. Причиной этого является существование изотопов. Напомню, что изотопами называют атомы одного и того же химического элемента, незначительно отличающиеся по массе.

В школе в расчётах обычно используют значения относительных атомных масс, округленные до целых чисел. Но в нескольких случаях пользуются дробными величинами, например: относительная атомная масса хлора равна 35,5.

§ 4 Относительная молекулярная масса

Из масс атомов складывается масса молекулы.

Относительной молекулярной массой вещества называется число, показывающее, во сколько раз масса молекулы этого вещества больше 1/12 массы атома углерода.

Относительная молекулярная масса обозначается - Mr

Относительную молекулярную массу веществ рассчитывают по химическим формулам, выражающим состав веществ. Для нахождения относительной молекулярной массы надо суммировать значения относительных атомных масс элементов, входящих в состав молекулы вещества, с учётом количественного состава, т. е. числа атомов каждого элемента (в химических формулах оно выражается с помощью индексов). Например, относительная молекулярная масса воды, имеющей формулу H2O, равна сумме двух значений относительной

атомной массы водорода и одного значения относительной атомной массы кислорода:

Относительная молекулярная масса серной кислоты, имеющей формулу H2SO4, равна сумме

двух значений относительной атомной массы водорода, одного значения относительной атомной массы серы и четырех значений относительной атомной массы кислорода: .

Относительная молекулярная масса - величина безразмерная. Ее не следует путать с истинной массой молекул, выражаемой в атомных единицах массы.

Список использованной литературы:

1. Н.Е. Кузнецова. Химия. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. – М. Вентана-Граф, 2012.

Использованные изображения:

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.

На законе Авогадро основан важнейший метод определения молекулярных масс веществ, находящихся в газообразном состоянии. Но прежде чем говорить об этом методе, следует сказать, в каких единицах выражают молекулярные и атомные массы.

При вычислениях атомных масс первоначально за единицу массы принимали массу атома водорода как самого легкого элемента и по отношению к нему вычисляли массы атомов других элементов. Но так как атомные массы большинства элементов определяются, исходя из состава их кислородных соединений, то фактически вычисления производились по отношению к атомной массе кислорода, которая считалась равной 16; отношение между атомными массами кислорода и водорода принимали равным . Впоследствии более точные измерения показали, что это отношение равно или . Изменение атомной массы кислорода повлекло бы за собой изменение атомных масс большинства элементов. Поэтому было решено оставить для кислорода атомную массу 16, приняв атомную массу водорода равной 1,0079.

Таким образом, за единицу атомной массы принималась часть массы атома кислорода, получившая название кислородной единицы, В дальнейшем было установлено, что природный кислород представляет собой смесь изотопов (см. § 35), так что кислородная единица массы характеризует среднее значение массы атомов природных изотопов кислорода. Для атомной физики такая единица оказалась неприемлемой, и в этой отрасли науки за единицу атомиой массы была принята часть массы атома кислорода . В результате оформились две шкалы атомных масс - химическая и физическая. Наличие двух шкал атомных масс создавало большие неудобства.

В 1961 г. принята единая шкала относительных атомных масс, в основу которой положена часть массы атома изотопа углерода , названная атомной единицей массы . В соответствии с этим в настоящее время относительной атомной массой (сокращенно - атомной массой) элемента называют отношение массы его атома к части массы атома . В современной шкале относительные атомные массы кислорода и водорода равны соответственно 15,9994 и 1,00794.

Аналогично относительной молекулярной массой (сокращенно - молекулярной массой) простого или сложного вещества называют отношение массы его молекулы к части массы . Поскольку масса любой молекулы равна сумме масс составляющих ее атомов, то относительная молекулярная масса равна сумме соответствующих относительных атомных масс.

Например, молекулярная масса воды, молекула которой содержит два атома водорода и один атом кислорода, равна: .(До недавнего времени вместо терминов «атомная масса» и «молекулярная масса» употреблялись термины «атомный вес» и «молекулярный вес».)

Наряду с единицами массы и объема в химии пользуются также единицей количества вещества, называемой молем (сокращенно обозначение - «моль»).

Моль - количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится атомов в изотопа углерода .

Применяя понятие «моль», необходимо в каждом конкретном случае точно указывать, какие именно структурные единицы имеются в виду. Например, следует различать моль атомов Н, моль молекул , моль ионов .

В настоящее время число структурных единиц, содержащихся в одном моле вещества (постоянная Авогадро), определено с большой точностью. В практических расчетах его принимают равным .

Отношение массы m вещества к его количеству называют молярной массой вещества

Молярную массу обычно выражают в г/моль. Поскольку в одном моле любого вещества содержится одинаковое число структурных единиц, то молярная масса вещества , г/моль) пропорциональна массе соответствующей структурной единицы, т. е. относительной молекулярной (или атомной) массе данного вещества (Мотн)

где К - коэффициент пропорциональности, одинаковый для всех веществ.

Нетрудно видеть, что К=1. В самом деле, для изотопа углерода Мотн =12, а молярная масса (по определению понятия «моль») равна 12 г/моль. Следовательно, численные значения М (г/моль) и Мотн совпадают, а значит К=1. Отсюда следует, что молярная масса вещества, выраженная в граммах на моль, имеет то же численное значение, что и его относительная молекулярная (атомная) масса. Так, молярная масса атомарного водорода равна 1,0079 г/моль, молекулярного водорода - 2,0158 г/моль, молекулярного кислорода - 31,9988 г/моль.

Согласно закону Авогадро одно и то же число молекул любого газа занимает при одинаковых условиях один и тот же объем. С другой стороны, 1 моль любого вещества содержит (по определению) одинаковое число частиц. Отсюда следует, что при определенных температуре и давлении 1 моль любого вещества в газообразном состоянии занимает один и тот же объем.

Нетрудно рассчитать, какой объем занимает один моль газа при нормальных условиях, т. е. при нормальном атмосферном давлении или ) и температуре . Например, экспериментально установлено, что масса 1 л кислорода при нормальных условиях равна 1,43 грамм. Следовательно, объем, занимаемый при тех же условиях одним молем кислорода (32 грамм), составит 32:1,43=22,4 л. То же число получим, рассчитав объем одного моля водорода, диоксида углерода и т. д.

Отношение объема, занимаемого веществом, к его количеству называется молярным объемом вещества. Как следует из изложенного, при нормальных условиях молярный объем любого газа равен 22,4 л/моль.

Состав простых и сложных веществ химики всего мира отражают очень красиво и лаконично в виде химических формул. Химические формулы - это аналоги слов, которые записывают с помощью букв - знаков химических элементов.

Выразим с помощью химических символов состав самого распространённого вещества на Земле - воды. В молекулу воды входят два атома водорода и один атом кислорода. Теперь переведём это предложение в химическую формулу, используя химические символы (водорода - Н и кислорода - О). Число атомов в формуле запишем с помощью индексов - цифр, стоящих внизу справа от химического символа (индекс 1 для кислорода не пишут): Н 2 0 (читают «аш-два-о»).

Формулы простых веществ водорода и кислорода, молекулы которых состоят из двух одинаковых атомов, записывают так: Н 2 (читают «аш-два») и 0 2 (читают «о-два») (рис. 26).

Рис. 26.
Модели молекул и формулы кислорода, водорода и воды

Чтобы отразить число молекул, используют коэффициенты, которые пишут перед химическими формулами: например, запись 2СО 2 (читают «два-цэ-о-два») означает две молекулы углекислого газа, каждая из которых состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода.

Аналогично записывают коэффициенты, когда указывают число свободных атомов химического элемента. Например, нам нужно записать выражение: пять атомов железа и семь атомов кислорода. Делают это следующим образом: 5Fe и 7О.

Размеры молекул, а тем более атомов настолько малы, что их невозможно рассмотреть даже в лучшие оптические микроскопы, дающие увеличение в 5-6 тысяч раз. Их невозможно рассмотреть и в электронные микроскопы, дающие увеличение в 40 тысяч раз. Естественно, что ничтожно малому размеру молекул и атомов соответствуют и ничтожно малые их массы. Учёные рассчитали, например, что масса атома водорода равна 0,000 000 000 000 000 000 000 001 674 г, что можно представить как 1,674 10 -24 г, масса атома кислорода равна 0,000 000 000 000 000 000 000 026 667 г, или 2,6667 10 -23 г, масса атома углерода равна 1,993 10 -23 г, а масса молекулы воды равна 3,002 10 -23 г.

Рассчитаем, во сколько раз масса атома кислорода больше массы атома водорода, самого лёгкого элемента:

Аналогично, масса атома углерода больше массы атома водорода в 12 раз:

Рис. 27. Масса атома углерода равна массе 12 атомов водорода

Масса молекулы воды больше массы атома водорода в 18 раз (рис. 28). Эти величины показывают, во сколько раз масса атома данного химического элемента больше массы атома водорода, т. е. являются относительными.

Рис. 27. Масса атома воды равна массе 18 атомов водорода

В настоящее время учёные-физики и учёные-химики придерживаются мнения, что относительная атомная масса элемента - это величина, показывающая, во сколько раз масса его атома больше 1/12 массы атома углерода. Относительную атомную массу обозначают Аr, где r - начальная буква английского слова relative, что означает «относительный». Например, А r (0) = 16, А r (С) = 12, A r (H) = 1.

Каждый химический элемент имеет своё значение относительной атомной массы (рис. 29). Значения относительных атомных масс химических элементов указаны в соответствующих им клетках таблицы Д. И. Менделеева.

Рис. 29.
Каждый элемент имеет свое значение относительной атомной массы

Аналогично, относительную молекулярную массу вещества обозначают М r , например М r (Н 2 0) = 18.

Относительная атомная масса элемента А r и относительная молекулярная масса вещества М r - величины, которые не имеют единиц измерения.

Чтобы узнать относительную молекулярную массу вещества, не обязательно делить массу его молекулы на массу атома водорода. Нужно просто сложить относительные атомные массы элементов, образующих вещество, с учётом числа атомов, например:

Химическая формула содержит важную информацию о веществе. Например, формула С0 2 показывает следующую информацию:

Рассчитаем массовые доли элементов углерода и кислорода в углекислом газе СO 2 .

Ключевые слова и словосочетания

1. Химическая формула.
2. Индексы и коэффициенты.
3. Относительная атомная масса (А r).
4. Относительная молекулярная масса (М r).
5. Массовая доля элемента в веществе.

Работа с компьютером

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

1. Что означают записи: 3Н; 2Н 2 O; 5O 2 ?
2. Запишите формулу сахарозы, если известно, что в состав её молекулы входят двенадцать атомов углерода, двадцать два атома водорода и одиннадцать атомов кислорода.
3. Используя рисунок 2, запишите формулы веществ и рассчитайте их относительные молекулярные массы.
4. Какой форме существования химического элемента кислорода соответствует каждая из следующих записей: 3O; 5O 2 ; 4СO 2 ?
5. Почему относительная атомная масса элемента и относительная молекулярная масса вещества не имеют единиц измерения?
6. В каком из веществ, формулы которых SO 2 и SO 3 , массовая доля серы больше? Ответ подтвердите расчётами.
7. Вычислите массовые доли элементов в азотной кислоте HNO 3 .
8. Дайте полную характеристику глюкозы С 6 Н 12 0 6 , используя пример описания углекислого газа С0 2 .