Pojam molarne i molekularne težine. Molarna masa dušika, vodika i zraka

Hipoteza koju je predložio drevni grčki filozof Demokrit o postojanju nedjeljivih elementarnih čestica od kojih je nastala sva tvar, znanstvenici su priznali nakon petnaest tisuća godina. Koncept molarne mase kemijske tvari konačno se oblikovao tek početkom 20. stoljeća. U ovom članku razmatramo ovaj koncept, fokusirajući se na molarnu masu dušika i vodika.

Amedeo Avogadro i njegov zakon

Na početku XIX stoljeća znanost je već utvrdila da se sve tvari sastoje od sitnih čestica. Te se čestice nazivaju atomima ili molekulama. U ovom slučaju oba su izraza korištena kao sinonimi.

U to vrijeme poznati talijanski odvjetnik, fizičar i matematičar Amedeo Avogadro proveo je niz eksperimenata s različitim plinovima, uključujući zrak. Znanstvenik je došao do nevjerojatnog zaključka, koji se trenutno naziva Avogadrov zakon za plinove. Može se formulirati na sljedeći način: pod istim uvjetima jednake količine plinova sadrže jednak broj čestica koje ih tvore. Jednaki uvjeti su temperatura i tlak.

Imajte na umu da Avogadro sam nije mogao procijeniti broj čestica koje je pokazao u plinu za stvarne volumene. Međutim, vrijednost ovog zakona je ogromna jer se kaže da se bez obzira na kemijsku prirodu atoma ili molekula, plinovi ponašaju na isti način.

Europski znanstvenici u to vrijeme nisu ozbiljno shvaćali Avogadrova djela. Trebalo je nekoliko desetljeća da se ponovno zapamti.

Iskustva Johanna Loshmidta i Jeana Perrina

Austrijanac Johann Loshmidt je 1865. godine proveo niz pokusa, što je rezultiralo prosječnim promjerom molekula zraka. Znajući tu vrijednost, uspio je odrediti broj molekula po jedinici volumena. Loshmidtovi eksperimenti smatraju se prvim u povijesti mjerenja broja molekula u plinskim smjesama.

Godine 1909. Francuz Jean Perrin proveo je pokuse, što je rezultiralo određivanjem broja molekula u različitim plinovima za različite volumene. Godine 1926. za te pokuse dobio je Nobelovu nagradu za fiziku.

Perrin je predložio baznoj jedinici bilo kakve kemijske izračune da uzmu broj atoma, koji se nalazi u 1 gramu atomskog vodika. Potom je taj iznos redefiniran za 1/12 grama ugljika-12. Perrin je predložio da ovu vrijednost nazove Avogadrovim brojem.

Avogadrova konstanta i jedinica tvari

Pokazalo se da je broj Avogadra mjeren Perinom N = 6.022 * 10 ²³ . To znači da samo 1 gram atomskog vodika (H) ili 2 grama molekularnog vodika (H2) sadrži N čestice. Jasno je da je u praksi nezgodno raditi s takvim brojevima. Stoga je u drugoj polovici 20. stoljeća na jednom od sastanaka Međunarodne komore za utege i mjere odlučeno da se broj Avogadra uključi kao jedna od 7 osnovnih mjernih jedinica u SI. Ova jedinica se naziva krtica.

Dakle, 1 mol je broj sastavnih čestica tvari (molekula, atoma, itd.) Koja je jednaka broju N _A.

Pojam molarne mase

Molarna masa dušika ili bilo koje druge kemijske tvari je fizička količina jednaka masi jednog mola čestica. Ta se vrijednost obično označava simbolom M _s , pri čemu indeks označava koja tvar odgovara vrijednosti. Molarna masa izražava se u SI sustavu u kilogramima po molu. Međutim, u praksi se te jedinice rijetko koriste. Gram po molu (g / mol) se najčešće koriste.

Recimo primjer. Iznad je rečeno da 2 grama plina H2 sadrže N _A molekule. Tada ćemo dobiti:

_MH2 = m (H2) / N _A.

Budući da je N _A po definiciji 1 mol, tada je molarna masa molekularnog vodika 2 grama.

Pojam molekularne težine

Na temelju naziva jasno je da je molekulska masa masa jedne molekule određene kemijske tvari. Za razliku od molarne mase, ova vrijednost izražava se u SI u kilogramima (amu u praksi).

Koristeći gornji primjer s molekularnim vodikom, lako se može izračunati masa molekule H2. Budući da je masa N _A molekula 2 grama, tada za jednu molekulu dobivamo:

_MH2 = m (H2) / NA = 2 x 10 ^-3 [kg] / 6.022 * 10 ²³ = 3.321 x 10 ^-27 kg.

Za atomski vodik, koji ima dvostruko manju masu, pronađena vrijednost će također biti dva puta manja, odnosno:

M _H = M _H2 / 2 = 1,66 * 10 ^-27 kg.

Kao što se može vidjeti, tipične mase atoma i molekula su vrlo male. S njima je jednako neprikladno izvesti izračune kao kod velikih brojeva. Stoga je uvedena nova mjerna jedinica koja se naziva jedinica atomske mase ili skraćena a. e. m. jedan a. e. m odgovara masi protona, to jest, M _H.

Zahvaljujući toj definiciji, molarna i molekularna masa se međusobno numerički podudaraju, iako su njihove mjerne jedinice različite. Primjerice, za isti vodik nalazimo da je molarna masa 2 g / mol, a molekulska masa je 2 amu.

Imajte na umu da se ove vrijednosti za svaki kemijski element mjere i prikazane su u periodnom sustavu.

Izotopi i njihovi učinci na molarne i molekulske mase

Teoretske informacije i proračuni dani u prethodnim odlomcima članka govore da je molarna masa vodikovog atoma 1 g / mol (atomska je 1 amu). Ako se okrenemo periodnom sustavu, umjesto broja 1 za H vrijedi 1.00794. Zašto postoji razlika u broju koji smo dobili?

Odgovor na ovo pitanje odnosi se na postojanje u prirodi izotopa - atoma koji sadrže isti broj protona (elektrona), ali različit broj neutrona. Budući da su mase protona i neutrona približno jednake, nalazimo da će se mase izotopa kemijskog elementa međusobno razlikovati. Na primjer, deuterij - vodik, koji se sastoji od neutrona, protona i elektrona, već ima atomsku masu od 2 amu.

Atomska masa prikazana u periodnom sustavu ispod svakog elementa je određeni prosjek M¯ na svim izotopima koji se nalaze u prirodi. Može se izračunati pomoću formule:

M¯ = ( _i (x _i * M _i ).

Ovdje xi je relativna količina izotopa i u mješavini, _Mj je njena atomska masa. Napominjemo da se ova formula može koristiti za određivanje prosječne molarne mase smjese plinova.

Molarna i molekulska masa dušika

Da bismo utvrdili razmatrane mase dušika, prvo se moramo sjetiti njegove kemijske formule. Simbol dušika u periodnom sustavu odgovara latiničnom slovu N (broj 7). Ispod toga, možete vidjeti da je atomska masa dušika 14.0067 amu.

Molekula dušika sastoji se od dva atoma i prilično je stabilna (ulazi u kemijsku reakciju u ekstremnim uvjetima, primjerice, kada se munja ispušta u atmosferu). Tada nalazimo da je molarna masa dušika:

MN2 = 2xMN = 14,0067x2 = 28,0134 g / mol.

Za kemijske izračune često se koristi vrijednost 28 g / mol.

Što se tiče molekularne težine dušika, može se odrediti ako se prisjetimo da 1 mol bilo koje tvari sadrži N čestice. Kako 1 mol N2 ima masu od 28,0134 grama, tada je masa jedne od njegovih molekula jednaka:

MN2 = 28,0134 * 10 ^-3 [kg] / 6,022 * 10 ²³ = 4,652 * 10 ^-26 kg.

Molarna masa smjese zraka

Pokazali smo kako je moguće odrediti molarne mase apsolutno bilo koje smjese plinova. Za to trebate znati sljedeće podatke:

• Kemijski sastav smjese.
• Molarna masa svake komponente u njemu.
• Udio svake komponente u smjesi.

Prosječni sastav zraka na našoj planeti je sljedeći (u atomskom postotku):

• N 78,09.
• 20.95.
• Ar 0.93.
• CO2 0,04.

Najprije izračunamo molarnu masu svakog spoja pomoću periodnog sustava. Već znamo da je molarna masa dušika jednaka 28.0134 g / mol. Za preostale komponente imamo:

M02 = 31.9988 g / mol.

M _Ar = 39,948 g / mol.

M02 = 44,0095 g / mol.

Koristeći formulu za prosječnu masu svih izotopa, koja je također primjenjiva u ovom slučaju, dobivamo:

M = ∑ _i (x _i * M _i ) = 0,7809 * 28,0134 + 0,2095 * 31,988 + 0,0093 * 39,948 + 0,0004 * 44,0095 = 28,9685 g / mol.

Često je dobivena vrijednost zaokružena na 29 g / mol.

Dakle, zrak je u prosjeku lakši od svih njegovih sastavnih dijelova, osim dušika. Blizina dobivene molekularne težine prema onoj za N2 posljedica je činjenice da se gotovo 80% zraka sastoji od tog plina.