МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ВЕС (син. молекулярная масса ) - масса молекулы вещества, выраженная в углеродных единицах атомной массы (углеродная единица атомной массы - 1/12 массы атома изотопа углерода 12 C); наряду с атомными массами служит основой для всевозможных расчетов, выполняемых с помощью хим. формул и уравнений, в т. ч. расчетов, производимых в биохим. и клинико-диагностических лабораториях.

Если известна хим. формула вещества, то его М. в. может быть вычислен как сумма атомных весов (масс) атомов хим. элементов (см. Атомный вес), входящих в состав молекулы данного вещества. Напр., М. в. углекислого газа (CO 2) равен:

12,011 + 2 * 15,9994 = 44,0098.

Для веществ, находящихся в газообразном или растворенном состоянии, экспериментальные методы определения М. в. наиболее обоснованны. М. в. (М1) газа обычно определяют, измерив его относительную плотность D по газу, М. в. к-рого (М2) известен; тогда М1 = M2*D. М. в. газа можно также определить, если известна его нормальная плотность d, т. е. масса 1 л газа в граммах при давлении 760 мм рт. ст. и 0 °C. В этом случае М. в. газа равен M = 22,42*d.

Для определения М. в. растворенного вещества в таком растворителе, в к-ром это вещество не подвергается диссоциации или ассоциации, наиболее часто измеряют понижение температуры замерзания р-ра Δt (см. Криометрия), наблюдаемое при растворении а г исследуемого вещества в b г растворителя: М = (K*a*1000)/(Δt*b), где К - криометрическая (криоскопическая) постоянная растворителя.

М. в. растворенного вещества можно также определить, измерив осмотическое давление р-ра (см. Осмотическое давление). В этом случае M = (m*R*T)/p, где m - масса растворенного вещества в граммах, содержащаяся в 1 л р-ра, p - осмотическое давление в атм, T - температура в градусах по Кельвину и R - газовая постоянная в л*атм/моль*град. Этот метод с успехом применяется для определения М. в. белков, полисахаридов, нуклеиновых и других высокомолекулярных соединений (см.). М. в. белков и других биополимеров можно определить методом ультрацентрифугирования (см.).

В практике биохим., клин, и сан.-гиг. лабораторий для выполнения различного рода расчетов широко пользуются также единицей количества вещества, называемой молем.

Моль - это количество вещества, содержащее столько молекул, атомов, ионов, электронов или других структурных единиц, сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода 12 C. Число молекул, атомов или других структурных единиц, содержащихся в одном моле любого вещества, называемое числом Авогадро, определено с большой точностью. Для практических расчетов его принимают равным

6,023*10 23 моль -1 .

Масса одного моля вещества, выраженная в граммах, численно равная М. в. вещества, называется мольной массой, или грамм-молекулой.

Библиография: Белки, под ред. Г. Нейрата и К. Бэйли, пер. с англ., т. 2, с. 276, М., 195 6: Гауровиц Ф. Химия и функция белков, пер. с англ., М., 1965; Ост-вальд-Лютер - Дру кер, Физикохимические измерения, пер. с нем., ч. 1, €. 294, Л., 1935.

Мы видим, что одна гирька значимо перевешивает семь пластмассовых шариков. Опыт с весами дает нам ответ - больше вещества в железной гирьке, это если мы сравниваем массы - меры инертности железа и пластмассы.

А что если мы сравним не массы, а количество вещества, которое пошло на изготовление шариков и гирьки, фактически количество частиц, из которых они состоят? Взяв в руки шарики и гирьку, мы увидим, что гирька фактически теряется на фоне этих шариков. Если бы мы умели считать количество частиц, которые входят в железо и пластмассу, то мы бы увидели, что количество атомов железа окажется значительно меньше количества молекул во всех пластмассовых шариках. Значит вещества больше в пластмассе.

Правильными являются оба ответа.

Все дело в том, что в первом случае мы сравнивали массу, то есть меру инертности тел, а во втором случае мы сравнивали количество молекул, количество вещества.

Простую аналогию мы можем провести с сахаром в мерном стаканчике. На вопрос, сколько там сахара, можно ответить, посмотрев на деление стаканчика и ориентировочно сказать, сколько там граммов сахара. Можно пересчитать каждую крупинку, находящуюся в стаканчике, и ответить, какое количество их содержит стаканчик. Правильными будут и первый, и второй ответы. Когда же удобнее говорить о массе молекул, а когда удобнее говорить о количестве вещества? Именно это и является темой урока: «Масса молекул, Количество вещества».

В XIX веке итальянский ученый Авогадро установил интересный факт: если два разных газа, например водород и кислород, находятся в одинаковых сосудах, при одинаковых давлениях и температурах, то в каждом сосуде будет одинаковое количество молекул, хотя массы газов могут отличаться очень сильно, в нашем примере - в 16 раз (рис. 2).

Рис. 2. Опыт Авогадро ()

Все это обозначает, что некоторые свойства тела определяются именно количеством молекул, а не только массой.

Что же мы понимаем под термином «количество вещества»? Любое вещество состоит из молекул, атом, ионов - значит, имеет смысл под количеством вещества понимать количество молекул.

Физическая величина, которая определяет количество молекул в данном теле, называется количеством вещества . Обозначается греческой буквой ν - ню.

Условились за единицу количества вещества принять такое его количество, в котором содержится столько частиц (атомов, молекул), сколько атомов содержится в 0,012 кг (12 граммах) изотопа углерода с атомной массой 12.

Называется эта единица моль.

Из этого определения выходит, что в одном моле любого вещества будет одинаковое количество молекул. В одном моле любого вещества содержится 6,02·10 23 молекул или частиц. Эта величина носит название постоянная Авогадро .

Рис. 3. Определение полного числа молекул ()

Эта формула позволяет узнать полное число молекул при известном количестве вещества.

Масса молекулы крайне мала. Определили это физики при помощи так называемого масс-спектрографа. К примеру, значение массы молекулы воды (рис. 4):

Рис. 4. Определение массы молекулы воды ()

Как мы видим, так же, как и в случаях с количеством вещества, сравнивать массу одной молекулы с эталоном массы, килограммом, не очень удобно. Если в случаях с количеством вещества числа огромны, то в случаях с массой молекул числа очень малы. Именно поэтому в качестве единицы измерения массы молекулы или атома была выбрана особая внесистемная единица - атомная единица массы . Мы будем сравнивать единицу массы не с эталоном, а с массой молекулы какого-то вещества.

Этим веществом стал самый распространенный в природе элемент - углерод, который входит во все органические соединения. Атомная единица массы равна:

1 а.е.м. = 1/12 массы углерода - 12 (изотоп, в котором 12 нуклонов)

1 а.е.м. = 1, 66·10 -27 кг

Так как мы будем измерять массу молекул в атомных единицах массы, то мы приходим к новой физической величине - относительная молекулярная масса.

Отношение массы молекулы (атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода называется относительной молекулярной массой (или относительной атомной массой) в случае атомарного строения вещества.

Формулы, выражающие это определение:

Относительная молекулярная масса - это безразмерная величина, она ни в чем не измеряется. Нам ничего не мешает по-прежнему измерять массы атомов и молекул в килограммах тогда, когда нам это будет удобно. Из курса химии мы знаем, что: относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс элементов, входящих в него. Например, для воды Н 2 О относительная молекулярная масса будет:

Мr = 1·2 + 16 = 18

Сумма относительной молекулярной массы кислорода (16) и двух водородов (2.1) даст 18

Как же найти общее между массой в килограммах и количеством вещества в молях? Это величина - молярная масса.

Молярная масса - это масса одного моля вещества.

Обозначается [ М ], измеряется в кг/моль.

Молярная масса равна отношению массы к количеству вещества:

Получим формулы, которые связывают различные характеристики молекул.

Для определения молярной массы химического элемента обратимся к периодической таблице химических элементов Менделеева - берем просто атомную массу А (число нуклонов необходимого элемента) - это и будет его молярная масса, выраженная в г/моль.

Например, для алюминия (рис. 5):

Рис. 5. Определение молярной массы вещества ( )

Атомная масса алюминия будет равна 27, а молярная масса будет равна 0,027 кг/моль.

Это объясняется тем, что молярная масса углерода равна 12 г/моль по определению, в то же время ядро атома углерода содержит 12 нуклонов - 6 протонов и 6 нейтронов, выходит, что каждый нуклон вносит в молярную массу 1 г/моль, поэтому молярная масса химического элемента с атомной массой А окажется равной А г/моль.

Молярная масса вещества, молекула которого состоит из нескольких атомов, получается простым суммированием малярных масс, так например (рис. 6):

Рис. 6. Молярная масса углекислого газа ()

Нужно быть особо внимательными с молярными массами некоторых газов, таких как газообразный водород, азот, кислород - их молекула состоит из двух атомов - H 2 , N 2 , O 2 , а гелий, часто встречающийся в задачах, является одноатомным и имеет молекулярную массу 4 г/моль, предписанную таблицей Менделеева (рис. 7).

Рис. 7. Молярные массы некоторых газов ()

В одном моле любого вещества содержится число Авогадро молекул, значит, если умножить число Авогадро (число молекул в одном моле) на массу одной молекулы m 0 , то мы получим молярную массу вещества, то есть массу одного моля вещества:

М = m 0 · N А

Если 25 учеников занимаются в классе, площадь которого 50 м 2 , то на каждого ученика приходится 2 м 2 . При переходе их на занятие в спортзал, площадь которого 500 м 2 , на каждого ученика уже будет приходиться 20 м 2 . Число учеников не изменилось, но они стали реже расположенными, в этом случае говорят: уменьшилась концентрация людей. Точно так же для молекул вводится понятие концентрации в молекулярной кинетической теории.

Концентрацией (n) называется количество молекул, приходящихся на единицу объема вещества. Она равна отношению числа молекул к объему:

Формулы, связывающие концентрацию с другими характеристиками молекул:

Пользуясь этими формулами, мы можем сравнивать вещества как по количеству молекул, так и по массе.

Мы получили все необходимое для того, чтобы построить молекулярно-кинетическую теорию, чем мы займемся на следующих уроках.

Список литературы

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Мнемозина, 2014.
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика - 9, Москва, Просвещение, 1990.

1. Lib.podelise.ru ().
2. Class-fizika.spb.ru ().
3. Bolshoyvopros.ru ().

Домашнее задание

1. Дать определение количества вещества.
2. Назовите единицу измерения массы молекулы или атома.
3. Дать определение относительной молекулярной массе.

Основные положения МКТ. Масса и размер молекул. Количество вещества. Молекулярная физика

МКТ - это просто!

«Ничто не существует, кроме атомов и пустого пространства …» - Демокрит
«Любое тело может делиться до бесконечности» - Аристотель

Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ)

Цель МКТ - это объяснение строения и свойств различных макроскопических тел и тепловых явлений, в них протекающих, движением и взаимодействием частиц, из которых состоят тела.
Макроскопические тела - это большие тела, состоящие из огромного числа молекул.
Тепловые явления - явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел.

Основные утверждения МКТ

1. Вещество состоит из частиц (молекул и атомов).
2. Между частицами есть промежутки.
3. Частицы беспорядочно и непрерывно движутся.
4. Частицы взаимодействуют друг с другом (притягиваются и отталкиваются).

Подтверждение МКТ:

1. экспериментальное
- механическое дробление вещества; растворение вещества в воде; сжатие и расширение газов; испарение; деформация тел; диффузия; опыт Бригмана: в сосуд заливается масло, сверху на масло давит поршень, при давлении 10 000 атм масло начинает просачиваться сквозь стенки стального сосуда;

Диффузия; броуновское движение частиц в жидкости под ударами молекул;

Плохая сжимаемость твердых и жидких тел; значительные усилия для разрыва твердых тел; слияние капель жидкости;

2. прямое
- фотографирование, определение размеров частиц.

Броуновское движение

Броуновское движение - это тепловое движение взвешенных частиц в жидкости (или газе).

Броуновское движение стало доказательством непрерывного и хаотичного (теплового) движения молекул вещества.
- открыто английским ботаником Р. Броуном в 1827 г.
- дано теоретическое объяснение на основе МКТ А. Эйнштейном в 1905 г.
- экспериментально подтверждено французским физиком Ж. Перреном.

Масса и размеры молекул

Размеры частиц

Диаметр любого атома составляет около см.

Число молекул в веществе

где V - объем вещества, Vo - объем одной молекулы

Масса одной молекулы

где m - масса вещества,
N - число молекул в веществе

Единица измерения массы в СИ: [m]= 1 кг

В атомной физике массу обычно измеряют в атомных единицах массы (а.е.м.).
Условно принято считать за 1 а.е.м. :

Относительная молекулярная масса вещества

Для удобства расчетов вводится величина - относительная молекулярная масса вещества.
Массу молекулы любого вещества можно сравнить с 1/12 массы молекулы углерода.

где числитель - это масса молекулы, а знаменатель - 1/12 массы атома углерода

Это величина безразмерная, т.е. не имеет единиц измерения

Относительная атомная масса химического элемента

где числитель - это масса атома, а знаменатель - 1/12 массы атома углерода

Величина безразмерная, т.е. не имеет единиц измерения

Относительная атомная масса каждого химического элемента дана в таблице Менделеева.

Другой способ определения относительной молекулярной массы вещества

Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс химических элементов, входящих в состав молекулы вещества.
Относительную атомную массу любого химического элемента берем из таблицы Менделеева!)

Количество вещества

Количество вещества (ν) определяет относительное число молекул в теле.

где N - число молекул в теле, а Na - постоянная Авогадро

Единица измерения количества вещества в системе СИ: [ν]= 1 моль

1 моль - это количество вещества, в котором содержится столько молекул (или атомов), сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг.

Запомни!
В 1 моле любого вещества содержится одинаковое число атомов или молекул!

Но!
Одинаковые количества вещества для разных веществ имеют разную массу!

Постоянная Авогадро

Число атомов в 1 моле любого вещества называют числом Авогадро или постоянной Авогадро:

Молярная масса

Молярная масса (M) - это масса вещества, взятого в одном моле, или иначе - это масса одного моля вещества.

Масса молекулы
- постоянная Авогадро

Единица измерения молярной массы: [M]=1 кг/моль.

Формулы для решения задач

Эти формулы получаются в результате подстановки вышерассмотренных формул.

Масса любого количества вещества

На законе Авогадро основан важнейший метод определения мо­лекулярных весов газообразных веществ. Но прежде чем гово­рить об этом методе, следует напомнить, в каких единицах выра­жаются молекулярные и атомные веса.

При вычислениях атомных весов первоначально принимали за единицу вес атома водорода, как самого легкого элемента, и по отношению к нему вычисляли атомные веса других элементов. Но так как для большинства элементов атомные веса опреде­ляются из их кислородных соединений, фактически вычисле­ния производились по отношению к атомному весу кислорода, который считался равным 16. Отношение между атомными ве­сами кислорода и водорода принималось равным 16:1. Впослед­ствии более точные исследования показали, что это отношение равно 15,88: 1, или 16: 1,008. Следовательно, если считать атом­ный вес водорода равным 1, атомный вес кислорода будет 15,88. Из практических соображений было решено оставить для кисло­рода атомный вес 16, приняв для водорода атомный вес 1,008.

Таким образом, в настоящее время единицей веса атомов яв­ляется 1 / 16 часть веса атома кислорода. Эта единица получила название«кислородной един ицы». Вес атома водорода равен 1,008 кислородной единицы, вес атома серы - 32,06 кисло­родной единицы и т, д.

Атомным весом элемента называется вес его атома, выра­ женный в кислородных единицах.

Так как вес молекулы любого равен сумме весов образующих ее атомов, понятно, что молекулярные веса должны выражаться в тех же единицах, что и атомные веса. Например, вес молекулы водорода, состоящей из двух атомов, равен 2,016 кислородной единицы; вес молекулы кислорода, также состоящей из двух атомов, равен 32 кислородным еди­ницам; вес молекулы воды, содержащей два атома водорода и один атом кислорода, равен 16 + 2,016=18,016 кислородной единицы и т. д.

Молекулярным весом простого или сложного назы­ вается вес его молекулы, выраженный в кислородных единицах.

Посмотрим теперь, как определяются молекулярные веса газообразных веществ.

По закону Авогадро, равные объемы газов, взятых при одина­ковом давлении и одинаковой температуре, содержат равное число молекул. Отсюда следует, что веса равных объемов двух газов должны относиться друг к другу, как их молекулярные веса.

Возьмем например, по одному литру двух различных газов. Пусть в каждом из них содержится по N молекул. Обозначим вес литра первого газа через g, а второго через g 1 . Молекулярные веса газов обозначим соответственно через М и M 1 . Так как вес литра газа равен сумме весов находящихся в нем молекул,

g = N M и g 1 =N M 1 Разделив первое равенство на второе, получим:(1)

Отношение веса данного газа к весу того же объема дру­гого газа, взятого при той же температуре и том же давлении, называется плотностью первого газа по второму. Например, 1 л углекислого газа весит 1,98 г, а 1 л водорода при тех же условиях 0,09 г, откуда плотность углекислого газа по водороду будет 1,98:0,09 = 22.

Обозначив плотность газа буквой D, перепишем уравнение (1):

откуда

M = D M 1 (2)

Молекулярный вес газа равен его плотности по отношению к другому газу, умноженной на молекулярный вес второго газа.

Очень часто плотности различных газов определяют по отно­шению к водороду как самому легкому из всех тазов. Так как молекулярный вес самого водорода равен 2,016, то в этом слу­чае формула для расчета молекулярных весов принимает вид:

М = 2,016 D

или, если округлить молекулярный вес водорода до 2:

М = 2 D

Вычисляя, например, по этой формуле молекулярный вес угле­кислого газа, плотность которого по водороду, как указано выше, равняется 22, находим:

М = 2 22 = 44

Нередко также вычисляют молекулярный вес газа, исходя из его плотности по воздуху. Хотя воздух представляет собой смесь нескольких газов, все же мы можем говорить о среднем мо­лекулярномвесе воздуха, определяемом из плотности воздуха по водороду. Найденный таким путем молекулярный вес воздуха равен 29.

Обозначив плотность исследуемого газа по воздуху через D 1 получим следующую формулу для вычисления молекулярных весов:

М = 29 D 1

Число 29 полезно запомнить, так как его часто применяют при расчетах.

Практически определение молекулярного веса сводится к из­мерению веса и объема некоторого количества исследуемого газа и последующему вычислению его плотности, после чего молеку­лярный вес находят прямопо формуле. Плотность газа может быть вычислена по отношению к любому другому газу, молеку­лярный вес которого и вес единицы объема известны. Но так как в справочниках указываются веса газов при нормальных усло­виях, а на опыте обычно приходится измерять вес и объем иссле­дуемого газа при других условиях, то для вычисления плотности газа нужно предварительно привести измеренный объем газа к нормальным условиям (0° и 760 мм давления).

Приведение к нормальным условиям производится на основа­нии уравнения, объединяющего газовые законы Бойля-Мариотта и Геи-Люссака:

где р и υ - соответственно давление и объем газа в условиях опыта; Р 0 — нормальное давление; υ 0 - объем газа при нормаль­ных условиях; Т - абсолютная температура газа.