Атомна единица за маса. Числото на Авогадро

Материята се състои от молекули. Под молекула разбираме най-малката частица от дадено вещество, която запазва химичните свойства на това вещество.

Читател: В какви единици се измерва масата на молекулите?

Автор: Масата на една молекула може да се измери във всякакви единици за маса, например в тонове, но тъй като масите на молекулите са много малки: ~10–23 g, тогава за удобствовъведе специална единица - единица атомна маса(a.e.m.).

Атомна единица за масасе нарича стойност, равна на масата на въглеродния атом 6 C 12.

Означението 6 C 12 означава: въглероден атом с маса 12 amu. а ядреният заряд е 6 елементарни заряда. По същия начин 92 U 235 е атом на уран с маса 235 amu. и зарядът на ядрото е 92 елементарни заряда, 8 O 16 е кислороден атом с маса 16 amu и зарядът на ядрото е 8 елементарни заряда и т.н.

Читател: Защо е избрана за атомна единица за маса? (не или ) част от масата на атом и по-специално въглерод, а не кислород или плутоний?

Експериментално е установено, че 1 g » 6,02×10 23 amu.

Числото, показващо колко пъти масата на 1 g е по-голяма от 1 amu, се нарича Числото на Авогадро: Н A = 6,02 × 10 23.

Оттук

Н A × (1 amu) = 1 g (5.1)

Пренебрегвайки масата на електроните и разликата в масите на протон и неутрон, можем да кажем, че числото на Авогадро приблизително показва колко протона (или, което е почти същото, водородни атоми) трябва да бъдат взети, за да се образува маса от 1 g (фиг. 5.1).

къртица

Масата на молекулата, изразена в атомни единици за маса, се нарича относително молекулно тегло .

Определен М р(r– от роднина – роднина), например:

12 a.u.m. = 235 a.u.m.

Част от вещество, която съдържа същия брой грамове от дадено вещество като броя на единиците атомна маса, съдържащи се в молекула на дадено вещество, се нарича молете се(1 mol).

Например: 1) относително молекулно тегло на водорода H2: следователно 1 мол водород има маса 2 g;

2) относително молекулно тегло на въглероден диоксид CO 2:

12 аму + 2×16 a.m.u. = 44 amu

следователно 1 мол CO 2 има маса 44 g.

Изявление.Един мол от всяко вещество съдържа същия брой молекули: Н A = 6,02×10 23 бр.

Доказателство. Нека относителната молекулна маса на веществото М р(сутринта) = М р× (1 amu). Тогава, според дефиницията, 1 мол от дадено вещество има маса М р(d) = М р× (1 g). Нека Нтогава е броят на молекулите в един мол

Н×(маса на една молекула) = (маса на един мол),

Молът е основната мерна единица SI.

Коментирайте. Молът може да се дефинира по различен начин: 1 мол е Н A = = 6,02×10 23 молекули от това вещество. Тогава е лесно да се разбере, че масата на 1 мол е равна на М р(G). Наистина, една молекула има маса М р(а.у.м.), т.е.

(маса на една молекула) = М р× (1 amu),

(маса на един мол) = Н A × (маса на една молекула) =

= Н A × М р× (1 аму) = .

Масата на 1 мол се нарича моларна масаот това вещество.

Читател: Ако вземете масата Тна някакво вещество, чиято моларна маса е m, тогава колко мола ще бъдат?

Да си припомним:

Читател: В какви единици SI трябва да се измерва m?

, [m] = kg/mol.

Например, моларната маса на водорода

Атомна единица за маса(обозначение А. е.м.), тя е далтън, - извънсистемна единица за маса, използвана за масите на молекули, атоми, атомни ядра и елементарни частици. Препоръчва се за употреба от IUPAP през 1960 г. и IUPAC през 1961 г. Официално се препоръчват английски термини единица за атомна маса (a.m.u.)и по-точно - унифицирана единица за атомна маса (u.a.m.u.)(универсална атомна единица за маса, но се използва по-рядко в рускоезични научни и технически източници).

Единицата за атомна маса се изразява чрез масата на въглеродния нуклид 12 C. 1 a. e.m., равна на една дванадесета от масата на този нуклид в ядрено и атомно естествено състояние. Създадена през 1997 г. във второто издание на Наръчника на термините на IUPAC, числената стойност е 1 a. e.m. ≈ 1,6605402(10) ∙ 10 −27 kg ≈ 1,6605402(10) ∙ 10 −24 g.

От друга страна, 1 а. e.m. реципрочното число на Авогадро, т.е. 1/N A g. Този избор на единица за атомна маса е удобен с това, че моларната маса на даден елемент, изразена в грамове на мол, съвпада точно с масата на този атом. елемент, изразен в А. е.м.

История

Концепцията за атомна маса е въведена от Джон Далтън през 1803 г.; единицата за измерване на атомната маса първо е масата на водородния атом (т.нар водородна скала). През 1818 г. Берцелиус публикува таблица на атомните маси спрямо атомната маса на кислорода, приета за 103. Системата на Берцелиус за атомни маси преобладава до 1860 г., когато химиците отново приемат водородната скала. Но през 1906 г. преминават към кислородната скала, според която 1/16 от атомната маса на кислорода се приема като единица атомна маса. След откриването на изотопите на кислорода (16 O, 17 O, 18 O), атомните маси започват да се обозначават в две скали: химична, която се основава на 1/16 от средната маса на атом естествен кислород, и физическа, с единица маса, равна на 1/16 от масата на атомен нуклид 16 O. Използването на две скали имаше редица недостатъци, в резултат на които през 1961 г. преминаха към единична въглеродна скала.

И равно на 1/12 от масата на този нуклид.

Препоръчва се за употреба от IUPAP в и IUPAC в години. Официално се препоръчват английски термини единица за атомна маса (a.m.u.)и по-точно - унифицирана единица за атомна маса (u.a.m.u.)(универсална атомна единица за маса, но се използва по-рядко в рускоезични научни и технически източници).

1 а. e.m., изразено в грамове, е числено равно на реципрочната стойност на числото на Авогадро, т.е. 1/N A, изразено в mol -1. Моларната маса на даден елемент, изразена в грамове на мол, е числено същата като масата на молекулата на този елемент, изразена в a. е.м.

Тъй като масите на елементарните частици обикновено се изразяват в електронволтове, факторът на преобразуване между eV и a е важен. е.м.:

1 а. e.m. ≈ 0,931 494 028(23) GeV/ c²; c 1 GeV/

² ≈ 1,073 544 188(27) a. e.m. e.m. кг.

История водородна скалаКонцепцията за атомна маса е въведена от Джон Далтън през 1995 г.; единицата за измерване на атомната маса е била първо масата на водородния атом (т.нар

). Берцелиус публикува таблица на атомните маси, отнасяща се до атомната маса на кислорода, взета за 103. Системата на Берцелиус за атомни маси преобладава до 1860-те години, когато химиците отново приемат водородната скала. Но те преминаха към кислородната скала, според която 1/16 от атомната маса на кислорода се приемаше за единица атомна маса. След откриването на изотопите на кислорода (16 O, 17 O, 18 O), атомните маси започват да се обозначават в две скали: химична, която се основава на 1/16 от средната маса на атом естествен кислород, и физическа, с единица за маса, равна на 1/16 от масата на атомен нуклид 16 O. Използването на две скали имаше редица недостатъци, в резултат на което преминаха към единична въглеродна скала.

• Връзки

Фундаментални физически константи --- Пълен списък

Съставът на веществата е сложен, въпреки че са образувани от миниатюрни частици – атоми, молекули, йони. много течности и газове, както и някои твърди вещества. Металите и много соли са изградени от атоми и заредени йони. Всички частици имат маса, дори най-малката, изразена в килограми, получава много малка стойност. Например m (H 2 O) = 30. 10 -27 кг. Физиците и химиците отдавна са изследвали най-важните характеристики на веществото, като масата и размера на микрочастиците. Основите са положени в трудовете на Михаил Ломоносов и Нека разгледаме как възгледите за микросвета са се променили оттогава.

Идеите на Ломоносов за "корпускулите"

Предположението за дискретност е изразено от учени от Древна Гърция. В същото време името „атом“ е дадено на най-малката неделима частица от тела, „тухлата“ на Вселената. Големият руски изследовател М. В. Ломоносов пише за незначително малка частица от структурата на материята, неделима по физически начин - корпускула. По-късно в трудовете на други учени тя е наречена „молекула“.

Масата на една молекула, както и нейните размери, се определят от свойствата на съставните й атоми. Дълго време учените не можеха да надникнат дълбоко в микросвета, което възпрепятстваше развитието на химията и физиката. Ломоносов многократно призовава колегите си да учат и да разчитат в работата си на точни количествени данни - „мярка и тегло“. Благодарение на работата на руския химик и физик бяха положени основите на учението за структурата на материята, което стана неразделна част от хармоничната атомно-молекулярна теория.

Атомите и молекулите са „градивните елементи на Вселената“

Дори микроскопично малките тела са сложни и имат различни свойства. Частици като атоми, образувани от ядро ​​и електронни слоеве, се различават по броя на положителните и отрицателните заряди, радиуса и масата. Атомите и молекулите не съществуват изолирано в рамките на веществата; привличат се с различна сила. Ефектът на силите на привличане е по-забележим при твърди вещества, по-слаб при течности и почти не се усеща при газообразни вещества.

Химичните реакции не са придружени от разрушаване на атоми. Най-често те се пренареждат и се появява друга молекула. Масата на една молекула зависи от това от какви атоми е образувана. Но въпреки всички промени, атомите остават химически неделими. Но те могат да бъдат част от различни молекули. В този случай атомите запазват свойствата на елемента, към който принадлежат. Преди да се разпадне на атоми, молекулата запазва всички характеристики на веществото.

Микрочастицата от структурата на тялото е молекула. Молекулна маса

За измерване на масата на макроскопичните тела се използват инструменти, най-старият от които е везната. Удобно е да се получи резултатът от измерването в килограми, тъй като това е основната единица на Международната система от физически величини (SI). За да се определи масата на една молекула в килограми, трябва да се съберат атомните маси, като се вземе предвид броят на частиците. За удобство е въведена специална единица за маса - атомната. Можете да го напишете като буквено съкращение (a.u.m.). Тази единица съответства на една дванадесета от масата на въглеродния нуклид 12 C.

Ако изразим намерената стойност в стандартни единици, получаваме 1,66. 10 -27 кг. Основно физиците оперират с такива малки показатели за масата на телата. Статията предоставя таблица, от която можете да разберете какви са атомните маси на някои химични елементи. За да разберете каква е масата на едно в килограми, умножете по две атомната маса на този химичен елемент, дадена в таблицата. В резултат на това получаваме масата на молекула, състояща се от два атома.

Относително молекулно тегло

Трудно се работи при изчисления с много малки количества, неудобно е, води до разход на време и грешки. Що се отнася до масата на микрочастиците, изходът от трудната ситуация беше да се използва познат на химиците термин, състоящ се от две думи - „атомна маса“, нейното обозначение е Ar. Идентично понятие беше въведено за молекулна маса (същата като масата на една молекула). Формула, свързваща две величини: Mr = m(in-va)/1/12 m(12 C).

Не е необичайно да чуете хората да казват „молекулно тегло“. Този остарял термин все още се използва по отношение на масата на една молекула, но все по-рядко. Факт е, че теглото е друга физическа величина - сила, която зависи от тялото. Напротив, масата служи като постоянна характеристика на частиците, които участват в химични процеси и се движат с нормална скорост.

Как да определим масата на молекула

Точното определяне на теглото на молекулата се извършва с помощта на устройство - масспектрометър. За решаване на проблеми можете да използвате информация от периодичната таблица. Например, масата на една кислородна молекула е 16. 2 = 32. Нека направим прости изчисления и намерим стойността на Mr(H 2 O) - относителното молекулно тегло на водата. Използвайки периодичната таблица, ние определяме, че масата на кислородния атом е 16, а тази на водородния атом е 1. Нека извършим прости изчисления: M r (H 2 O) = 1. 2 + 16 = 18, където M r е молекулното тегло, H 2 O е водната молекула, H е символът на елемента водород, O е химическият символ на кислорода.

Изотопни маси

Химическите елементи в природата и технологията съществуват под формата на няколко разновидности на атоми - изотопи. Всеки от тях има индивидуална маса, стойността му не може да има дробна стойност. Но атомната маса на химичния елемент най-често е число с няколко знака след десетичната запетая. Изчисленията отчитат разпространението на всеки сорт в земната кора. Следователно масите на атомите в периодичната таблица не винаги са цели числа. Използвайки такива количества за изчисления, получаваме масите на молекулите, които също не са цели числа. В някои случаи стойностите могат да бъдат закръглени.

Молекулна маса на вещества с немолекулна структура

Размери и маса на молекулите

На електронни микроснимки на големи молекули могат да се видят отделни атоми, но те са толкова малки, че не се виждат с обикновен микроскоп. Линейният размер на частица от всяко вещество, подобно на масата, е постоянна характеристика. Диаметърът на една молекула зависи от радиусите на образуващите я атоми и тяхното взаимно привличане. Размерите на частиците се променят с увеличаване на броя на протоните и енергийните нива. Водородният атом е най-малък по размер, радиусът му е само 0,5. 10 -8 см. Атомът на урана е три пъти по-голям от атома на водорода. Истинските „гиганти“ на микрокосмоса са молекули от органични вещества. Така линейният размер на една от протеиновите частици е 44 . 10 -8 см.

За да обобщим: масата на молекулите е сумата от масите на атомите, които съставляват техния състав. Абсолютната стойност в килограми може да се получи чрез умножаване на стойността на молекулното тегло, намерена в периодичната таблица, по стойността 1,66. 10 -27 кг.

Молекулите са незначителни в сравнение с макротелата. Например размерът на водната молекула H2O е толкова по-малък от този на ябълка, колкото този плод е по-малък от нашата планета.

Както вече знаете, всички тела са изградени от молекули. Ако говорим за масата на молекулите и я изразим в грамове или килограми, тогава ще видим, че масата е много малка, но ако говорим за броя на молекулите, например, в един кубичен сантиметър от пространството около нас, тогава броят на тези молекули ще бъде огромен. Работата с много малки или много големи числа не е много удобна, но учените успяха да разберат как да изразят масата или размера на молекулите в не много големи наблюдавани числа, не повече от сто. Днес ще ви покажем как са успели да направят това.

Виждаме, че една тежест значително надвишава седем пластмасови топки. Опитът с везните ни дава отговора - в желязната тежест има повече вещество, това е ако сравним масите - мерките за инерция на желязото и пластмасата.

Но какво ще стане, ако сравним не масите, а количеството вещество, което е отишло за направата на топките и тежестите, всъщност броя на частиците, от които са съставени? Като вземем топките и тежестта в ръцете си, ще видим, че тежестта всъщност се губи на фона на тези топки. Ако можем да преброим броя на частиците, които са включени в желязото и пластмасата, тогава ще видим, че броят на железните атоми ще бъде значително по-малък от броя на молекулите във всички пластмасови топки. Това означава, че има повече вещество в пластмасата.

И двата отговора са верни.

Работата е там, че в първия случай сравнихме масата, тоест мярка за инерцията на телата, а във втория случай сравнихме броя на молекулите, количеството вещество.

Можем да направим проста аналогия със захарта в мерителна чаша. На въпроса колко захар има може да се отговори, като погледнете делението на чашата и приблизително кажете колко грама захар има. Можете да преброите всяко зърно в чашата и да отговорите колко от тях съдържа чашата. И първият, и вторият отговор ще бъдат верни. Кога е по-удобно да се говори за масата на молекулите и кога е по-удобно да се говори за количеството вещество? Именно това е темата на урока: „Маса на молекулите, Количество на веществото“.

През 19 век италианският учен Авогадро установява интересен факт: ако два различни газа, например водород и кислород, се намират в едни и същи съдове, при еднакви налягания и температури, то във всеки съд ще има еднакъв брой молекули , въпреки че масите на газовете могат да се различават много, в нашия пример - 16 пъти (фиг. 2).

ориз. 2. Експериментът на Авогадро ()

Всичко това означава, че някои свойства на тялото се определят именно от броя на молекулите, а не само от масата.

Какво разбираме под термина „количество вещество“? Всяко вещество се състои от молекули, атоми, йони - което означава, че под количеството вещество разбираме броя на молекулите.

Физическата величина, която определя броя на молекулите в дадено тяло, се нарича количество вещество. Означава се с гръцката буква ν - ну.

Съгласихме се да приемем като единица количество вещество количеството, което съдържа толкова частици (атоми, молекули), колкото има атоми в 0,012 kg (12 грама) въглероден изотоп с атомна маса 12.

Тази единица се нарича бенка.

От това определение следва, че в един мол от всяко вещество ще има същия брой молекули. Един мол от всяко вещество съдържа 6.02 10 23молекули или частици. Това количество се нарича Константата на Авогадро.

ориз. 3. Определяне на общия брой молекули ()

Тази формула ви позволява да разберете общия брой молекули за известно количество вещество.

Масата на молекулата е изключително малка. Физиците установиха това с помощта на така наречения масспектрограф. Например стойността на масата на водна молекула (фиг. 4):

ориз. 4. Определяне на масата на водна молекула ()

Както виждаме, точно както в случаите с количеството вещество, сравняването на масата на една молекула с еталон за маса, килограм, не е много удобно. Ако в случаите с количеството вещество числата са огромни, то в случаите с масата на молекулите числата са много малки. Ето защо като мерна единица за масата на молекула или атом е избрана специална извънсистемна единица - единица атомна маса. Ще сравним единица маса не със стандарт, а с масата на молекула на някакво вещество.

Това вещество стана най-често срещаният елемент в природата - въглеродът, който е включен във всички органични съединения. Единицата за атомна маса е равна на:

1 аму = 1/12 маса въглерод - 12 (изотоп с 12 нуклона)

1 аму = 1,66·10 -27 кг

Тъй като ще измерваме масата на молекулите в единици за атомна маса, стигаме до нова физическа величина - относителна молекулна маса.

Отношението на масата на молекула (атом) на дадено вещество към 1/12 от масата на въглероден атом се нарича относително молекулно тегло(или относителна атомна маса) в случай на атомна структура на вещество.

Формули, изразяващи това определение:

Относителното молекулно тегло е безразмерна величина, не се измерва в нищо. Нищо не ни пречи да продължим да измерваме масите на атомите и молекулите в килограми, когато ни е удобно. От курса по химия знаем, че: относителната молекулна маса на веществото е равна на сумата от относителните атомни маси на елементите, включени в него. Например, за водата H2O относителното молекулно тегло ще бъде:

Mr = 1 2 + 16 = 18

Сумата от относителните молекулни тегла на кислород (16) и два водорода (2.1) ще даде 18

Как да намерим общото между масата в килограми и количеството вещество в молове? Това количество е моларна маса.

Моларна масае масата на един мол вещество.

Означено [M], измерено в kg/mol.

Моларната маса е равна на съотношението на масата към количеството вещество:

Получаваме формули, които свързват различни характеристики на молекулите.

За да определим моларната маса на даден химичен елемент, нека се обърнем към периодичната таблица на химичните елементи на Менделеев - просто вземаме атомна маса А (броя нуклони на необходимия елемент) - това ще бъде неговата моларна маса, изразена в g/mol.

Например за алуминий (фиг. 5):

ориз. 5. Определяне на моларната маса на веществото ( )

Атомната маса на алуминия ще бъде 27, а моларната маса ще бъде 0,027 kg/mol.

Това се обяснява с факта, че моларната маса на въглерода е 12 g/mol по дефиниция, докато ядрото на въглеродния атом съдържа 12 нуклона - 6 протона и 6 неутрона, оказва се, че всеки нуклон допринася с 1 g/mol за моларна маса, така че моларната маса на химичен елемент с атомна маса A ще бъде равна на A g/mol.

Моларната маса на вещество, чиято молекула се състои от няколко атома, се получава чрез просто сумиране на моларните маси, например (фиг. 6):

ориз. 6. Моларна маса на въглероден диоксид ()

Трябва да сте особено внимателни с моларните маси на някои газове, като водороден газ, азот, кислород - тяхната молекула се състои от два атома - H 2, N 2, O 2, а хелият, който често се среща в задачи, е едноатомен и има молекулно тегло от 4 g/mol, предписано от периодичната таблица (фиг. 7).

ориз. 7. Моларни маси на някои газове ()

Един мол от всяко вещество съдържа броя на молекулите на Авогадро, което означава, че ако умножим числото на Авогадро (броя на молекулите в един мол) по масата на една молекула m0, тогава получаваме моларната маса на веществото, т.е. , масата на един мол от веществото:

M = m 0 N A

Ако 25 ученика учат в класна стая с площ 50 m2, тогава за всеки ученик има 2 m2. Когато отидат във фитнес зала с площ от 500 m2, всеки ученик вече ще има 20 m2. Броят на студентите не се е променил, но те са станали по-малко разпределени, в този случай те казват: концентрацията на хора е намаляла. По същия начин понятието концентрация се въвежда за молекулите в молекулярно-кинетичната теория.

Концентрация(n) е броят на молекулите на единица обем на веществото. Тя е равна на отношението на броя на молекулите към обема:

Формули, свързващи концентрацията с други характеристики на молекулите:

Използвайки тези формули, можем да сравняваме веществата както по броя на молекулите, така и по масата.

Получихме всичко необходимо за изграждане на молекулярно-кинетична теория, което ще направим в следващите уроци.

Референции

1. Тихомирова С.А., Яворски Б.М. Физика (основно ниво) - М.: Мнемозина, 2012.
2. Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Физика 10 клас. - М.: Мнемозина, 2014.
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика - 9, Москва, Образование, 1990г.

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

домашна работа

1. Определете количеството на веществото.
2. Назовете мерната единица за масата на молекула или атом.
3. Определете относителното молекулно тегло.