Что такое моль в химии. Атомная единица массы. Число Авогадро

Моль - одно из важнейших понятий в химии, - это, своего рода, звено для перехода из микромира атомов и молекул в обычный макромир граммов и килограммов.

В химии часто приходится считать большие количества атомов и молекул. Для быстрого и эффективного подсчета принято пользоваться методом взвешивания. Но при этом надо знать, вес отдельных атомов и молекул. Для того, чтобы узнать молекулярную массу надо сложить массу всех атомов, входящих в соединение.

Возьмем молекулу воды H 2 O, которая состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Из периодической таблицы Менделеева узнаем, что один атом водорода весит 1,0079 а.е.м. ; один атом кислорода - 15,999 а.е.м. Теперь, чтобы вычислить молекулярную массу воды, надо сложить атомные массы компонентов молекулы воды:

H 2 O = 2·1,0079 + 1·15,999 = 18,015 а.е.м.

Например, для сульфата аммония молекулярная масса будет равна:

Al 2 (SO 4) 3 = 2·26,982 + 3·32,066 + 12·15,999 = 315, 168 а.е.м.

Вернемся опять к повседневной жизни, в которой мы привыкли пользоваться такими понятиями, как пара, десяток, дюжина, сотня. Все это своеобразные единицы измерения определенных объектов: пара ботинок, десяток яиц, сотня скрепок. Подобной единицей измерения в химии является МОЛЬ .

Современная наука с высокой точностью определила число структурных единиц (молекулы, атомы, ионы…), которые содержатся в 1 моле вещества - это 6,022·10 23 - постоянная Авогадро , или число Авогадро .

Все вышесказанное о моле относится к микромиру. Теперь надо увязать понятие моля с повседневным макромиром.

Весь нюанс состоит в том, что в 12 граммах изотопа углерода 12 C содержится 6,022·10 23 атомов углерода, или ровно 1 моль. Таким образом, для любого другого элемента моль выражается количеством граммов, равным атомной массе элемента. Для химических соединений моль выражается количеством граммов, равным молекулярной массе соединения.

Чуть ранее мы выяснили, что молекулярная масса воды равна 18,015 а.е.м. С учетом полученных знаний о моле, можно сказать, что масса 1 моля воды = 18,015 г (т.к., моль соединения - это количество граммов, равных его молекулярной массе). Другими словами, можно сказать, что в 18,015 г воды содержится 6,022·10 23 молекул H 2 O, или 1 моль воды = 1 моль кислорода + 2 моля водорода.

Из приведенного примера понятна связь микромира и макромира через моль:

• n - кол-во вещества, моль;
• N - кол-во частиц;
• N A - число Авогадро, моль -1

Приведем несколько практических примеров использования моля:

Задача №1: Сколько молекул воды содержится в 16,5 молях H 2 O?

Решение: 16,5·6,022·10 23 = 9,93·10 24 молекул.

Задача №2: Сколько молей содержится в 100 граммах H 2 O?

Решение: (100 г/1)·(1 моль/18,015 г) = 5,56 моль.

Задача №3: Сколько молекул содержит 5 г диоксида углерода?

Решение:

1. Определяем молекулярную массу CO 2: CO 2 = 1·12,011 + 2·15,999 = 44,01 г/моль
2. Находим число молекул: (5г/1)·(1моль/44,01г)·(6,022·10 23 /1моль) = 6,84·10 22 молекул CO 2

За единицу количества вещества принят моль – количество вещества, содержащее столько же структурных единиц (атомов, ионов, молекул и др.), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода 12 С. Число частиц, содержащиеся в одном моле вещества, называют числом Авогадро (Постоянной Авагадро) N A . Это одна из универсальных постоянных, которая не зависит от природы вещества и внешних условий.

N A ≈ 6,022 . 10 23 моль -1 (60 способов определения).

Количество вещества, выраженное в молях, связано с его массой величиной, называемой молярной массой вещества.

Молярная масса численно равна молекулярной:

Кислород (О 2)– относительная молекулярная масса 32 у.е. и молярная масса – 32 г/моль. Зная постоянную Авогадро, можно найти абсолютное значение массы любого атома (молекулы) и оценить размеры атомов.

Массу атома (молекулы) m находят делением молярной массы М на постоянную Авагадро:

Молярный объем - это объем 1 моля вещества, выражается в л/моль.

Для определения мольного объема газов используется закон Авагадро: равные объемы всех газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержат одинаковое число молекул.

Следствия закона Авагадро:

1) При одинаковых температуре и давлении 1 моль любого вещества в газообразном состоянии занимает один и тот же объем.

2) 1 моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22.4 л.

нормальные условия: н.у. 1атм= 101325 Па= 760 мм рт.ст. и 0 0 С.

Для определения молярной (молекулярной) массы газообразных веществ можно использовать объединенный газовый закон (закон Менделеева-Клапейрона):

,где

Р - давление, Па;

V - объем, м 3 ;

m - масса, г;

Т - температура, К;

М - молярная масса, г/моль;

R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль∙К

Для определения молекулярной массы газообразных веществ можно использовать также данные об относительной плотности газа.

Относительная плотность одного газа по другому (D ) - это отношение массы данного газа к массе того же объема другого газа, взятого при той же температуре и том же давлении.

Например, масса 1 л углекислого газа (СО 2) равна 1,98 г, при тех же условиях масса 1 л водорода (Н 2) равна 0,09 г. Следовательно, плотность углекислого газа по водороду составляет: 1,98: 0.09 =22

, где

m 1 , m 2 - массы 1 и 2-го газов, г;

М 1 , М 2 - молярные (молекулярные) массы 1 и 2 -го газов.

Сложнее определить размер атомов. Размер атома можно определить только условно. Для кристаллических простых веществ за радиус атома принимают половину расстояния между центрами соседних атомов. Эту величину можно найти, зная плотность вещества и постоянную Авагадро. Если разделить объем занимаемый одним молем твердого простого вещества V m (молярный объем) на постоянную Авагадро, то найдем объем V , приходящийся на один атом. Этот атом приблизительно можно рассматривать как шар, вписанный в куб объемом V , тогда радиус атома r выражается уравнением

Аналогично выражается радиус молекулы.

Для точного расчета размеров атомов необходимо знать их расположение в кристаллах твердых веществ. Установлено, что многие простые вещества имеют структуру аналогичную плотнейшей упаковке шаров. В такой упаковке на долю самих шаров приходится 74,05% от занимаемого объема.

Точное значение радиуса атома:

Радиусы атомов имеет значение порядка 100 пм.

С понятием "моль" сталкивается каждый школьник, который начинает изучать химию. С более сложными понятиями, такими как концентрация, молярность растворителя, тяжело разобраться, не зная, что такое моль. Можно сделать вывод, что моль - одно из важнейших понятий в химии. Многие задачи нельзя решить, не определив количество молей.

Определение

Так что такое моль в химии? Пояснение дать довольно просто: это единица, в которой выражается количество вещества, одна из единиц СИ. Определение того, что такое моль в химии, можно сформулировать и таким образом: 1 моль эквивалентен содержится структурных частиц в 12 г карбона-12.

Как было установлено, в 12 г этого изотопа содержится количество атомов, численно равное постоянной Авогадро.

Происхождение понятия

Немного разобравшись с тем, что такое моль в химии с помощью определений, обратимся к истории этого понятия. Как принято считать, термин "моль" ввел немецкий химик Вильгельм Освальд, получивший Нобелевскую премию в 1909 году. Слово "моль", очевидно, происходит от слова "молекула".

Интересный факт - гипотеза Авогадро о том, что при одинаковых условиях в одинаковых объемах разных газов содержится одно и то же количество вещества, было выдвинута задолго до Освальда, да и сама константа была подсчитана Авогадро еще в начале XIX века. То есть хоть понятия "моль" и не существовало, само представление о количестве вещества уже было.

Основные формулы

Количество вещества находится по-разному, в зависимости от данных задачи. Такой вид имеет самая распространенная формула, в которой эта величина выражается отношением массы к молярной массе:

Стоит сказать, что количество вещества - величина аддитивная. То есть, чтобы посчитать значение этой величины для смеси, нужно сначала определить количество вещества для каждого ее элемента и сложить их.

Другая формула применяется, если известно количество частиц:

Если в задаче указано, что процесс происходит при нормальных условиях, можно воспользоваться следующим правилом: при нормальных условиях любой газ занимает инвариантный объем - 22,4 л. Тогда можно воспользоваться следующим выражением:

Количество вещества выражается из уравнения Клапейрона:

Знание того, что такое моль в химии и основных формул для определения количества молей вещества, дает возможность значительно быстрее решать многие задачи. Если известно количество вещества, можно найти массу, объем, плотность и другие параметры.

Понятие моль используют для измерения химических веществ. Выясним особенности этой величины, приведем примеры расчетных заданий с ее участием, определим важность данного термина.

Определение

Моль в химии - это единица вычисления. Она представляет собой количество определенного вещества, в котором находится столько структурных единиц (атомов, молекул), сколько содержится в 12 граммах атома углерода.

Число Авогадро

Количество вещества связано с числом Авогадро, которое составляет 6*10^23 1/моль. Для веществ молекулярного строения считают, что один моль включает именно число Авогадро. Если нужно посчитать число молекул, содержащееся в 2 молях воды, то необходимо умножить 6*10^23 на 2 , получаем 12*10^23 штук. Давайте рассмотрим, какую роль играет моль в химии.

Количество вещества

Вещество, которое состоит из атомов, содержит число Авогадро. Например, для атома натрия это 6*10*23 1/моль. Каково его обозначение? Моль в химии обозначают греческой буквой «ню» или латинской «n». Для проведения математических вычислений, связанных с количеством вещества, используют математическую формулу:

n=N/N(A), где n - количество вещества, N(A) - число Авогадро, N - количество структурных частиц вещества.

При необходимости можно вычислить число атомов (молекул):

Фактическая масса моля называется молярной. Если количество вещества определяют в молях, то величина молярной массы имеет единицы измерения г/моль. В численном выражении она соответствует значению относительной молекулярной массы, которую можно определить путем суммирования относительных атомных масс отдельных элементов.

Например, для того чтобы определить молярную массу молекулы углекислого газа, необходимо провести следующие расчеты:

M (CO2)=Ar(C)+2Ar(O)=12+2*16=44

При вычислении молярной массы оксида натрия получаем:

M (Na2O)=2*Ar(Na)+Ar(O)=2*23+16=62

При определении молярной массы серной кислоты суммируем две относительные атомные массы водорода с одной атомной массой серы и четырьмя относительными атомными массами кислорода. Их значения всегда можно найти в периодической таблице Менделеева. В итоге получаем 98.

Моль в химии позволяет проводить разнообразные расчеты, связанные с химическими уравнениями. Все типовые расчетные задачи в неорганической и органической химии, которые предполагают нахождение массы и объема веществ, решаются именно через моли.

Примеры расчетных задач

Молекулярная формула любого вещества указывает на количество молей каждого элемента, включенного в его состав. Например, один моль фосфорной кислоты содержит три моля атомов водорода, один моль атомов фосфора и четыре моля атомов кислорода. Все достаточно просто. Моль в химии является переходом из микромира молекул и атомов в макросистему с килограммами и граммами.

Задача 1. Определите число молекул воды, содержащихся в 16,5 молях.

Для решения используем связь между числом Авогадро (количество вещества). Получаем:

16,5*6,022*1023 = 9,9*1024 молекул.

Задача 2. Рассчитайте число молекул, содержащихся в 5 г углекислого газа.

Сначала необходимо вычислить молярную массу данного вещества, воспользовавшись ее связью с относительной молекулярной массой. Получаем:

N=5/44*6,023*1023=6,8*1023 молекул.

Алгоритм задач на химическое уравнение

При вычислении массы или продуктов реакции по уравнению используют определенный алгоритм действий. Сначала определяют, какое из исходных веществ в недостатке. Для этого находят их количество в молях. Далее составляют уравнение процесса, обязательно расставляют стереохимические коэффициенты. Над веществами записывают исходные данные, под ними указывают количество вещества, взятое в молях (по коэффициенту). В случае необходимости осуществляют перевод единиц измерения, пользуясь формулами. Далее составляют пропорцию и решают ее математическим способом.

Если предлагается более сложная задача, то предварительно вычисляют массу чистого вещества, убирая примеси, потом уже приступают к определению его количества (в молях). Ни одна задача в химии, связанная с уравнением реакции, не решается без такой величины, как моль. Кроме того с помощью данного термина, легко можно определить количество молекул или атомов, воспользовавшись для таких вычислений постоянным числом Авогадро. Расчетные задания включены в тестовые вопросы по химии для выпускников основной и средней общеобразовательной школы.

Моль – количество вещества, которое содержит столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в 12 г 12 С, причем структурными элементами обычно являются атомы, молекулы, ионы и др. Масса 1 моль вещества, выраженная в граммах, численно равна его мол. массе. Так, 1 моль натрия имеет массу 22,9898 г и содержит 6,02·10 23 атомов; 1 моль фторида кальция CaF 2 имеет массу (40,08 + 2·18,998) = 78,076 г и содержит 6,02·10 23 молекул, как и 1 моль тетрахлорида углерода CCl 4 , масса которого равна (12,011 + 4·35,453) = 153,823 г и т.п.

Закон Авогадро.

На заре развития атомной теории (1811) А.Авогадро выдвинул гипотезу, согласно которой при одинаковых температуре и давлении в равных объемах идеальных газов содержится одинаковое число молекул. Позже было показано, что эта гипотеза есть необходимое следствие кинетической теории, и сейчас она известна как закон Авогадро. Его можно сформулировать так: один моль любого газа при одинаковых температуре и давлении занимает один и тот же объем, при стандартных температуре и давлении (0° С, 1,01Ч10 5 Па) равный 22,41383 л. Эта величина известна как молярный объем газа.

Сам Авогадро не делал оценок числа молекул в заданном объеме, но понимал, что это очень большая величина. Первую попытку найти число молекул, занимающих данный объем, предпринял в 1865 Й.Лошмидт; было установлено, что в 1 см 3 идеального газа при нормальных (стандартных) условиях содержится 2,68675Ч10 19 молекул. По имени этого ученого указанная величина была названа числом (или постоянной) Лошмидта. С тех пор было разработано большое число независимых методов определения числа Авогадро. Превосходное совпадение полученных значений является убедительным свидетельством реального существования молекул.

Метод Лошмидта

представляет только исторический интерес. Он основан на предположении, что сжиженный газ состоит из плотноупакованных сферических молекул. Измеряя объем жидкости, которая образовалась из данного объема газа, и зная приблизительно объем молекул газа (этот объем можно было представить исходя из некоторых свойств газа, например вязкости), Лошмидт получил оценку числа Авогадро ~10 22 .

Определение, основанное на измерении заряда электрона.

Единица количества электричества, известная как число Фарадея F , – это заряд, переносимый одним молем электронов, т.е. F = Ne , где е – заряд электрона, N – число электронов в 1 моль электронов (т.е. число Авогадро). Число Фарадея можно определить, измеряя количество электричества, необходимое для растворения или осаждения 1 моль серебра. Тщательные измерения, выполненные Национальным бюро стандартов США, дали значение F = 96490,0 Кл, а заряд электрона, измеренный разными методами (в частности, в опытах Р.Милликена), равен 1,602Ч10 –19 Кл. Отсюда можно найти N . Этот метод определения числа Авогадро, по-видимому, является одним из самых точных.

Эксперименты Перрена.

Исходя из кинетической теории, было получено включающее число Авогадро выражение, описывающее уменьшение плотности газа (например, воздуха) с высотой столба этого газа. Если бы удалось подсчитать число молекул в 1 см 3 газа на двух разных высотах, то, воспользовавшись указанным выражением, мы могли бы найти N . К сожалению, сделать это невозможно, поскольку молекулы невидимы. Однако в 1910 Ж.Перрен показал, что упомянутое выражение справедливо и для суспензий коллоидных частиц, которые видны в микроскопе. Подсчет числа частиц, находящихся на разной высоте в столбе суспензии, дал число Авогадро 6,82Ч10 23 . Из другой серии экспериментов, в которых измерялось среднеквадратичное смещение коллоидных частиц в результате их броуновского движения, Перрен получил значение N = 6,86Ч10 23 . В дальнейшем другие исследователи повторили некоторые из экспериментов Перрена и получили значения, хорошо согласующиеся с ныне принятыми. Следует отметить, что эксперименты Перрена стали поворотным моментом в отношении ученых к атомной теории вещества – ранее некоторые ученые рассматривали ее как гипотезу. В.Оствальд, выдающийся химик того времени, так выразил это изменение во взглядах: «Соответствие броуновского движения требованиям кинетической гипотезы... заставило даже наиболее пессимистично настроенных ученых говорить об экспериментальном доказательстве атомной теории».

Расчеты с использованием числа Авогадро.

С помощью числа Авогадро были получены точные значения массы атомов и молекул многих веществ: натрия, 3,819Ч10 –23 г (22,9898 г/6,02Ч10 23), тетрахлорида углерода, 25,54Ч10 –23 г и т.д. Можно также показать, что в 1 г натрия должно содержаться примерно 3Ч10 22 атомов этого элемента.
См. также