Моль. Молярная масса. Закон Авогадро

В качестве единицы количества вещества в химии используют моль. Моль – количество вещества, содержащее столько структурных единиц (атомов, молекул, ионов и др.), сколько содержится атомов в 0,012 кг изотопа углерода ¹²С. Это число точно определено, составляет 6,02^.10²³ моль^-1 и носит название постоянная Авогадро. Обозначается количество вещества символом n_B; например, n_CaO= 2 моль, т.е. количество вещества оксида кальция равно 2 моль, т.е. содержит 2• 6,02^.10²³=12,04^.10²³ формульных единиц СаО.

Массу одного моля вещества В называют молярной массой ( обозначение М_В). Единицами измерения молярной массы являются г/моль и кг/моль.

Вещество может быть также охарактеризовано относительной молекулярной массой, равной массе молекулы или иной структурной единицы вещества, отнесенной к 1/12 массы одного атома изотопа углерода ¹²С (обозначение M_r(B)). Относительная молекулярная масса является величиной безразмерной. Относительные молекулярные массы элементов, называемые обычно относительными атомными массами (А_r(B)), приведены в ПСЭМ. Относительные атомные массы наиболее употребительных элементов необходимо запомнить (табл. 1.2).

Молярная масса вещества В (символ M_B, единица – кг/моль) – это масса вещества В (m_B), деленная на количество вещества n_B, или это масса 1 моль вещества (6,02^.10²³ формульных единиц вещества (атомов, молекул, ионов, электронов и т.д.)). Молярная масса вещества (М_В) численно равна относительной молекулярной массе, например: относительная молекулярная масса натрия M_r(Na)=22,98977, а молярная масса натрия равна М_Na=22,98977 г/моль. Относительные атомные массы элементов используют для вычисления молярных масс соединений.

Таблица 1.2. Округленные значения относительных атомных масс некоторых элементов

Пример 1.1. Найти молярную массу серной кислоты (H₂SO₄).

Решение. Молярная масса серной кислоты численно равна сумме двух относительных атомных масс водорода, одной относительной атомной массы серы и четырех относительных атомных масс кислорода и измеряется в граммах на моль (г/моль):

Количество вещества равно отношению массы вещества, выраженной в граммах или килограммах, к молярной массе вещества:

(1.1)

Пример 1.2. Найти количество вещества серной кислоты, если масса серной кислоты составляет 500 г.

Решение.

Согласно закону Авогадро в равных объемах любых газов при одинаковых давлении и температуре содержится одинаковое число молекул. Из закона Авогадро следует, что при температуре 273,15 К (0 ^оС) и давлении 101325 Па (нормальные условия, н.у.) 1 моль любого газа занимает объем 22,4 дм³ (л). Эта величина носит название молярный объем (V_B). Объем газа, находящегося при произвольных условиях, может быть приведен к нормальным условиям с использованием формулы Менделеева–Клапейрона

(1.2)

где р – давление газа; V – объем газа; m_B – масса газа; М_В – молярная масса газа; Т – температура в градусах термодинамической шкалы Кельвина (К); R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль•К), или (л • кПа)/(моль • К) в СИ, или 0,08206 (л • атм)/(моль • К), если давление выражено в атмосферах, или 62,36 (л • мм рт. ст.)/(моль • К), если давление выражено в мм ртутного столба.

При решении задач возможно использование округлённых значений температуры 273 К и давления 10⁵ Па, соответствующих нормальным условиям, а также значения универсальной газовой постоянной 8,3 Дж/(моль • К),

Пример 1.3. Найти количество вещества углекислого газа, если его объем при нормальных условиях составляет 5 дм³.

Решение. Составим пропорцию:

1 моль газа занимает объем 22,4 л,

х моль газа занимает объем 5 л.

;

Постоянная Авогадро может быть использована для нахождения числа формульных единиц вещества*, числа атомов и т.п.

Пример 1.4. Найти число формульных единиц серной кислоты, число атомов водорода, серы и кислорода, содержащихся в 1000 г H₂SO₄.

Решение. Найдем количество вещества серной кислоты, используя формулу (1.1):

Составим пропорцию:

1 моль кислоты содержит 6,02^.10²³ формульных единиц H₂SO₄,

10,2 моль - “ - - “- х - “- - “-.

H₂SO₄.

* Термин «формульная единица» может быть использован в тех случаях, когда термин «молекула» не соответствует реальным структурным единицам вещества. Так, в кристаллическом хлориде натрия невозможно выделить отдельные молекулы NaCl. Поэтому вместо термина «молекула NaCl» правильнее использовать термин «формульная единица NaCl» как отражающий состав соединения. Это применимо и к серной кислоте.

Одна формульная единица серной кислоты содержит 2 атома водорода, следовательно, 1000 г, или 10,2 моль, серной кислоты содержат 2 • 6,14^.10²⁴=1,228 • 10²⁵ атомов водорода. Соответственно число атомов серы и кислорода составит 1 • 6,14 • 10²⁴=6,14^.10²⁴ атомов серы и 4 • 6,14 • 10²⁴=2,456 • 10²⁵ атомов кислорода.

Химические формулы

Химические формулы выражают количественный и качественный состав соединения и одновременно обозначают массу, соответствующую 1 моль вещества. Например, формула азотной кислоты HNO₃ означает: 1) это вещество образовано 1 атомом водорода, 1 атомом азота и 3 атомами кислорода или одним ионом водорода (Н⁺) и одним нитрат-ионом ( ); 2) на 1 массовую часть водорода в азотной кислоте приходится 14 массовых частей азота и 48 массовых частей кислорода; 3) масса 1 моль азотной кислоты равна 63г; 4) количество вещества азотной кислоты равно 1 моль; 5) 6,02 • 10²³ формульных единиц азотной кислоты содержится в 1 моль этого вещества. Химические формулы используются для разнообразных расчётов.

Пример 1.5. Найти процентное содержание кальция, водорода и кислорода в гидроксиде кальция Са(OН)₂.

Решение. Найдем молярную массу гидроксида кальция. Для этого в таблице ПСЭМ найдем относительные атомные массы кальция, кислорода и водорода и подставим их в формулу:

Можно также воспользоваться более удобной формулой:

Для нахождения процентного содержания кальция составим пропорцию:

74 г Са(OН)₂ содержат 40 г кальция,

100 г - “ - - “ - х г - “ –.

Следовательно, процентное содержание кальция в Са(OН)₂ составит:

Аналогично находим процентное содержание водорода и кислорода:

74 г Са(OН)₂ содержат 2 г водорода,

100 г - “ - - “ - х г - “ –,

;

74 г Са(OН)₂ содержат 32 г кислорода,

100 г - “ - - “ - х г - “ –,

Проверим правильность вычислений. Суммарное содержание всех трех элементов в гидроксиде кальция составляет:

54,05+2,70+43,24=99,99 %.

Отклонение полученной величины от 100 % на 0,01% связано с округлением результатов.

Пример 1.6. Найти массу одной формульной единицы (молекулы) хлорида натрия (поваренной соли).

Решение.

1 моль NaCl содержит 6,02 • 10²³ формульных единиц (молекул). Молярная масса хлорида натрия составляет

Составим пропорцию:

масса 6,02 • 10²³ молекул NaCl составляет 58,5 г,

масса 1 - “ - - “ - - “ - - “ - х г,

Пример 1.7. Найти простейшую формулу соединения, содержащего (по массе) 40 % углерода, 6,7 % водорода, 53,3 % кислорода, если плотность его паров по водороду составляет 15.

Решение. Обозначим числа атомов углерода, водорода и кислорода в простейшей формуле соединения через x, y и z. Молекулярные массы этих элементов равны 12, 1 и 16. Поэтому массы углерода, водорода и кислорода в составе соединения относятся как 12x:1y:16z. По условиям задачи это отношение равно 40:6,7:53,3. Следовательно,

12x:y:16z=40:6,7:53,3,

откуда

Чтобы выразить полученное отношение целыми числами, разделим его члены на меньшее из них:

Таким образом, простейшая формула соединения – СН₂О. Относительная молекулярная масса соединения М_r=12+2+16=30. Относительная молекулярная масса, определенная по относительной плотности, составляет

М = 2^.15=30.

Следовательно, простейшая и истинная формулы соединения совпадают.

Отметим, что простейшие и истинные формулы веществ совпадают далеко не всегда. Например, простейшая формула глюкозы имеет вид СН₂О, а истинная – С₆Н₁₂О₆. Следовательно, простейшая формула отражает только соотношение числа атомов элементов в молекуле (формульной единице), но не число этих атомов в молекуле. Для определения истинной формулы помимо простейшей формулы обязательно определение молярной массы соединения.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: