Атомная единица массы. Число Авогадро

Вещество состоит из молекул. Под молекулой мы будем понимать наименьшую частицу данного вещества, сохраняющую химические свойства данного вещества.

Читатель: А в каких единицах измеряется масса молекул?

Автор: Массу молекулы можно измерять в любых единицах массы, например в тоннах, но поскольку массы молекул очень малы: ~10^–23 г, то для удобства ввели специальную единицу – атомную единицу массы (а.е.м.).

Атомной единицей массы называется величина, равная -й массы атома углерода ₆С¹².

Запись ₆С¹² означает: атом углерода, имеющий массу 12 а.е.м. и заряд ядра – 6 элементарных зарядов. Аналогично, ₉₂U²³⁵ – атом урана массой 235 а.е.м. и зарядом ядра 92 элементарных заряда, ₈О¹⁶ – атом кислорода массой 16 а.е.м и зарядом ядра 8 элементарных зарядов и т.д.

Читатель: Почему в качестве атомной единицы массывзяли именно (а не или ) часть массы атома и именно углерода, а не кислорода или плутония?

Автор: Атом углерода ₆С¹² состоит из 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов. Масса протона приблизительно равна массе нейтрона, а масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона. Поэтому

1 а.е.м. =

Экспериментально установлено, что 1 г » 6,02×10²³ а.е.м.

Число, показывающее, во сколько раз масса 1 г больше 1 а.е.м, называется числом Авогадро: N_A = 6,02×10²³.

Отсюда

N_А × (1 а.е.м) = 1 г. (5.1)

Пренебрегая массой электронов и различием в массах протона и нейтрона, можно сказать, что число Авогадро приблизительно показывает, сколько надо взять протонов (или, что почти то же самое, атомов водорода), чтобы образовалась масса в 1 г (рис. 5.1).

Моль

Масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы, называется относительной молекулярной массой.

Обозначается М_r­ (r – от relative – относительный), например:

= 12 а.е.м, = 235 а.е.м.

Порция вещества, которая содержит столько же граммов данного вещества, сколько атомных единиц массы содержит молекула данного вещества, называется молем(1 моль).

Например: 1) относительная молекулярная масса водорода Н₂: , следовательно, 1 моль водорода имеет массу 2 г;

2) относительная молекулярная масса углекислого газа СО₂:

12 а.е.м. + 2×16 а.е.м. = 44 а.е.м.

следовательно, 1 моль СО₂ имеет массу 44 г.

Утверждение. Один моль любого вещества содержит одно и то же число молекул: N_А = 6,02×10²³ шт.

Доказательство. Пусть относительная молекулярная масса вещества М_r (а.е.м.) = М_r × (1 а.е.м.). Тогда согласно определению 1 моль данного вещества имеет массу М_r (г) = М_r×(1 г). Пусть N – число молекул в одном моле, тогда

N×(масса одной молекулы) = (масса одного моля),

отсюда

.

Моль – основная единица измерения в СИ.

Замечание. Моль можно определить иначе: 1 моль – это N_А = = 6,02×10²³ молекул данного вещества. Тогда легко понять, что масса 1 моля равна М_r (г). Действительно, одна молекула имеет массу М_r (а.е.м.), т.е.

(масса одной молекулы) = М_r × (1 а.е.м.),

(масса одного моля) = N_А ×(масса одной молекулы) =

= N_А × М_r × (1 а.е.м.) = .

Масса 1 моля называется молярной массой данного вещества.

Читатель: Если взять массу т некоторого вещества, молярная масса которого равна m, то сколько это будет молей?

Автор: Подсчитаем:

.

Запомним:

. (5.2)

Читатель: А в каких единицах в системе СИ следует измерять m?

Автор: Посмотрим: [m] = 1 кг , [n] = 1 моль, тогда

, [m] = кг/моль.

Например, молярная масса водорода

= 2 г/моль = 0,002 кг/моль;

молярная масса углекислого газа

44 г/моль = 0,044 кг/моль

и т.д.

Закон Авогадро

Экспериментально установлено, что при нормальных условиях (Т₀ = 273 К, р₀ = 760 мм рт. ст.) 1 моль любого газа занимает одинаковый объем, равный 22,4 л (22,4×10^–3 м³).

Напомним, что 760 мм рт. ст. = 1 атм » 1,013×10⁵ Па.

Молярный объем

Физическая величина, равная отношению объема, занятого газом, к числу молей данного газа, называется молярным объемом газа:

. (5.3)

Единица измерения молярного объема

.

Объем газа можно выразить через молярный объем:

V = nV_m. (5.4)