Маса та розмір молекул

Багато дослідів показують, що розмір молекули дуже малий. Лінійний розмір молекули або атома можна знайти різними способами. Наприклад, за допомогою електронного мікроскопа, отримані фотографії деяких великих молекул, а з допомогою іонного проектора (іонного мікроскопа) можна не тільки вивчити будову кристалів, але визначити відстань між окремими атомами в молекулі.

Використовуючи досягнення сучасної експериментальної техніки, вдалося визначити лінійні розміри простих атомів і молекул, які складають близько 10-8 см. Лінійні розміри складних атомів і молекул набагато більші. Наприклад, розмір молекули білка становить 43*10-8 см.

Для характеристики атомів використовують уявлення про атомні радіуси, які дають можливість наближено оцінити міжатомні відстані в молекулах, рідинах або твердих тілах, так як атоми за своїми розмірами не мають чітких кордонів. Тобто атомний радіус – це сфера, в якій міститься основна частина електронної щільності атома (не менше 90…95%).

Розмір молекули настільки малий, що уявити його можна тільки за допомогою порівнянь. Наприклад, молекула води у стільки разів менше великого яблука, в скільки разів яблуко менше земної кулі.

Моль речовини

Маси окремих молекул і атомів дуже малі, тому в розрахунках зручніше використовувати не абсолютні значення мас, а відносні.

Відносна молекулярна маса (або відносна атомна маса) речовини Мr – це відношення маси молекули (або атома) даної речовини до 1/12 маси атома вуглецю.

Мr = (m0) : (m0C / 12)

де m0 – маса молекули (або атома) даної речовини, m0C – маса атома вуглецю.

Відносна молекулярна (або атомна) маса речовини показує, у скільки разів маса молекули речовини більше 1/12 маси ізотопу вуглецю С12. Відносна молекулярна (атомна) маса виражається в атомних одиницях маси.

Атомна одиниця маси – це 1/12 маси ізотопу вуглецю С12. Точні виміри показали, що атомна одиниця маси становить 1,660*10-27 кг, тобто

1 а.о.м. = 1,660 * 10-27 кг

Відносна молекулярна маса речовини може бути обчислена шляхом додавання відносних атомних мас елементів, що входять до складу молекули речовини. Відносна атомна маса хімічних елементів вказана в періодичній системі хімічних елементів Менделєєва Д. І.

У періодичній системі Менделєєва Д. І. для кожного елемента зазначена атомна маса, яка вимірюється в атомних одиницях маси (а.о.м.). Наприклад, атомна маса магнію дорівнює 24,305 а.о.м., тобто магній в два рази важче вуглецю, так як атомна маса вуглецю дорівнює 12.о.м. (це випливає з того, що 1 а.о.м. = 1/12 маси ізотопу вуглецю, який становить більшу частину атома вуглецю).

Навіщо вимірювати масу молекул і атомів в а.о.м., якщо є грами і кілограми? Звичайно, можна використовувати і ці одиниці виміру, але це буде дуже незручно для запису (занадто багато чисел доведеться використовувати для того, щоб записати масу). Щоб знайти масу елемента в кілограмах, потрібно атомну масу елемента помножити на 1 а.о.м.
Атомна маса знаходиться по таблиці Менделєєва (записана праворуч від буквеного позначення елемента). Наприклад, вага атома магнію в кілограмах буде:

m0Mg = 24,305 * 1 a.о.м. = 24,305 * 1,660 * 10-27 = 40,3463 * 10-27 кг

Масу молекули можна обчислити шляхом додавання мас елементів, які входять в склад молекули.
Наприклад, маса молекули води (Н2О) буде дорівнює:

m0Н2О = 2 * m0H + m0O = 2 * 1,00794 + 15,9994 = 18,0153 a.e.м. = 29,905 * 10-27 кг

Кількість речовини прийнято вважати пропорційним числу частинок. Кількість речовини – це фізична величина, що характеризує відносне число молекул і атомів у тілі. Одиниця кількості речовини називається
молем (моль).

Моль дорівнює кількості речовини системи, в якій міститься стільки ж молекул, скільки міститься атомів у 0,012 кг вуглецю С12. Тобто, якщо у нас є система з якою-небудь речовиною, і в цій системі стільки ж молекул цієї речовини, скільки атомів у 0,012 кг вуглецю, то ми можемо сказати, що в цій системі у нас 1 моль речовини.

Постійна Авогадро

Кількість речовини ν дорівнює відношенню числа молекул в даному тілі до числа атомів у 0,012 кг вуглецю, тобто кількості молекул в 1 молі речовини.

ν = N / NA

де N – кількість молекул в даному тілі, NA – кількість молекул в 1 молі речовини, з якої складається тіло. NA – це постійна Авогадро. Кількість речовини вимірюється в молях.

Постійна Авогадро – це кількість молекул або атомів в 1 молі речовини. Ця постійна отримала свою назву в честь італійського хіміка і фізика Амедео Авогадро (1776 – 1856).

В 1 молі будь-якої речовини міститься однакова кількість частинок.

NA = 6,02 * 1023 моль-1

Молярна маса – це маса речовини, взятої у кількості одного моля:

μ = m0 * NA

де m0 – маса молекули.

Молярна маса виражається в кілограмах на моль (кг/моль = кг*моль-1).

Молярна маса пов’язана з відносною молекулярною масою співвідношенням:

μ = 10-3 * Mr [кг*моль-1]

Маса будь-якої кількості речовини m дорівнює добутку маси однієї молекули m0 на кількість молекул:

m = m0N = m0NAν = μν

Кількість речовини дорівнює відношенню маси речовини до її молярної маси:

ν = m / μ

Масу однієї молекули речовини можна знайти, якщо відомі молярна маса і постійна Авогадро:

m0 = m / N = m / νNA = μ / NA

Більш точне визначення маси атомів і молекул досягається при використанні мас-спректрометра – приладу, в якому відбувається поділ пучком заряджених частинок у просторі залежно від їх маси заряду за допомогою електричних
і магнітних полів.

Для прикладу знайдемо молярную масу атома магнію. Як ми з’ясували вище, маса атома магнію дорівнює

m0Mg = 40,3463 * 10-27 кг. Тоді молярна маса буде:

μ = m0Mg * NA = 40,3463 * 10-27 * 6,02 * 1023 = 2,4288 * 10-2 кг/моль

Тобто в одному молі «поміщається» 2,4288 * 10-2 кг магнію. Ну або приблизно 24,28 грам.

Як бачимо, молярна маса (в грамах) практично дорівнює атомній масі, зазначеного елемента в таблиці Менделєєва. Тому коли вказують атомну масу, то зазвичай роблять так:

Атомна маса магнію дорівнює 24,305 а.о.м. (г/моль).