"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Вещество состоит из частиц, а многие вещества — из молекул, образованных атомами. Молекулярная структура помогает объяснить свойства тел: почему газ заполняет весь сосуд, жидкость сохраняет объём, а твёрдое тело — форму. В теме используются относительная молекулярная масса, количество вещества и постоянная Авогадро. С их помощью можно перейти от химической формулы к массе одной молекулы и к числу частиц в образце.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она может состоять из атомов одного элемента, как молекула кислорода O₂, или разных элементов, как молекула воды H₂O. Зная состав молекулы, можно понять, из каких атомов построено вещество. Это позволяет связывать свойства вещества с его строением.
Относительная молекулярная масса показывает, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода-12. Её обозначают Mᵣ; это безразмерная величина, а не масса в килограммах. Для её нахождения складывают относительные атомные массы всех атомов в молекуле. Индексы в формуле показывают, сколько раз нужно взять массу соответствующего атома.
Количество вещества — физическая величина, характеризующая число структурных частиц в теле. Его обозначают греческой буквой ν и измеряют в молях. Частицами могут быть молекулы, атомы или другие объекты, в зависимости от того, что рассматривают. Эта величина удобна, потому что позволяет описывать огромное число частиц без их поштучного пересчёта.
Постоянная Авогадро Nₐ — число частиц в одном моле вещества; Nₐ ≈ 6,02 · 10²³ моль⁻¹. Если количество вещества равно ν, то число частиц находят по формуле N = νNₐ. Обратный переход выполняют так: ν = N/Nₐ. Эти соотношения связывают измеряемую порцию вещества с числом молекул в ней.
Вещество состоит из частиц, поэтому его свойства зависят от того, какие частицы его образуют и как они расположены. Молекулы, в свою очередь, построены из атомов, соединённых определённым образом. При химическом превращении меняется состав молекул, а значит, может измениться и само вещество. Поэтому изучение атомов и молекул помогает объяснять наблюдаемые свойства, а не только описывать их.
Химическая формула сообщает, какие атомы входят в молекулу и сколько их. Чтобы получить Mᵣ, относительную атомную массу каждого элемента умножают на число его атомов, указанное индексом, а затем складывают результаты. Например, если в формуле есть три атома одного элемента, его вклад нужно учесть три раза. Такой подсчёт даёт относительную массу всей молекулы в сравнении с выбранной единицей.
Молярная масса M показывает массу одного моля вещества и выражается, например, в кг/моль. В одном моле находится Nₐ одинаковых структурных частиц, поэтому массу всего моля можно разделить на их число. Так получают массу одной молекулы: m₀ = M/Nₐ. При расчёте важно согласовать единицы: если M задана в кг/моль, m₀ получится в килограммах.
Количество вещества ν сообщает, сколько молей составляет образец. Поскольку в каждом моле Nₐ частиц, в ν молях их будет в ν раз больше: N = νNₐ. Если известно число частиц, это соотношение можно обратить и найти ν = N/Nₐ. Например, увеличение количества вещества в два раза означает, что и число молекул увеличится в два раза.
Агрегатные состояния различаются не тем, движутся ли молекулы, а их расстояниями, взаимодействием и характером движения. В газе частицы далеко друг от друга и свободно перемещаются, поэтому газ расширяется и заполняет доступное пространство. В жидкости молекулы близки, но могут перемещаться относительно соседей: жидкость сохраняет объём, однако принимает форму сосуда. В твёрдом теле частицы удерживаются около устойчивых положений и в основном колеблются, поэтому тело сохраняет форму и объём.
| Свойство | Газ | Жидкость | Твёрдое тело |
|---|---|---|---|
| Среднее расстояние между молекулами | Значительно больше размеров молекул | Сравнимо с размерами молекул | Сравнимо с размерами молекул |
| Расположение молекул | Беспорядочное, частицы распределены по всему объёму | Близкое, без строгого порядка | Близкое, обычно упорядоченное |
| Характер движения молекул | Свободное хаотическое движение | Перемещение и колебания | Колебания около устойчивых положений |
| Сила взаимодействия между молекулами | Слабо влияет на движение большую часть времени | Удерживает молекулы рядом | Удерживает частицы около устойчивых положений |
| Сохранение формы и объёма | Не сохраняет ни форму, ни объём | Не сохраняет форму, сохраняет объём | Сохраняет форму и объём |
Сравнивайте не отдельную клетку, а всю строку: так видно, как расстояния и движение частиц связаны со свойствами состояния. Например, свобода перемещения молекул газа объясняет, почему он занимает весь объём сосуда. В таблице описаны общие свойства; конкретное вещество при изменении условий может перейти из одного состояния в другое.
Найти Mᵣ воды H₂O, если относительная атомная масса водорода равна 1, а кислорода — 16. Индекс 2 у водорода означает, что в молекуле два атома водорода, а у кислорода индекс не записан, значит, его атом один. Поэтому сначала учитываем вклад каждого элемента отдельно, затем складываем вклады. Так формула переводится в числовой расчёт.
Ответ: относительная молекулярная масса воды равна 18 и не имеет единицы измерения. Проверка: в результате учтены все три атома формулы, а вклад кислорода больше вклада водорода, что соответствует его большей атомной массе.
Пусть молярная масса вещества M = 0,018 кг/моль. Найти массу одной молекулы, используя Nₐ = 6,02 · 10²³ моль⁻¹. В одном моле содержится Nₐ молекул, и вся порция имеет массу M. Значит, массу порции нужно разделить на количество молекул в ней: m₀ = M/Nₐ.
Ответ: масса одной молекулы приблизительно равна 3,0 · 10⁻²⁶ кг. Единицы согласованы: кг/моль делится на моль⁻¹, поэтому остаются килограммы. Малое значение ожидаемо, поскольку молярная масса распределена между огромным числом молекул.
Образец вещества имеет массу m = 9 г, а его молярная масса M = 18 г/моль. Нужно найти число молекул. Сначала определяем, сколько молей содержится в образце: ν = m/M. Затем умножаем найденное количество вещества на постоянную Авогадро, поскольку один моль содержит Nₐ молекул.
Ответ: в образце содержится примерно 3,01 · 10²³ молекул. Сначала массу разделили на молярную массу, чтобы получить моли; умножать граммы непосредственно на Nₐ нельзя. Проверка показывает, что половина моля содержит половину числа частиц в одном моле.
Считать Mᵣ массой молекулы в килограммах — ошибка: относительная молекулярная масса безразмерна и показывает отношение двух масс. Так путают похожие слова «масса» и «молекулярная масса». Массу одной молекулы находят отдельно по формуле m₀ = M/Nₐ, где M — молярная масса. Проверьте себя: если у результата Mᵣ указаны килограммы, вы смешали разные величины.
При подсчёте Mᵣ иногда складывают атомные массы, не учитывая индексы. Индекс показывает число атомов данного элемента, поэтому пропуск индекса занижает результат. Например, в H₂O нужно взять массу водорода дважды. Проверьте формулу: сначала посчитайте все атомы по символам и индексам, а затем складывайте их вклады.
Путать количество вещества ν с числом частиц N нельзя: ν измеряется в молях, а N — это счёт молекул или других частиц. Путаница возникает из-за того, что обе величины описывают количество вещества в обычной речи. Чтобы проверить себя, запишите единицы: для ν — моль, для N — число частиц без физической единицы. Связь между ними задаёт N = νNₐ.
Представлять молекулы неподвижными или соприкасающимися вплотную во всех состояниях — неверно. Молекулы движутся и взаимодействуют, а средние расстояния между ними зависят от состояния; в газе они обычно гораздо дальше друг от друга, чем в жидкости. Упрощённое изображение частиц может создать впечатление, будто они стоят на месте. Проверьте объяснение свойства: оно должно учитывать и движение, и расстояние между частицами.
Для изучения молекулярной структуры нужны знания о строении атома, химических символах и формулах веществ, а также о массе. Формула позволяет определить состав молекулы, а сведения об атомах — рассчитать её относительную молекулярную массу. Представления о частицах понадобятся при изучении температуры и давления, потому что эти явления связаны с движением молекул. Они также составляют основу молекулярно-кинетической теории и помогают разбирать газовые законы.
Чем молекула отличается от атома?
Атом — частица химического элемента, а молекула — частица вещества, состоящая из одного или нескольких атомов. Например, молекула воды H₂O образована двумя атомами водорода и одним атомом кислорода. Именно молекула сохраняет химические свойства воды.
Как найти относительную молекулярную массу по химической формуле?
Нужно сложить относительные атомные массы всех атомов, входящих в молекулу. Если у элемента в формуле есть индекс, его атомную массу умножают на этот индекс. Например, для H₂O получают 2 · 1 + 16 = 18.
Как определить массу одной молекулы?
Молярную массу вещества делят на постоянную Авогадро: m₀ = M/Nₐ. Молярную массу нужно выразить в килограммах на моль, тогда масса одной молекулы получится в килограммах.
Что показывает количество вещества?
Количество вещества ν показывает, сколько структурных частиц содержится в теле, если считать их порциями по одному молю. Один моль содержит Nₐ частиц. Количество вещества измеряют в молях, а число частиц обозначают N.
Почему молекулы в газе расположены дальше друг от друга, чем в жидкости?
В газе молекулы движутся свободно и большую часть времени находятся на расстояниях, значительно превышающих их размеры. В жидкости частицы расположены близко, потому что сильнее взаимодействуют и удерживаются рядом, хотя могут перемещаться. Поэтому газ легко сжимается, а жидкость почти сохраняет объём.
8. Молекулярная структура вещества
