"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Атомы и молекулы слишком малы, чтобы считать их по одной, поэтому в химии используют количество вещества — величину, связанную с числом частиц. Его измеряют в молях: один моль содержит около 6,02·10²³ частиц. Чтобы связать число частиц с массой образца, нужна молярная масса — масса одного моля вещества. Зная её, можно вычислить массу или количество вещества, а затем определить число частиц.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Количество вещества — физическая величина, показывающая число структурных частиц вещества; её обозначают n и измеряют в молях. Частицами могут быть атомы, молекулы или ионы. Эта величина нужна, чтобы описывать огромные числа частиц удобным способом, не пересчитывая их по одной.
Моль — количество вещества, содержащее столько частиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода-12. Поэтому моль можно считать особой «счётной единицей», как десяток, только с очень большим числом объектов. Он позволяет сопоставлять количество вещества в разных образцах.
Постоянная Авогадро — число частиц в одном моле вещества; её обозначают Nₐ, а приблизительное значение равно 6,02·10²³ моль⁻¹. Она связывает количество вещества с числом отдельных частиц. Зная n, с её помощью можно вычислить число атомов или молекул.
Молярная масса — масса одного моля вещества; её обозначают M и измеряют в г/моль или кг/моль. Например, она показывает, сколько граммов весит один моль воды. Эта величина нужна, чтобы переходить от массы образца к количеству вещества и обратно.
В обычной порции вещества находятся колоссальные количества атомов и молекул. Считать каждую частицу отдельно невозможно, а масса образца сама по себе не показывает, сколько именно в нём частиц: одинаковая масса разных веществ может содержать разное их число. Поэтому химики используют количество вещества, которое позволяет работать с частицами через удобную крупную единицу — моль.
Моль связан с постоянной Авогадро так же, как число одинаковых упаковок связано с количеством предметов в каждой упаковке. Если в одном моле содержится Nₐ частиц, то в n молях их будет в n раз больше: N = nNₐ. Например, в двух молях число частиц вдвое больше, чем в одном; чтобы перейти от молей к частицам, нужно умножить n на Nₐ.
Молярную массу определяют как отношение массы образца к количеству вещества: M = m/n. Причина такого отношения проста: оно показывает, какая масса приходится на один моль. Если известны масса и количество вещества, их отношение даёт массу одного моля; при использовании граммов и молей результат получают в г/моль.
Из определения M = m/n можно выразить любую из трёх величин. Чтобы найти массу, умножают молярную массу на количество вещества: m = Mn; чтобы найти количество вещества, массу делят на молярную массу: n = m/M. Такой выбор формулы помогает не запутаться: если нужно узнать, сколько молей содержится в образце, массу делят на массу одного моля.
Численное значение молярной массы в г/моль совпадает с относительной молекулярной или формульной массой. Относительная масса показывает, во сколько раз масса молекулы больше принятой атомной единицы массы, а молярная масса относится уже к целому молю молекул. Например, для воды относительная молекулярная масса равна 18, а молярная масса — 18 г/моль: числа одинаковы, но смысл и единицы различаются.
| Величина | Обозначение | Физический смысл | Формула | Единица измерения |
|---|---|---|---|---|
| Количество вещества | n | Число структурных частиц, выраженное в молях | n = m/M | моль |
| Число частиц | N | Количество атомов, молекул или других частиц | N = nNₐ | частица |
| Молярная масса | M | Масса одного моля вещества | M = m/n | г/моль, кг/моль |
| Масса вещества | m | Масса образца вещества | m = Mn | г, кг |
| Постоянная Авогадро | Nₐ | Число частиц в одном моле | Nₐ ≈ 6,02·10²³ моль⁻¹ | моль⁻¹ |
Сначала определите, какую величину нужно найти, а затем выберите формулу, в которой она выражена через известные данные. Проверьте, чтобы единицы подходили друг к другу: например, массу в граммах делите на молярную массу в г/моль. Для перехода от количества вещества к числу частиц используйте N = nNₐ.
Найти количество вещества воды массой 18 г, если молярная масса равна 18 г/моль. Нужно связать массу образца с массой одного моля, поэтому используем n = m/M. Единицы г сократятся, и результат получится в молях.
Ответ: количество вещества воды равно 1 моль.
Определить массу 0,5 моль углекислого газа CO₂, если его молярная масса равна 44 г/моль. Ищем массу, поэтому используем формулу m = Mn. При умножении г/моль на моль единица моль сокращается, и остаются граммы.
Ответ: масса углекислого газа равна 22 г.
Сколько молекул содержится в 9 г воды, если молярная масса воды равна 18 г/моль? Нельзя сразу умножать граммы на постоянную Авогадро: сначала нужно перевести массу в количество вещества. Затем найденное число молей связываем с числом молекул формулой N = nNₐ.
Ответ: в 9 г воды содержится примерно 3,01·10²³ молекул.
Количество вещества иногда принимают за массу, потому что оба понятия относятся к образцу вещества и участвуют в одних расчётах. Но моль показывает число частиц, а граммы и килограммы — массу. Чтобы проверить себя, посмотрите на единицу: для количества вещества это моль, для массы — г или кг.
Молярную массу могут записать без единиц или указать в граммах. Это происходит, когда её путают с массой конкретного образца, хотя M — масса одного моля и измеряется в г/моль или кг/моль. Проверьте не только число, но и единицу: деление массы в граммах на M в г/моль должно дать количество в молях.
Неверная формула M = mn возникает из-за смешения правил умножения и деления. По определению молярная масса — масса, приходящаяся на количество вещества, поэтому M = m/n, а не произведение m и n. Проверка единиц тоже помогает: г, делённые на моль, дают г/моль.
При переходе от молей к числу частиц иногда забывают умножить на постоянную Авогадро. Тогда ответ остаётся в молях, хотя требовалось число атомов или молекул. Проверьте формулу N = nNₐ и смысл ответа: в задаче о частицах результат должен быть очень большим числом, а не величиной в молях.
Для расчётов молярной массы нужно знать относительные атомные массы и уметь складывать их по химической формуле. Также важно различать массу и количество вещества и аккуратно работать с единицами. Эти знания помогают переводить массу образца в моли и обратно.
Количество вещества и молярная масса понадобятся при расчётах по уравнениям химических реакций: коэффициенты показывают соотношения количеств веществ. Те же величины используют при изучении растворов, газов и других химических расчётов. Поэтому умение переходить между массой, молями и числом частиц станет основой для следующих тем.
Чем количество вещества отличается от массы?
Количество вещества показывает, сколько структурных частиц содержится в образце, и измеряется в молях. Масса показывает, насколько тяжёл образец, и измеряется, например, в граммах или килограммах. Эти величины связаны молярной массой.
Почему в одном моле любого вещества одинаковое число частиц?
Моль определён как единица количества вещества, соответствующая фиксированному числу частиц. Это число равно постоянной Авогадро — примерно 6,02·10²³. Частицами могут быть атомы, молекулы или другие структурные единицы.
Как определить молярную массу вещества по его формуле?
Сложите относительные атомные массы всех атомов, входящих в формулу, учитывая индексы. Полученное численное значение молярной массы выражается в г/моль. Например, для CO₂: 12 + 2·16 = 44 г/моль.
Почему молярная масса воды равна 18 г/моль?
Молекула воды H₂O состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Их относительные атомные массы примерно равны 1 и 16. Поэтому молярная масса воды равна 2·1 + 16 = 18 г/моль.
Как перейти от массы вещества сразу к числу его молекул?
Сначала разделите массу образца на молярную массу: n = m/M. Затем умножьте найденное количество вещества на постоянную Авогадро: N = nNₐ. Так масса связывается с числом молекул через количество вещества.
§ 35. Количество вещества и молярная масса
