Химия - наука крайностей. В том смысле, что фактические, настоящие, описывающие действительность числа в ней или крайне малы, или крайне велики. Очень многих испугало бы число с 23 нулями. Это действительно много. А ведь столько единиц (штук) содержится в одном моле вещества. Вы бы хотели проводить расчеты с такими колоссальными числами? Это неудобно. Но в наше время любой школьник решает задачи по химии с помощью листа бумаги и простого калькулятора. Это возможно благодаря особому языку упрощения, созданному химиками. И одно из главных словосочетаний этого языка - «молярная масса».

Формула по определению

Определить молярную массу просто: массу вещества следует разделить на его химическое количество. То есть вы узнаете, сколько весит один моль данного вещества. Есть и другой путь определить молярную массу, но тут главное - не запутаться. Молярная масса равна численно атомной или молекулярной массе. Но вот единицы измерения разные.

А вообще зачем?

В каких ситуациях вам может понадобиться молярная масса? Классический пример - необходимость выявить формулу вещества. Далеко не все вещества и не во всех ситуациях можно определить по химическим свойствам и внешнему виду, иногда необходимо считать количественные соотношения. Если вы знаете фактические количества веществ, можно вычислить вид атомов и их пропорции в веществе. И вам понадобится помощь старенького химика. Действительно очень старого. Самого Менделеева.

Связи понятий

Чем нам поможет таблица великого ученого? Молярная масса вещества по числу равна атомной (для атомарных веществ и чистых металлов) или молекулярной массе, но измеряется в других единицах. Эта характеристика вещества будет значиться в граммах на моль, молекулярная - в атомных единицах массы. Как получилось, что числа эти одинаковые? Те значения, которые вы видите в таблице для элементов, были вычислены опытным путем. Каждый вид атомов удалось взвесить и определить его массу в удобных единицах. Поэтому вы видите не минус двадцать седьмую степень, а вполне приличные числа, чаще всего в пределах единицы и сотни. Есть и элементы-тяжеловесы, но в школьных задачниках они обычно не упоминаются.

Если не все числа под рукой

А что, если вещество состоит из молекул и вы знаете, что это? Как ищется молярная масса вещества, если нет массы его и химического количества одновременно по условиям задачи? Это просто, находите каждый вид атомов (элемент) в таблице и умножаете атомные массы на количество атомов в молекуле для разных элементов. А затем просто суммируете - и получаете молекулярную массу, которая будет совершенно точно совпадать с молярной. Для современных юных химиков все уже подготовлено - для известной формулы вещества искомую величину вычислить не составляет никакой проблемы.

Если вы понимаете суть химии, она покажется вам очень легкой. Основная нагрузка при освоении данной науки - это изучать и запоминать свойства конкретных веществ, а вот общие процессы и описания - проще некуда. Один раз поймете, потренируетесь - никогда в жизни не запутаетесь.

Одной из основных единиц в Международной системе единиц (СИ) является единица количества вещества – моль.

Моль – это такое количество вещества, которое содержит столько структурных единиц данного вещества (молекул, атомов, ионов и др.), сколько атомов углерода содержится в 0,012 кг (12 г) изотопа углерода 12 С .

Учитывая, что значение абсолютной атомной массы для углерода равно m (C) = 1,99 · 10  26 кг, можно рассчитать число атомов углерода N А , содержащееся в 0,012 кг углерода.

Моль любого вещества содержит одно и то же число частиц этого вещества (структурных единиц). Число структурных единиц, содержащихся в веществе количеством один моль равно 6,02·10 23 и называется числом Авогадро (N А ).

Например, один моль меди содержит 6,02·10 23 атомов меди (Cu), а один моль водорода (H 2) – 6,02·10 23 молекул водорода.

Молярной массой (M) называется масса вещества, взятого в количестве 1 моль.

Молярная масса обозначается буквой М и имеет размерность [г/моль]. В физике пользуются размерностью [кг/кмоль].

В общем случае численное значение молярной массы вещества численно совпадает со значением его относительной молекулярной (относительной атомной) массы.

Например, относительная молекулярная масса воды равна:

Мr(Н 2 О) = 2Аr (Н) + Аr (O) = 2∙1 + 16 = 18 а.е.м.

Молярная масса воды имеет ту же величину, но выражена в г/моль:

М (Н 2 О) = 18 г/моль.

Таким образом, моль воды, содержащий 6,02·10 23 молекул воды (соответственно 2·6,02·10 23 атомов водорода и 6,02·10 23 атомов кислорода), имеет массу 18 граммов. В воде, количеством вещества 1 моль, содержится 2 моль атомов водорода и один моль атомов кислорода.

1.3.4. Связь между массой вещества и его количеством

Зная массу вещества и его химическую формулу, а значит и значение его молярной массы, можно определить количество вещества и, наоборот, зная количество вещества, можно определить его массу. Для подобных расчетов следует пользоваться формулами:

где ν – количество вещества, [моль]; m – масса вещества, [г] или [кг]; М – молярная масса вещества, [г/моль] или [кг/кмоль].

Например, для нахождения массы сульфата натрия (Na 2 SO 4) количеством 5 моль найдем:

1) значение относительной молекулярной массы Na 2 SO 4 , представляющую собой сумму округленных значений относительных атомных масс:

Мr(Na 2 SO 4) = 2Аr(Na) + Аr(S) + 4Аr(O) = 142,

2) численно равное ей значение молярной массы вещества:

М(Na 2 SO 4) = 142 г/моль,

3) и, наконец, массу 5 моль сульфата натрия:

m = ν · M = 5 моль · 142 г/моль = 710 г.

Ответ: 710.

1.3.5. Связь между объемом вещества и его количеством

При нормальных условиях (н.у.), т.е. при давлении р , равном 101325 Па (760 мм. рт. ст.), и температуре Т, равной 273,15 К (0 С), один моль различных газов и паров занимает один и тот же объем, равный 22,4 л.

Объем, занимаемый 1 моль газа или пара при н.у., называется молярным объемом газа и имеет размерность литр на моль.

V мол = 22,4 л/моль.

Зная количество газообразного вещества (ν) и значение молярного объема (V мол) можно рассчитать его объем (V) при нормальных условиях:

V = ν · V мол,

где ν – количество вещества [моль]; V – объем газообразного вещества [л]; V мол = 22,4 л/моль.

И, наоборот, зная объем (V ) газообразного вещества при нормальных условиях, можно рассчитать его количество (ν):

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Отношение массы (m) вещества к его количеству (n) называют молярной массой вещества :

Молярную массу обычно выражают в г/моль, реже в кг/кмоль. Поскольку в одном моле любого вещества содержится одинаковое число структурных единиц, то молярная масса вещества пропорциональная массе соответствующей структурной единицы, т.е. относительной атомной массе данного вещества (M r):

где κ - коэффициент пропорциональности, одинаковый для всех веществ. Относительная молекулярная масса - величина безразмерная. Её вычисляют, используя относительные атомные массы химических элементов, указанных в Периодической системе Д.И. Менделеева.

Как известно, молекулярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы:

Mr(HX) = Ar(H) + Ar(X).

M (HX) = Mr(HX) = Ar(H) + Ar(X).

Для того, чтобы легче не затрачивать каждый раз время на расчет молярной массы конкретного вещества используют таблицу молярных масс, которая выглядит следующим образом:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Составьте формулы двух оксидов меди, если массовые доли меди в них 79,9% и 88,8%.
Решение	ω 1 (О) = 100% — ω 1 (Cu) = 100% — 79,9% = 20,1%; ω 2 (О) = 100% — ω 2 (Cu) = 100% — 88,8% = 11,2%. Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (медь) и «у» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева округлим до целых чисел): x:y = ω 1 (Cu)/Ar(Cu) : ω 1 (O)/Ar(O); x:y = 79,9/64: 20,1/16; x:y = 1,25: 1,25 = 1: 1. Значит формула первого оксида меди будет иметь вид CuO. x:y = ω 2 (Cu)/Ar(Cu) : ω 2 (O)/Ar(O); x:y = 88,8/64: 11,2/16; x:y = 1,39: 0,7 = 2: 1. Значит формула второго оксида меди будет иметь вид Cu 2 O.
Ответ	CuO и Cu 2 O

ПРИМЕР 2

Задание	Составьте формулы двух оксидов железа, если массовые доли железа в них 77,8% и 70,0%.
Решение	Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле: ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Найдем массовую долю в каждом из оксидов меди: ω 1 (О) = 100% — ω 1 (Fe) = 100% — 77,8% = 22,2%; ω 2 (О) = 100% — ω 2 (Fe) = 100% — 70,0% = 30,0%. Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (железо) и «у» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева округлим до целых чисел): x:y = ω 1 (Fe)/Ar(Fe) : ω 1 (O)/Ar(O); x:y = 77,8/56: 22,2/16; x:y = 1,39: 1,39 = 1: 1. Значит формула первого оксида железа будет иметь вид FeO. x:y = ω 2 (Fe)/Ar(Fe) : ω 2 (O)/Ar(O); x:y = 70/56: 30/16; x:y = 1,25: 1,875 = 1: 1,5 = 2: 3. Значит формула второго оксида железа будет иметь вид Fe 2 O 3 .
Ответ	FeO, Fe 2 O 3

Массы атомов и молекул очень малы, поэтому в качестве единицы измерения удобно выбрать массу одного из атомов и выражать массы остальных атомов относительно нее. Именно так и поступал основоположник атомной теории Дальтон, который составил таблицу атомных масс, приняв массу атома водорода за единицу.

До 1961 года в физике за атомную единицу массы (а.е.м. сокращенно) принимали 1/16 массы атома кислорода 16 О, а в химии - 1/16 средней атомной массы природного кислорода, который является смесью трех изотопов. Химическая единица массы была на 0,03% больше, чем физическая.

Атомная масса и относительная атомная масса элемента

В настоящее время за в физике и химии принята единая система измерения. В качестве стандартной единицы атомной массы выбрана 1/12 часть массы атома углерода 12 С.

1 а.е.м. = 1/12 m(12 С) = 1,66057×10 -27 кг = 1,66057×10 -24 г.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительная атомная масса элемента (A r) - это безразмерная величина, равная отношению средней массы атома элемента к 1/12 массы атома 12 С.

При расчете относительной атомной массы учитывается распространенность изотопов элементов в земной коре. Например, хлор имеет два изотопа 35 Сl (75,5%) и 37 Сl (24,5%).Относительная атомная масса хлора равна:

A r (Cl) = (0,755×m(35 Сl) + 0,245×m(37 Сl)) / (1/12×m(12 С) = 35,5.

Из определения относительной атомной массы следует, что средняя абсолютная масса атома равна относительной атомной массе, умноженной на а.е.м.:

m(Cl) = 35,5 ×1,66057×10 -24 = 5,89×10 -23 г.

Относительная молекулярная масса элемента

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительная молекулярная масса вещества (M r) - это безразмерная величина, равная отношению массы молекулы вещества к 1/12 массы атома 12 С.

Относительная молекулярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы, например:

M r (N 2 O) = 2×A r (N) + A r (O) = 2×14,0067 + 15,9994 = 44,0128.

Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на а.е.м.

Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют специальную единицу измерения - моль.

Моль - это количество вещества, которое содержит столько же частиц (молекул, атомов, ионов, электронов), сколько атомов углерода содержится в 12 г изотопа 12 С.

Масса одного атома 12 С равна 12 а.е.м., поэтому число атомов в 12 г изотопа 12 С равно:

N A = 12 г / 12 × 1,66057×10 -24 г = 1/1,66057×10 -24 = 6,0221×10 -23 .

Таким образом, моль вещества содержит 6,0221×10 -23 частиц этого вещества.

Физическую величину N A называют постоянной Авогадро, она имеет размерность = моль -1 . Число 6,0221×10 -23 называют числом Авогадро.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Молярная масса (М) - это масса 1 моль вещества.

Легко показать, что численные значения молярной массы М и относительной молекулярной массы M r равны, однако первая величина имеет размерность [M] = г/моль, а вторая безразмерна:

M = N A × m (1 молекулы) = N A × M r × 1 а.е.м. = (N A ×1 а.е.м.) × M r = × M r .

Это означает, что если масса некоторой молекулы равна, например, 44 а.е.м., то масса одного моля молекул равна 44 г.

Постоянная Авогадро является коэффициентом пропорциональности, обеспечивающим переход от молекулярных отношений к молярным.