ЧАСТЬ И

ОБЩАЯ ХИМИЯ

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И ПОНЯТИЯ ХИМИИ

Основные физические величины, которые используют в химии

В химии используют следующие физические величины: масса, объем, количество вещества, плотность, атомная масса, относительная атомная и молекулярная масса, молярная масса, молярный объем, относительная плотность газов, давление, температура, время, концентрация, скорость химической реакции, электрический заряд и т.д.

Для вычисление масс атомов и молекул в химии используют три физические величины: массу атома и молекулы, относительную атомную и молекулярную массу, атомную и молекулярную массу.

Масса атома и масса молекулы - это массы атомов и молекул, выраженные в единицах СИ, т.е. в килограммах (или граммах).

Относительная атомная масса

Атомы - чрезвычайно маленькие частицы с очень малыми массами. Например, масса атома Водорода равна 1,67 ∙ 10^-27 кг. Пользоваться такими величинами очень неудобно, а потому в химии, как и в других естественных науках, сегодня используют относительную атомную массу - физическую величину, которая показывает, во сколько раз массы атомов химических элементов больше определенной величины, что имеет название атомной единицы массы. Эта величина составляет 1/12 массы атома нуклида Углерода ¹²С. Масса атома данного нуклида, равная 19,93 ∙ 10^{-27 кг, принятая за 12 а. е. м. Из этого следует, что 1 а. е. м. = 1,66} ∙ 10^{-27 кг.}

Карбоновый эталон в определении относительных атомных масс существует не очень давно. Карбоновая единица была введена в начале 50-х годов XX века, когда стали использовать метод масс-спектрометрии для определения атомных масс. До этого химики пользовались водородной единицей (то есть вычисляли относительную атомную массу как отношение массы атома элемента к массе атома Водорода), кислородной и т.д. Также было время, когда предлагали ввести йодную единицу в связи с тем, что в йода имеющийся только один устойчивый нуклид (то есть он есть ізотопно чистым элементом). Поэтому карбоновую единицу используют как более удобную, хотя это и не означает, что она является более объективной.

Относительные атомные массы химических элементов получают при разделении масс соответствующих атомов на атомную единицу массы. Если провести такое разделение, то можно определить, что относительная атомная масса Водорода равна 1,00797 (округленно 1), а Кислорода - 15,9994 (округленно 16) и т.д.

Таким образом, относительная атомная масса - это физическая величина, которая определяется отношением массы атома элемента к массе одной двенадцатой части массы атома нуклида Углерода ¹²С .

Относительную атомную массу обозначают символом А_r, где индекс и первая буква английского слова «relative», что означает «относительный». Поскольку относительная атомная масса - величина относительная, полученная отношением двух масс, то она не имеет размерности. Пример записи:------------- A_r(Н) = 1,008, A_r(U) = 238,03.

Относительная молекулярная масса - это физическая величина, определяемая отношением массы молекулы к массе одной двенадцатой части массы атома нуклида Углерода ¹²С.

Относительную молекулярную массу обозначают символом М_r и аналогично относительной атомной массы она не имеет единицы измерения.

Относительную молекулярную массу вычисляют по химической формуле вещества как сумму относительных атомных масс всех атомов (с учетом их количества), входящих в состав молекулы. В общем виде:

Например:

Атомная масса и молекулярная масса - это масса атомов и молекул, выраженная в атомных единицах массы. Ее вычисляют так же, как и относительную атомную и молекулярную массы, и численно эти величины равны. Единственное отличие - атомная и молекулярная массы имеют единицу измерения 1 а. е. м.

Количество вещества - это физическая величина, которая определяется числом частиц - структурных элементов вещества: молекул, атомов, ионов. Количество вещества обозначают латинской буквой n.

Единица измерения количества вещества - моль. 1 моль - это такое количество вещества, что содержит столько же структурных элементов вещества (молекул, атомов, ионов), сколько содержится атомов в нукліді Карбона ¹²С массой 0,012 кг.

В примерные нуклида углерода ¹² С массой 0,012 кг содержится 6,022 ∙ 10²³ атомов Карбона. Итак, можно сказать, что 1 моль - это такое количество вещества, которая содержит 6,022 ∙ 10²³ структурных элементов вещества (молекул, атомов, ионов).

Стала Авогадро

Число, равное 6,022 ∙ 10²³, называют постоянной Авогадро. Эта величина обозначается N_A и имеет единицу измерения - моль^-1.

N_a = 6,022 ∙ 10²³ моль^-1.

Стала Авогадро - это одна из фундаментальных постоянных наравне с гравитационной постоянной, постоянной Планка, скорости света в вакууме и т.д.

Молярная масса - это физическая величина, равная массе вещества количеством 1 моль.

Молярну массу обозначают символом М, единица измерения - кг/моль или г/моль. Молярная масса любого вещества численно равна его относительной атомной или молекулярной массе:

поскольку M = m_mN_A (1);

М_r = m_m / 1 а. о. м (2);

N_a ∙ 1 а. о. м. = 1 (3),

где m_m - масса молекулы,

то, подставляя (3) в (1), получаем

М = m_а (1 / 1 а. е. м), следовательно М = М_r.

В соответствии молярну массу вещества по известной формуле можно вычислить аналогично относительной молекулярной массы. Несмотря на то, что численно молярная и молекулярная массы равны, они имеют разное значение: относительная молекулярная масса характеризует массу одной молекулы, а молярная масса - массу вещества количеством 1 моль.

Молярная масса вещества - это количественная характеристика вещества, причем для вещества с определенным составом она является постоянной величиной, независимо от агрегатного состояния и условий существования (температуры, давления, объема).

Молярный объем - это физическая величина, которая равна объему вещества количеством вещества 1 моль.

Молярный объем обозначается символом V_m и имеет единицу измерения - м³/моль или л/моль. В отличие от молярной массы, молярный объем не является постоянной величиной, он зависит (особенно для газированных веществ) от условий существования вещества: агрегатного состояния, температуры и давления.

Молярный объем любого вещества независимо от агрегатного состояния, можно вычислить по помощью физического уравнения m = ρ ∙ V:

Для вычисление молярного объема веществ, находящихся в газообразном состоянии, можно воспользоваться уравнением Менделеева - Клапейрона для идеального газа: p ∙ V = n ∙ R ∙ T, где р - давление газа, V - его объем, n - количество вещества газа, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура (по шкале Кельвина). Для газуватої вещества количеством 1 моль (n = 1) получаем:

Достаточно часто при вычислениях объемы газов приводят к нормальным условиям (температура 0 °С или 273,15 °К и давление 101325 Па). Следовательно, можно вычислить значение молярного объема идеального газа при следующих условиях:

Понятие «молярный объем газа» можно применять не только к индивидуальным газированных веществ, но и в газовых смесей. Речь идет об объеме смеси, что содержит 6,022 ∙ 10²³ молекул различных газов.

Основные физические величины, которые используют в химии, связаны между собой следующими формулами:

где m_а - масса атома (в кг); m_m - масса молекулы (кг); N - число структурных единиц вещества (атомов, молекул, ионов); m - масса вещества; V - объем вещества.