Формули для обчислення маси молекули, приклад задачі

Кожній людині відомо, що оточуючі нас тіла складаються з атомів і молекул. Вони мають різну форму і структуру. При вирішенні задач з хімії та фізики часто потрібно знайти масу молекули. Розглянемо в даній статті кілька теоретичних методів вирішення даної задачі.

Загальні відомості

Перш ніж розглядати, як знайти масу молекули, слід познайомитися з самим поняттям. Далі наведемо кілька прикладів.

Молекулою прийнято називати сукупність атомів, які об`єднані один з одним тим чи іншим видом хімічного зв`язку. Також вони повинні і можуть розглядатися, як єдине ціле в різних фізико-хімічних процесах. Ці зв`язки можуть носити іонний, ковалентний, металевий або вандерваальсовскій характер.

Всім відома молекула води має хімічну формулу H₂O. Атом кисню в ній з`єднаний за допомогою полярних ковалентних зв`язків з двома атомами водню. Така будова обумовлює багато фізичні і хімічні властивості рідкої води, льоду і пара.

Природний газ метан-це ще один яскравий представник молекулярної речовини. Його частинки утворені атомом вуглецю та чотирма атомами водню (CH₄). У просторі молекули мають форму тетраедра з вуглецем у центрі.

Повітря-складна суміш газів, яка головним чином складається з молекул кисню O₂ і азоту N₂. Обидва типи з`єднані міцними подвійними і потрійними ковалентними неполярними зв`язками, що обумовлює їх високу хімічну інертність.

Визначення маси молекули через її молярну масу

У періодичній таблиці хімічних елементів міститься велика кількість інформації, серед якої є атомні одиниці маси (а.е.м.). Наприклад, атом водню має а.е.м., рівну 1, а атом кисню - 16. Кожна з цих цифр показує масу в грамах, яку матиме система, що містить 1 моль атомів відповідного елемента. Нагадаємо, що одиниця виміру кількості речовини 1 моль являє собою кількість частинок в системі, відповідне числу Авогадро N_A, воно дорівнює 6,02*10²³.

Коли розглядають молекулу, то користуються поняттям НЕ а.е.м., а молекулярною масою. Остання являє собою просту суму а.е.м. для атомів, що входять до складу молекули. Наприклад, молярна маса для H₂O буде дорівнює 18 г/моль, а для O₂ - 32 г / моль. Маючи загальне поняття, далі можна перейти до розрахунків.

Молярну масу M просто використовувати для обчислення маси молекули m₁. Для цього слід скористатися простою формулою:

m₁ = M/N_A.

У деяких завданнях може бути дана маса системи M і кількість речовини в ній n. В такому випадку маса однієї молекули обчислюється так:

m₁ = m/(n*N_A).

Ідеальний газ

Цим поняттям називається такий газ, молекули якого хаотично рухаються в різних напрямках з великими швидкостями, один з одним не взаємодіють. Відстані між ними набагато перевищують їх власні розміри. Для такої моделі виявляється справедливим наступний вираз:

P*V = n*R*T.

Воно носить назву закону Менделєєва-Клапейрона. Як видно, рівняння пов`язує між собою тиск P, обсяг V, абсолютна температура T і кількість речовини n. У формулі R - газова константа, чисельно рівна 8,314. Записаний закон називається універсальним, оскільки він не залежить від хімічного складу системи.

Якщо відомі три термодинамічних параметра-t, p, V і значення m системи, то маса молекули ідеального газу m₁ не складно визначити за такою формулою:

m₁ = m*R*T/(N_A*P*V).

Цей вираз також можна записати через щільність ρ газу і постійну Больцмана k_B:

m₁ = ρ*k_B*T/P.

Приклад завдання

Відомо, що щільність деякого газу становить 1,225 кг / м³ при атмосферному тиску 101325 Па і температурі 15 ^oC. Чому дорівнює маса молекули? Про який газ йдеться?

Оскільки нам дано тиск, щільність і температура системи, то можна скористатися отриманою в попередньому пункті формулою, щоб визначити масу однієї молекули. Маючи:

m₁ = ρ*k_B*T/P;

m₁ = 1,225*1,38*10^-23*288,15/101325 = 4,807*10^-26 кг.

Щоб відповісти на друге питання задачі, знайдемо молярну масу m газу:

M = m₁*N_A;

M = 4,807*10^-26*6,02*10²³ = 0,029 кг / моль.

Отримане значення молярної маси відповідає газу повітрю.