Каждому человеку известно, что окружающие нас тела состоят из атомов и молекул. Они имеют разную форму и структуру. При решении задач по химии и физике часто требуется найти массу молекулы. Рассмотрим в данной статье несколько теоретических методов решения данной задачи.
Общие сведения
Прежде чем рассматривать, как найти массу молекулы, следует познакомиться с самим понятием. Далее приведем несколько примеров.
Молекулой принято называть совокупность атомов, которые объединены друг с другом тем или иным видом химической связи. Также они должны и могут рассматриваться, как единое целое в различных физико-химических процессах. Эти связи могут носить ионный, ковалентный, металлический или вандерваальсовский характер.
Всем известная молекула воды имеет химическую формулу H2O. Атом кислорода в ней соединен с помощью полярных ковалентных связей с двумя атомами водорода. Такое строение обуславливает многие физические и химические свойства жидкой воды, льда и пара.
Природный газ метан - это еще один яркий представитель молекулярного вещества. Его частицы образованы атомом углерода и четырьмя атомами водорода (CH4). В пространстве молекулы имеют форму тетраэдра с углеродом в центре.
Воздух - сложная смесь газов, которая главным образом состоит из молекул кислорода O2 и азота N2. Оба типа соединены прочными двойными и тройными ковалентными неполярными связями, что обуславливает их высокую химическую инертность.
Определение массы молекулы через ее молярную массу
В периодической таблице химических элементов содержится большое количество информации, среди которой имеются атомные единицы массы (а.е.м.). Например, атом водорода имеет а.е.м., равную 1, а атом кислорода - 16. Каждая из этих цифр показывает массу в граммах, которую будет иметь система, содержащая 1 моль атомов соответствующего элемента. Напомним, что единица измерения количества вещества 1 моль представляет собой количество частиц в системе, соответствующее числу Авогадро NA, оно равно 6,02*1023.
Когда рассматривают молекулу, то пользуются понятием не а.е.м., а молекулярной массой. Последняя представляет собой простую сумму а.е.м. для атомов, входящих в состав молекулы. Например, молярная масса для H2O будет равна 18 г/моль, а для O2 - 32 г/моль. Имея общее понятие, далее можно перейти к расчетам.
Молярную массу M просто использовать для вычисления массы молекулы m1. Для этого следует воспользоваться простой формулой:
m1 = M/NA.
В некоторых задачах может быть дана масса системы m и количество вещества в ней n. В таком случае масса одной молекулы вычисляется так:
m1 = m/(n*NA).
Идеальный газ
Этим понятием называется такой газ, молекулы которого хаотично движутся в разных направлениях с большими скоростями, друг с другом не взаимодействуют. Расстояния между ними намного превышают их собственные размеры. Для такой модели оказывается справедливым следующее выражение:
P*V = n*R*T.
Оно носит название закона Менделеева-Клапейрона. Как видно, уравнение связывает между собой давление P, объем V, абсолютную температуру T и количество вещества n. В формуле R - газовая константа, численно равная 8,314. Записанный закон называется универсальным, потому что он не зависит от химического состава системы.
Если известны три термодинамических параметра - T, P, V и значение m системы, то масса молекулы идеального газа m1 не сложно определить по следующей формуле:
m1 = m*R*T/(NA*P*V).
Это выражение также можно записать через плотность ρ газа и постоянную Больцмана kB:
m1 = ρ*kB*T/P.
Пример задачи
Известно, что плотность некоторого газа составляет 1,225 кг/м3 при атмосферном давлении 101325 Па и температуре 15 oC. Чему равна масса молекулы? О каком газе идет речь?
Поскольку нам даны давление, плотность и температура системы, то можно воспользоваться полученной в предыдущем пункте формулой, чтобы определить массу одной молекулы. Имеем:
m1 = ρ*kB*T/P;
m1 = 1,225*1,38*10-23*288,15/101325 = 4,807*10-26 кг.
Чтобы ответить на второй вопрос задачи, найдем молярную массу M газа:
M = m1*NA;
M = 4,807*10-26*6,02*1023 = 0,029 кг/моль.
Полученное значение молярной массы соответствует газу воздуху.
