Кількість речовини. Моль. Молярна маса

На початку глави ми “записали” рівняння реакції горіння метану у вигляді моделей молекул. На картинці добре видно, що для повного протікання реакції на кожну молекулу метану СН4 буде потрібно витратити дві молекули кисню О2.

У повітрі завжди міститься достатньо кисню для того, щоб горіння метану протікало саме так, як записано в рівнянні реакції. Але уявімо на хвилину, що нам треба сконструювати газовий пальник для підводних робіт або двигун космічного корабля. Ці пристрої повинні працювати без доступу атмосферного повітря. Тому в таких конструкціях не обійтися без точного підрахунку молекул реагентів, що надходять у зону горіння (тобто в хімічну реакцію). Наприклад, якщо в камеру згоряння космічного двигуна потрапляє більше молекул палива, ніж може прореагувати з окислювачем, то це веде до зниження тяги двигуна і до даремного витрачання частини дорогоцінного палива.

Але для початку візьмемо не «космічну” реакцію, а що-небудь простіше. Припустимо, ми знаємо, що речовини А і Б реагують між собою з утворенням продукту В. Іншими словами, нам відомо рівняння хімічної реакції:

А + Б = В

Прикладом може послужити вже зустрічалася нам проста реакція:

СаО + Н2О = Са (ОН) 2

Залишається взяти потрібні кількості А (CaO) і Б (H2O) і провести реакцію. Отже, скільки потрібно зважити А і скільки Б, щоб реакція пройшла до кінця і не залишилося жодних вихідних речовин?

Якщо ми візьмемо однакові за вагою зразки А і Б, то мети не досягнемо – продукт У обов’язково буде забруднений одним з вихідних речовин. Чому це відбудеться?

Справа в тому, що найпростіші структурні одиниці речовин А і Б складаються з різних наборів атомів – CaO і Н2О.Еті набори атомів розрізняються за масою. Значить, в 1 г СаО виявиться одна кількість частинок, а в 1 г Н2О – інше. При реакції між ними залишаться невитраченими частинки одного з вихідних речовин.

Оксид кальцію – іонну з’єднання і в твердому вигляді складається не з молекул (як Н2О), а з набору іонів Ca2 + і O2-. Проте його скорочена формула СаО за своєю суттю нічим не відрізняється від молекулярної формули – вона так само відображає якісний і кількісний склад речовини. Тому надалі ми будемо називати СаО “молекулою”, а сумарну масу атомів Са і О – “молекулярною масою” цієї речовини. Що стосується Н2О, то тут лапки не потрібні – вода дійсно складається з молекул в будь-якому стані: твердому, рідкому, газоподібному.

Для роботи хімікам зручно брати речовини такими порціями, які містили б однакову кількість молекул. Припустимо, хімік взяв порцію СаО, в якій міститься N “молекул” цієї речовини. Потім береться якась порція води, в якій теж N молекул. Змішавши ці дві порції реагентів, хімік отримує порцію продукту, в якій буде теж рівно N “молекул” Са (ОН) 2.

Після закінчення реакції не залишиться ні СаО, ні Н2О – вони повністю перетворилися на Са (ОН) 2.

Легко порахувати певну кількість яблук, цукерок або монеток, але молекули відраховувати скрутно. Втім, це можна робити шляхом зважування речовини. Наприклад, працівники банків знають, що в 1 кг 10-копійчаних монет виявиться 540 таких монет. Те ж саме можна зробити з молекулами. Припустимо, нам відомо, що N молекул важать М р. Досить зважити на терезах М г цієї речовини, щоб бути впевненим, що ми відміряли N молекул цієї речовини. Але як дізнатися величину М в грамах?

Маса молекул складається з мас складових її атомів. Атомні маси (атомні ваги) елементів ми можемо дізнатися з Періодичної таблиці. Атомний вагу Са – 40 а.е.м., а атомна вага кисню – 16 а.е.м. Отже, молекулярна вага (молекулярна маса) СаО складе:

40 а.е.м. (Ca) + 16 а.е.м. (O) = 56 а.е.м. (CaO)

Припустимо, ми вирішили взяти для проведення реакції 10 “молекул” СаО і 10 молекул Н2О. Чи зручно нам буде працювати з такими малими кількостями речовини? Зрозуміло, немає.

Тоді спробуємо зважити на терезах по мільйону (1000000) молекул кожного реагенту. В принципі, можна порахувати, скільки важить порція з мільйона “молекул” СаО. Ми знаємо, що 1 а.е.м. = 1,67.10-27 кг (це значення нам зустрічалося в таблиці 2-1 з глави 2).

Перейдемо для зручності з кілограмів в грами. У грамах маса 1 а.е.м. становить 1,67.10-24 р. Неважко помножити цю величину на 56 (число а.е.м. в “молекулі” Сао).

Отримаємо: 56. (1,67.10-24 р) = 93,5.10-24 р. Тепер помножимо масу однієї молекули на число самих молекул (мільйон). Ми отримаємо вага (у грамах) порції з мільйона “молекул” СаО:

93,5.10-24 г ? 1 000 000 = 93,5 ? 10-18 м.

Якщо згадати, що найбільша точність звичайних лабораторних ваг становить 1 мг (це всього лише 10-3 г), то виявиться, що і мільйон “молекул” СаО – зовсім незручна “порція” для зважування на вагах.

Значить, треба вибрати для роботи не мільйон, а якусь іншу, більш зручну порцію з N молекул. Мабуть, це число N повинно бути набагато більше мільйона.

** Спробуємо знайти таке число молекул (N), з яким було б зручно працювати. Це може бути не обов’язково число молекул саме СаО або Н2О. Число N повинно бути таким, щоб з його допомогою було зручно “відміряти” зважуванням БУДЬ молекули, атоми і взагалі частинки, маса яких дуже мала (вимірюється в атомних одиницях маси).

Візьмемо одну з таких частинок – протон. Він має масу 1 а.е.м. (Округлено). Таку ж масу має нейтрон.

Порахуємо, яка кількість протонів (або нейтронів) виявиться в 1 г цих частинок. Для цього складемо пропорцію:

1 частинка (масою 1 а.е.м.) – важить 1,67.10-24 г

N частинок – важать 1 м.

Посилання на основну публікацію