§ 18. Количество вещества. Молярная масса

ЗАЧЕМ ХИМИКАМ СЧИТАТЬ ЧАСТИЦЫ: МОСТ МЕЖДУ МИКРО- И МАКРОМИРОМ

В повседневной жизни и торговле любые вещества принято отмерять по массе — в граммах и килограммах, либо по объёму — в миллилитрах и литрах. Однако в химических процессах атомы и молекулы взаимодействуют между собой не случайными весовыми кусками, а строго определёнными штучными количествами частиц: одна молекула реагирует с другой молекулой, два атома соединяются с одним.

Взвесить отдельную молекулу на лабораторных весах невозможно: её масса ничтожно мала и составляет порядка 10⁻²⁴–10⁻²² грамма. Чтобы перекинуть надёжный мост между микромиром невидимых глазу частиц и макромиром практической лабораторной химии, учёные связали массу вещества с числом образующих его частиц.

Оказалось, что если взять массу любого вещества в граммах, численно равную его относительной молекулярной массе (Mr), то такая порция всегда будет содержать строго одинаковое число частиц — ровно 6,02·10²³ молекул:

• Относительная молекулярная масса сероводорода Mr(H₂S) = 34. В навеске 34 г H₂S содержится ровно 6,02·10²³ молекул;
• Относительная молекулярная масса сернистого газа Mr(SO₂) = 64. В 64 г SO₂ содержится ровно 6,02·10²³ молекул;
• Относительная молекулярная масса серной кислоты Mr(H₂SO₄) = 98. В 98 г H₂SO₄ содержится ровно 6,02·10²³ молекул.

ЧИСЛО АВОГАДРО (N_A) И ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ЕДИНИЦЫ «МОЛЬ»

Универсальное фундаментальное число 6,02·10²³ названо числом Авогадро (постоянной Авогадро) в честь выдающегося итальянского естествоиспытателя Амедео Авогадро (1776–1856). Оно обозначается символом N_A и имеет размерность 1/моль, или моль⁻¹:

N_A = 6,02·10²³ моль⁻¹

Эта константа легла в основу особой физической величины:

Количество вещества — это порция вещества, содержащая определённое число структурных частиц (атомов, молекул или ионов).

Обозначается латинской буквой n (в некоторых курсах — греческой буквой ν «ню»).

Основная единица количества вещества в Международной системе единиц (СИ) — моль.

Моль — это такое количество вещества, которое содержит ровно 6,02·10²³ частиц (атомов, молекул или ионов) этого вещества.

Формула расчёта количества вещества через число частиц:

Чтобы найти количество вещества (n), нужно общее число содержащихся в порции частиц (N) разделить на число Авогадро (N_A):

n = N / N_A, откуда общее число молекул: N = n · N_A

Правило русского языка при оформлении задач: слово «моль» после чисел не склоняется: «2 моль воды», «5 моль газа», но при использовании без числа склоняется: «в одном моле воды», «вычислить число молей».

МОЛЯРНАЯ МАССА (M) И ЕЁ СВЯЗЬ С МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССОЙ (Mr)

Масса одной и той же порции в 1 моль для разных веществ будет совершенно различной, поскольку сами молекулы имеют разную массу: 1 моль молекул водорода H₂ весит всего 2 грамма, а 1 моль молекул воды H₂O — уже 18 граммов.

Молярная масса (M) — это физическая величина, равная отношению массы вещества к его количеству, то есть масса одного моля вещества.

Единица измерения молярной массы — г/моль.

Главный практический закон:

Молярная масса вещества, выраженная в г/моль, численно в точности равна его относительной молекулярной (Mr) или относительной атомной (Ar) массе:

• Вода: Mr(H₂O) = 18 → M(H₂O) = 18 г/моль;
• Кислород: Mr(O₂) = 32 → M(O₂) = 32 г/моль;
• Углекислый газ: Mr(CO₂) = 44 → M(CO₂) = 44 г/моль;
• Хлорид натрия: Mr(NaCl) = 58,5 → M(NaCl) = 58,5 г/моль.

ТРИЕДИНАЯ СИСТЕМА РАСЧЁТОВ: СВЯЗЬ МАССЫ, МОЛЕЙ И ЧИСЛА ЧАСТИЦ

Взаимосвязь массы (m), молярной массы (M) и количества вещества (n) выражается классической формулой:

n = m / M

Отсюда легко выводятся расчётные формулы для любых химических задач:

• Масса порции вещества: m = n · M
• Молярная масса неизвестного вещества: M = m / n
• Объединённая формула расчёта числа молекул по массе:

Поскольку n = N / N_A и n = m / M, то:

m / M = N / N_A, откуда число молекул: N = (m · N_A) / M

Например, если нам дано 36 г чистой воды, то количество вещества воды составит:

n(H₂O) = 36 г / 18 г/моль = 2 моль, а число молекул: N = 2 · 6,02·10²³ = 1,204·10²⁴ молекул.

КРАТНЫЕ И ДОЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ: КИЛОМОЛЬ И МИЛЛИМОЛЬ

При промышленных химических расчётах на заводах или в микроанализе оперируют кратными и дольными единицами:

• Киломоль (кмоль): равен 1000 моль. Масса 1 кмоль выражается в килограммах на киломоль (кг/кмоль) и численно равна Mr. Например, 16 кг метана CH₄ (Mr = 16) составляют ровно 1 кмоль (1000 моль). Если взять 4 кг метана: n(CH₄) = 4 кг / 16 кг/кмоль = 0,25 кмоль (или 250 моль).
• Миллимоль (ммоль): равен 0,001 моль (1/1000 моль). Миллимолярная масса измеряется в мг/ммоль. Например, если взять навеску серы массой 96 мг при молярной массе M(S) = 32 мг/ммоль, то количество вещества составит: n(S) = 96 мг / 32 мг/ммоль = 3 ммоль (или 0,003 моль).

ХИМИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА И РАСЧЁТ МОЛЕЙ АТОМОВ В МОЛЕКУЛЕ

Химическая формула вещества несёт строгую количественную информацию: она показывает не только состав отдельной молекулы, но и порцию вещества, равную ровно 1 моль.

Индексы в формуле показывают, сколько молей атомов каждого элемента входит в состав 1 моль сложного вещества.

• В 1 моль сероводорода H₂S содержатся 2 моль атомов H и 1 моль атомов S. Соответственно, в 3 моль H₂S будет:
  • n(H) = 2 · 3 моль = 6 моль атомов водорода;
  • n(S) = 1 · 3 моль = 3 моль атомов серы.
• Обратный расчёт: какое количество вещества аммиака NH₃ содержит 15 моль атомов водорода? Поскольку в 1 молекуле аммиака 3 атома H (на 1 моль NH₃ приходится 3 моль H), то:

n(NH₃) = 15 моль / 3 = 5 моль аммиака.