§ 4. Количественные характеристики вещества
Site: | Профильное обучение |
Course: | Химия. 11 класс |
Book: | § 4. Количественные характеристики вещества |
Printed by: | Guest user |
Date: | Friday, 4 October 2024, 7:55 AM |
Наука начинается с тех пор, как начинают измерять.
Точная наука немыслима без меры.
Д. И. Менделеев
Свойства веществ, которые можно оценить количественно, с помощью чисел, называются физическими величинами.
Величины, характеризующие массу частиц вещества (Аr, Мr, ma) или содержание вещества в смеси (массовая доля ω(в-ва), объёмная доля φ(в-ва)), мы рассмотрели в предыдущих параграфах. Некоторые величины (объём V, плотность ρ, масса m) подробно изучались в курсе физики.
В данном параграфе более детально рассмотрим особенности одной из семи основных физических величин Международной системы единиц СИ — количество вещества, также известной вам по предыдущим годам изучения химии и физики.
Количество вещества (химическое количество)
Вещества участвуют в химических реакциях в определённых количественных соотношениях.
Чтобы установить взаимосвязь числа взаимодействующих частиц с массой и объёмом, ввели физическую величину — количество вещества.
Количество вещества (химическое количество) — это физическая величина, равная отношению числа структурных единиц, составляющих его порцию, к постоянной Авогадро.
Условное обозначение количества вещества — n, единица величины — 1 моль. Количество вещества характеризует число любых конкретных частиц (атомов, молекул, ионов, формульных единиц) в данной порции.
Моль — это единица количества вещества (химического количества).
1 моль — количество вещества, которое содержит 6,02 ∙ 1023 структурных единиц вещества (атомов, молекул, ионов или формульных единиц).
NA = 6,02 · 1023 моль–1 — это фундаментальная физическая константа, названная «постоянная Авогадро». Именно столько атомов содержится в порции углерода-12 массой 12 г. Столько же формульных единиц содержится, например, в порции оксида кремния(IV) массой 60 г, численно равной его относительной формульной массе.
Количество вещества в некоторой порции можно рассчитать делением числа всех частиц на число частиц, содержащихся в 1 моль вещества:
Таким образом, вводя единицу измерения 1 моль, переходим от рассмотрения взаимодействия отдельных частиц к рассмотрению взаимодействия порций веществ.
Молярная масса
Использование единицы измерения количества вещества позволяет взвешивать вещества определёнными порциями количеством 1 моль или несколько молей. Масса одного моля вещества численно равна молярной массе М. Её также можно рассчитать делением массы порции вещества m на его химическое количество (число молей):
Таким образом, молярная масса — величина, равная отношению массы порции вещества к его химическому количеству.
Размерность молярной массы — кг/моль, но химики чаще пользуются дольной единицей г/моль. Численно молярная масса равна относительной молекулярной (формульной) массе. Справедливо только численное равенство, поскольку речь идёт о разных физических величинах. Молярная масса характеризует порцию вещества, содержащую 6,02 ∙ 1023 частиц, относительная молекулярная масса — одну частицу (молекулу, формульную единицу и др.). Например, Mr(СО2) = 44, значит, M(СО2) = 44 г/моль. Молярная масса зависит как от количественного, так и от качественного состава вещества (рис. 8).
Зная требуемое для химической реакции количество вещества, легко рассчитать его массу по формуле:
Так, например, для синтеза нужен оксид меди(II) количеством 0,25 моль. Поскольку молярная масса M(CuO) = 80 г/моль, то масса его порции составляет: m(CuO) = M(CuO) ∙ n(CuO) = 0,25 моль ∙ 80 г/моль = 20 г, то есть экспериментатор должен взвесить 20 г оксида меди(II).
Помимо молярной массы, каждое вещество имеет молярный объём Vm, то есть объём вещества количеством 1 моль.
Молярный объём газа Vm — величина, равная отношению объёма данной порции вещества V(Х) к его химическому количеству n(Х) в этой порции:
Молярный объём твёрдых веществ и жидкостей зависит от их плотности. Молярный объём воды, кислоты, металла и соли различен, потому что их плотности тоже отличаются (рис. 8). Молярный объём вещества можно также рассчитать, применив известную формулу :
где ρ — плотность вещества.
Например, молярный объём уксусной кислоты:
Рассчитаем молярный объём двух произвольно выбранных газов — азота и метана (при нормальных условиях):
Итак, два произвольно выбранных различных газообразных вещества — метан и азот — количеством 1 моль при одинаковых условиях занимают один и тот же объём. Это характерно и для любых других газов. При нормальных условиях молярный объём газа Vm = 22,4 дм3/моль.
Напомним, что нормальные условия — это температура 0 °С (273 K), давление — 101,325 кПа.
Равенство объёмов разных газов количеством 1 моль, измеряемых в одних и тех же условиях, объясняется одинаковым числом молекул в случае обоих газов и одним и тем же расстоянием между молекулами. В газах, в отличие от жидких и твёрдых веществ, размеры молекул не оказывают значительного влияния на молярный объём.
Систематизируем важнейшие количественные характеристики вещества и их смесей (табл. 3).
Таблица 3. Количественные характеристики вещества, порции вещества и вещества в смеси
Количественные характеристики | |||||
Вещество | Порция вещества | ||||
Величина | Обозначение и единицы измерения | Величина | Обозначение и единицы измерения | ||
Относительная молекулярная (формульная) масса | Mr | — | Масса | m | кг, г |
Молярная масса | M | г/моль | Объём | V | м3 |
Молярный объём | Vm | дм3/моль | Количество вещества | n | моль |
Плотность | ρ | кг/м3 | Число структурных единиц (частиц) | N | — |
Массовая доля элемента | ω | —; % | |||
Вещество в смеси | |||||
Массовая доля вещества | ω | —; % | Молярная концентрация вещества | с | моль/дм3 |
Объёмная доля вещества | φ | —; % |
Количество вещества (химическое количество) — это физическая величина, равная отношению числа структурных единиц, составляющих его порцию, к постоянной Авогадро.
Количество вещества может быть рассчитано по одной из трёх формул:
Вопросы, задания, задачи
1. Назовите физические величины, обозначаемые символами: N, NA, V, Vm,
2. Запишите названия физических величин, для измерения которых предназначено лабораторное оборудование, представленное на рисунке 9.
3. Рассчитайте количество углекислого газа (моль), содержащего 1,505 · 1023 молекул.
4. Определите, какой объём (н. у.) занимает метан:
- а) количеством 1,5 моль;
- б) массой 24 кг.
5. Рассчитайте относительную молекулярную (формульную) массу, молярную массу, число структурных единиц и объём порции вещества массой 15 г, если веществом является:
- а) уксусная кислота (ρ(СН3СООН) = 1,05 г/см3);
- б) алюминий (ρ(Al) = 2,7 г/см3);
- в) кислород (н. у.);
- г) хлор (н. у.).
6. Рассчитайте массу молекул О2 и Н2О в а. е. м., граммах, килограммах.
7. Определите массу смеси, состоящей из 12 моль водорода и 8 моль азота.
8. Определите число всех атомов в оксиде кремния(IV) массой 3 г.
9. Какова масса уксусной кислоты, содержащая столько же атомов, сколько их имеется в углекислом газе массой 704 г?
10. Определите массовую долю углерода в смеси, состоящей из 3 моль углекислого и 5 моль угарного газов.
*Самоконтроль
1. К количественным характеристикам вещества относят величины, обозначаемые символами:
- а) N;
- б) Vm;
- в) М;
- г) Mr.
2. Объём жидкости в лаборатории определяют с помощью:
3. Масса и объём (н. у.) порции кислорода количеством 0,2 моль равны:
- а) 3,2 г;
- б) 6,4 г;
- в) 112 дм3;
- г) 4,48 дм3.
4. Количество сжиженного азота массой 1,4 г равно:
- а) 39,2 моль;
- б) 19,6 моль;
- в) 0,1 моль;
- г) 0,05 моль.
5. Масса смеси, содержащей кислород О2 и озон О3 количеством 2 моль и 0,1 моль соответственно, равна:
- а) 168 г;
- б) 99,2 г;
- в) 68,8 г;
- г) 11,2 г.