Формула за изчисляване на масата на молекула, примерна задача

Всеки човек знае, че телата около нас са изградени от атоми и молекули. Те имат различни форми и структури. В задачите по химия и физика често се налага да се намери масата на молекула. В тази статия ще разгледаме няколко теоретични метода за решаване на този проблем.

Обща информация

Преди да разгледаме как да намерим масата на една молекула, трябва да се запознаем със самото понятие. Ето няколко примера.

Молекулата обикновено се определя като съвкупност от атоми, които са свързани помежду си чрез някаква форма на химическа връзка. Освен това те трябва и могат да се разглеждат като едно цяло в различни физични и химични процеси. Тези връзки могат да бъдат йонни, ковалентни, метални или подобни на ван дер Ваалс.

Добре познатата молекула на водата има химична формула H₂O. кислородният атом в него е свързан с полярни ковалентни връзки с два водородни атома. Тази структура обуславя много физични и химични свойства на течната вода, леда и парите.

Природният газ метан е друг ярък представител на молекулярната материя. Неговите частици се състоят от въглероден атом и четири водородни атома (CH₄). В пространството молекулите имат формата на тетраедър с въглерод в центъра.

Въздухът е сложна смес от газове, която се състои основно от молекули кислород O₂ и азот N₂. И двата вида са свързани със силни двойни и тройни ковалентни неполярни връзки, което ги прави химически много инертни.

Определяне на масата на молекула чрез нейната моларна маса

Периодичната таблица на химичните елементи съдържа много информация, сред която са атомните масови единици (а.е.м.). Например водородният атом има.е.м., равен на 1, а кислородният атом е равен на 16. Всяко от тези числа показва масата в грамове, която би имала система, съдържаща 1 мол атоми на съответния елемент. Припомнете си, че единицата за количество на веществото 1 mol е броят на частиците в системата, съответстващ на числото на Авогадро N_A, тя е равна на 6,02*10²³.

Когато се разглежда една молекула, тя не е.е.м., и молекулната маса. Последното е проста сума от.е.м. за атомите, съставящи молекула. Например моларната маса на H₂O ще бъде 18 g/mol, а за O₂ - 32 g/mol. Като има обща концепция, по-нататък може да се преобразува в към изчислението.

Моларната маса M се използва просто за изчисляване на масата на молекула m₁. За тази цел може да се използва проста формула:

m₁ = M/N_A.

В някои задачи могат да бъдат дадени масата на дадена система m и количеството на дадено вещество в нея n. В този случай масата на една молекула се изчислява по следния начин:

m₁ = m/(n*N_A).

Идеален газ

Този термин се отнася за газ, чиито молекули се движат хаотично в различни посоки с висока скорост и не взаимодействат помежду си. Разстоянията между тях са много по-големи от собствените им размери. За такъв модел е валиден следният израз

P*V = n*R*T.

Той се нарича закон на Менделеев-Клапейрон. Както може да се види, уравнението свързва налягането P, обема V, абсолютна температура T и количеството вещество n. Във формулата R е газовата константа, която числено е равна на 8,314. Записаният закон се нарича универсален, защото не зависи от химичния състав на системата.

Ако са известни три термодинамични параметъра - T, P, V и стойността m на системата, тогава масата молекули на идеалния газ m₁ може лесно да се определи по следната формула:

m₁ = m*R*T/(N_A*P*V).

Този израз може да се запише и в зависимост от плътността ρ на газа и константата на Болцман k_B:

m₁ = ρ*k_B*T/P.

пример за задача

Известно е, че плътността на газа е 1,225 kg/m³ при атмосферно налягане 101325 Pa и температура 15 ^oC. Каква е масата на една молекула? За кой газ става дума?

Тъй като са ни дадени налягането, плътността и температурата на системата, можем да използваме формулата, получена в предходната точка, за да определим масата на една молекула. Тогава имаме

m₁ = ρ*k_B*T/P;

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

За да отговорите на втория въпрос от задачата, намерете моларната маса M на газа:

M = m₁*N_A;

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

Получената стойност на моларната маса съответства на въздушен газ.