Молекулярная физика изучает свойства тел, руководствуясь поведением отдельных молекул. Все видимые процессы протекают на уровне взаимодействия мельчайших частиц, то, что мы видим невооруженным глазом - лишь следствие этих тонких глубинных связей.
Вконтакте
Основные понятия
Молекулярная физика иногда рассматривается как теоретическое дополнение термодинамики. Возникшая намного раньше, термодинамика занималась изучением перехода тепла в работу, преследуя чисто практические цели. Она не производила теоретического обоснования, описывая лишь результаты опытов. Основные понятия молекулярной физики возникли позже, в XIX веке.
Она изучает взаимодействие тел на молекулярном уровне, руководствуясь статистическим методом, который определяет закономерности в хаотических движениях минимальных частиц – молекул. Молекулярная физика и термодинамика дополняют друг друга, рассматривая процессы с разных точек зрения. При этом термодинамика не касается атомарных процессов, имея дело только с макроскопическими телами, а молекулярная физика, напротив, рассматривает любой процесс именно с точки зрения взаимодействия отдельных структурных единиц.
Все понятия и процессы имеют собственные обозначения и описываются специальными формулами, которые наиболее наглядно представляют взаимодействия и зависимости тех или иных параметров друг от друга. Процессы и явления пересекаются в своих проявлениях, разные формулы могут содержать одни и те же величины и быть выражены разными способами.
Количество вещества
Количество вещества определяет взаимосвязь между (массой) и количеством молекул, которые содержит эта масса. Дело в том, что разные вещества при одинаковой массе имеют разное число минимальных частиц. Процессы, проходящие на молекулярном уровне, могут быть поняты только при рассмотрении именно числа атомных единиц, участвующих во взаимодействиях. Единица измерения количества вещества, принятая в системе СИ, - моль.
Внимание! Один моль всегда содержит одинаковое количество минимальных частиц. Это число называется числом (или постоянной) Авогадро и равняется 6,02×1023.
Эта константа используется в случаях, когда для расчетов требуется учитывать микроскопическое строение данного вещества. Иметь дело с количеством молекул сложно, так как придется оперировать огромными числами, поэтому используется моль – число, определяющее количество частиц в единице массы.
Формула, определяющая количество вещества:
Расчет количества вещества производится в разных случаях, используется во многих формулах и является важным значением в молекулярной физике.
Давление газа
Давление газа - важная величина, имеющая не только теоретическое, но и практическое значение. Рассмотрим формулу давления газа, используемую в молекулярной физике, с пояснениями, необходимыми для лучшего понимания.
Для составления формулы придется сделать некоторые упрощения. Молекулы представляют собой сложные системы , имеющие многоступенчатое строение. Для простоты рассмотрим газовые частицы в определенном сосуде как упругие однородные шарики, не взаимодействующие друг с другом (идеальный газ).
Скорость движения минимальных частиц также будем считать одинаковой. Введя такие упрощения, не сильно меняющие истинное положение, можно вывести такое определение: давление газа - это сила, которую оказывают удары молекул газа на стенки сосудов.
При этом, учитывая трехмерность пространства и наличие двух направлений каждого измерения, можно ограничить количество структурных единиц, воздействующих на стенки, как 1/6 часть.
Таким образом, сведя воедино все эти условия и допущения, можем вывести формулу давления газа в идеальных условиях .
Формула выглядит так:
где P - давление газа;
n - концентрация молекул;
K - постоянная Больцмана (1,38×10-23);
Ek - молекул газа.
Существует еще один вариант формулы:
P = nkT,
где n - концентрация молекул;
T - абсолютная температура.
Формула объема газа
Объем газа - это пространство, которое занимает данное количество газа в определенных условиях. В отличие от твердых тел, имеющих постоянный объем, практически не зависящий от окружающих условий, газ может менять объем в зависимости от давления или температуры.
Формула объема газа – это уравнение Менделеева-Клапейрона, которое выглядит таким образом:
PV = nRT
где P - давление газа;
V - объем газа;
n - число молей газа;
R - универсальная газовая постоянная;
T - температура газа.
Путем простейших перестановок получаем формулу объема газа:
Важно! Согласно закону Авогадро равные объемы любых газов, помещенные в совершенно одинаковые условия - давление, температура - будут всегда содержать равное количество минимальных частиц.
Кристаллизация
Кристаллизация - это фазовый переход вещества из жидкого в твердое состояние, т.е. процесс, обратный плавлению. Процесс кристаллизации происходит с выделением теплоты , которую требуется отводить от вещества. Температура совпадает с точкой плавления, весь процесс описывается формулой:
Q = λm,
где Q - количество теплоты;
λ - теплота плавления;
Эта формула описывает как кристаллизацию, так и плавление, поскольку они, по сути, являются двумя сторонами одного процесса. Для того чтобы вещество кристаллизовалось, необходимо охладить его до температуры плавления , а затем отвести количество тепла, равное произведению массы на удельную теплоту плавления (λ). Во время кристаллизации температура не меняется.
Существует еще один вариант понимания этого термина - кристаллизация из перенасыщенных растворов. В этом случае причиной перехода становится не только достижение определенной температуры, но и степень насыщения раствора определенным веществом. На определенном этапе количество частиц растворенного вещества становится слишком большим, что вызывает образование мелких монокристалликов. Они присоединяют молекулы из раствора, производя послойный рост. В зависимости от условий роста кристаллы имеют различную форму.
Число молекул
Определить количество частиц, содержащееся в данной массе вещества, проще всего при помощи следующей формулы:
Отсюда выходит, что число молекул равняется:
То есть необходимо прежде всего определить количество вещества, приходящееся на определенную массу. Затем оно умножается на число Авогадро, в результате чего получаем количество структурных единиц. Для соединений подсчет ведется суммированием атомного веса компонентов. Рассмотрим простой пример:
Определим количество молекул воды в 3 граммах. Формула (H2O) содержит два атома и один . Общий атомный вес минимальной частицы воды составит: 1+1+16 = 18 г/моль.
Количество вещества в 3 граммах воды:
Число молекул:
1/6 × 6 × 1023 = 1023.
Формула массы молекулы
Один моль всегда содержит одинаковое количество минимальных частиц. Следовательно, зная массу моля, можно разделить ее на количество молекул (число Авогадро), получив в результате массу системной единицы.
Следует учесть, что эта формула относится лишь к неорганическим молекулам. Размеры органических молекул намного больше , их величина или вес имеют совсем другие значения.
Молярная масса газа
Молярная масса - это масса в килограммах одного моля вещества . Поскольку в одном моле содержится одинаковое количество структурных единиц, формула молярной массы имеет такой вид:
M = κ × Mr
где k - коэффициент пропорциональности;
Mr - атомная масса вещества.
Молярная масса газа может быть рассчитана по уравнению Менделеева-Клапейрона:
pV = mRT / M,
из которой можно вывести:
M = mRT / pV
Таким образом, молярная масса газа прямо пропорциональна произведению массы газа на температуру и универсальную газовую постоянную и обратно пропорциональна произведению давления газа и его объема.
Внимание! Следует учесть, что молярная масса газа как элемента может отличаться от газа как вещества, например, молярная масса элемента кислорода (О) равна 16 г/моль, а масса кислорода как вещества (О2) равна 32 г/моль.
Основные положения МКТ.
Физика за 5 минут — молекулярная физика
Вывод
Формулы, которые содержат молекулярная физика и термодинамика, позволяют вычислить количественные значения всех процессов, происходящих с твердыми веществами и газами. Такие расчеты необходимы как в теоретических изысканиях, так и на практике, поскольку они способствуют решению практических задач.
Для этого нужно сложить массы всех атомов в этой молекуле.
Пример 1. В молекуле воды Н 2 О 2 атома водорода и 1 атом кислорода. Атомная масса водорода = 1, а кислорода = 16. Поэтому молекулярная масса воды равна 1 + 1 + 16 = 18 атомных единиц массы, а молярная масса воды =18 г/моль.
Пример 2. В молекуле серной кислоты Н 2 SO 4 2 атома водорода, 1 атом серы и 4 атома кислорода. Поэтому молекулярная масса этого вещества составит 1 2 + 32 + 4 16 = 98 а.е.м, а молярная масса - 98 г/моль.
Пример 3. В молекуле сульфата алюминия Al 2 (SO 4) 3 2 атома алюминия, 3 атома серы и 12 атомов кислорода. Молекулярная масса этого вещества равна 27 · 2 + 32 · 3 + 16 · 12 = 342 а.е.м., а молярная масса - 342г/моль.
Моль, молярная масса
Молярная масса - это отношение массы вещества к количеству вещества, т.е. М(х) = m(x)/n(x), (1)
где М(х) - молярная масса вещества Х, m(x) – масса вещества Х, n(x) - количество вещества Х.
Единица СИ молярной массы - кг/моль,однако обычно используется единица г/моль. Единица массы - г, кг.
Единица СИ количества вещества - моль.
Моль - это такое количество вещества, в котором содержится 6,02·10 23 молекул этого вещества.
Любая задача по химии решается через количество вещества. Необходимо помнить основные формулы:
n(x) =m(x)/ М(х)
или общую формулу: n(x) =m(x)/М(х) = V(x)/Vm = N/N A , (2)
где V(x) – объем вещества Х(л), V m - молярный объем газа при н.у. (22,4 л/моль), N - число частиц, N A - постоянная Авогадро (6,02·10 23).
Пример 1. Определите массу иодида натрия NaI количеством вещества 0,6 моль.
Пример 2. Определите количество вещества атомного бора,содержащегося в тетраборате натрия Na 2 B 4 O 7 массой 40,4 г.
|
m(Na 2 B 4 O 7) = 40,4 г. |
Молярная масса тетрабората натрия составляет 202 г/моль. Определяем количество вещества Na 2 B 4 O 7: n(Na 2 B 4 O 7) = m(Na 2 B 4 O 7)/М(Na 2 B 4 O 7) = 40,4/202 = 0,2 моль. Вспомним, что 1 моль молекулы тетрабората натрия содержит 2 моль атомов натрия, 4 моль атомов бора и 7 моль атомов кислорода (см. формулу тетрабората натрия). Тогда количество вещества атомного бора равно: n(B)= 4 · n(Na 2 B 4 O 7) = 4 · 0,2 = 0,8 моль. |
В химии не используют значения абсолютных масс молекул, а пользуются величиной относительная молекулярная масса. Она показывает, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода. Эту величину обозначают M r .
Относительная молекулярная масса равна сумме относительных атомных масс входящих в нее атомов. Вычислим относительную молекулярную массу воды.
Вы знаете, что в состав молекулы воды входят два атома водорода и один атом кислорода. Тогда ее относительная молекулярная масса будет равна сумме произведений относительной атомной массы каждого химического элемента на число его атомов в молекуле воды:
Зная относительные молекулярные массы газообразных веществ, можно сравнивать их плотности, т. е. вычислять относительную плотность одного газа по другому - D(А/Б). Относительная плотность газа А по газу Б равна отношению их относительных молекулярных масс:
Вычислим относительную плотность углекислого газа по водороду:
Теперь вычисляем относительную плотность углекислого газа по водороду:
D(угл. г./водор.) = M r (угл. г.) : M r (водор.) = 44:2 = 22.
Таким образом, углекислый газ в 22 раза тяжелее водорода.
Как известно, закон Авогадро применим только к газообразным веществам. Но химикам необходимо иметь представление о количестве молекул и в порциях жидких или твердых веществ. Поэтому для сопоставления числа молекул в веществах химиками была введена величина - молярная масса .
Молярная масса обозначается М , она численно равна относительной молекулярной массе.
Отношение массы вещества к его молярной массе называется количеством вещества .
Количество вещества обозначается n . Это количественная характеристика порции вещества, наряду с массой и объемом. Измеряется количество вещества в молях.
Слово «моль» происходит от слова «молекула». Число молекул в равных количествах вещества одинаково.
Экспериментально установлено, что 1 моль вещества содержит частиц (например, молекул). Это число называется числом Авогадро. А если к нему добавить единицу измерения - 1/моль, то это будет физическая величина - постоянная Авогадро, которая обозначается N А.
Молярная масса измеряется в г/моль. Физический смысл молярной массы в том, что эта масса 1 моль вещества.
В соответствии с законом Авогадро, 1 моль любого газа будет занимать один и тот же объем. Объем одного моля газа называется молярным объемом и обозначается V n .
При нормальных условиях (а это 0 °С и нормальное давление - 1 атм. или 760 мм рт. ст. или 101,3 кПа) молярный объем равен 22,4 л/моль.
Тогда количество вещества газа при н.у. можно вычислить как отношение объема газа к молярному объему.
ЗАДАЧА 1 . Какое количество вещества соответствует 180 г воды?
ЗАДАЧА 2. Вычислим объем при н.у., который займет углекислый газ количеством 6 моль.
Список литературы
- Сборник задач и упражнений по химии: 8-й класс: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. - М.: АСТ: Астрель, 2006. (с. 29-34)
- Ушакова О.В. Рабочая тетрадь по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006. (с. 27-32)
- Химия: 8-й класс: учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005. (§§ 12, 13)
- Химия: неорг. химия: учеб. для 8 кл. общеобр.учрежд. / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009. (§§ 10, 17)
- Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. - М.: Аванта+, 2003.
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
- Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().
- Тесты по химии (онлайн) ().
Домашнее задание
1. с.69 № 3; с.73 №№ 1, 2, 4 из учебника «Химия: 8-й класс» (П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005).
2. №№ 65, 66, 71, 72 из Сборника задач и упражнений по химии: 8-й класс: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. - М.: АСТ: Астрель, 2006.
Большинство учеников средних школ одним из самых сложных и неприятных предметов для себя считают химию. На самом же деле химия не сложнее той же физики, или математики, а в некоторых случаях гораздо интереснее их. Многие ученики еще не приступив к изучению химии уже подсознательно ее бояться, наслушавшись отзывов от старшеклассников обо всех «ужасах» данного предмета и «тирании» его преподавателя.
Другой причиной сложностей с химией является то, что в ней используются некоторые специфические ключевые понятия и термины, с которыми ученик никогда ранее не сталкивался и аналогию которым сложно найти в обычной жизни. Без соответствующего объяснения со стороны преподавателя данные термины так и остаются непонятыми учениками, что затрудняет весь последующий процесс изучения химия.
Одним из таких терминов является понятие молярной массы вещества и задачи по ее нахождению. Это является основой основ всего предмета химии.
Что такое молярная масса вещества
Классическое определение гласит, что молярная масса
- это масса одного моль вещества. Вроде бы все просто, но остается непонятным что такое «один моль» и имеет ли она какую-то связь с насекомыми.
Моль – это количество вещества, в котором содержится определенное количество молекул, если быть точным, то 6,02 ∙ 10 23 . Это число называется постоянной или числом Авогадро.
Все химические вещества имеют разный состав и размер молекул. Следовательно, если взять одну порцию, состоящую из 6,02 ∙ 10 23 молекул, то у разных веществ будет свой объем и своя масса этой порции. Масса данной порции и будет являться молярной массой конкретного вещества. Молярная масса традиционно обозначается в химии буквой M и имеет размерность г/моль и кг/моль.
Как найти молярную массу вещества
Прежде чем приступить к вычислению молярной массы вещества необходимо четко уяснить ключевые понятия, связанные с ней.
- Молярная масса вещества численно равна относительной молекулярной массе, если структурными единицами вещества являются молекулы. Молярная масса вещества также может быть равна относительной атомной массе, если структурными единицами вещества являются атомы.
- Относительная атомная масса показывает во сколько раз масса атома конкретного химического элемента больше заранее определенной постоянной величины за которую принята масса 1/12 части атома углерода. Понятие относительной атомной массы введено для удобства, так как человеку сложно оперировать столь малыми числами как масса одного атома.
- Если вещество состоит из ионов, то в этом случае говорят о его относительной формульной массе
. Например, вещество карбонат кальция CaCO 3 состоит из ионов.
- Относительную атомную массу вещества конкретного химического элемента можно найти в периодической таблице Менделеева. Например, для химического элемента углерода относительная атомная масса равна 12,011. Относительная атомная масса не имеет единиц измерения. Молярная масса углерода будет равна, как уже было сказано выше, относительной атомной, но при этом у нее появятся единицы измерения. То есть молярная масса углерода будет равна 12 г/моль. Это означает, что 6,02 ∙ 10 23 атомов углерода будут весить 12 грамм.
- Относительную молекулярную массу можно найти как сумму атомных масс всех химических элементов, образующих молекулу вещества. Рассмотрим это на примере двуокиси углерода, или как его еще все называют углекислого газа, имеющего формулу CO 2 .
В молекулу углекислого газа входит один атом углерода и два атома кислорода. Используя таблицу Менделеева находим, что относительная молекулярная масса углекислого газа будет равна 12 + 16 ∙ 2 = 44 г/моль. Именно такой массой будет обладать порция углекислого газа, состоящая из 6,02 ∙ 10 23 молекул.
- Классическая формула нахождения молярной массы вещества в химии имеет следующий вид:
M = m/n
где, m – масса вещества, г;
n – число молей вещества, то есть сколько порций по 6,02 ∙ 10 23 молекул, атомов или ионов в нем содержится, моль.Соответственно число молей вещества может быть определено по формуле:
n = N/N a
где, N – общее число атомов или молекул;
N а – число или постоянная Авогадро, равная 6,02 ∙ 10 23 .На этих двух формулах базируется большинство задач по нахождению молярной массы вещества в химии. Вряд ли для большинства людей будет непреодолимой трудностью использование двух взаимосвязанных отношений. Главное понять суть основных понятий таких как моль, молярная масса и относительная атомная масса и тогда решение задач по химии не вызовет у вас никаких затруднений.
Чтобы решить большинство типовых задач по химии вы также можете добавить одно из известных условий: число молекул, число молей или массу вещества. Под кнопкой Рассчитать после ее нажатия будет приведено полное решение задачи на основе введенных исходных данных.
Если в химической формуле вещества встречаются скобки, то раскройте их, добавив к каждому элементу соответствующий индекс. Например, вместо классической формулы гидроксида кальция Ca(OH) 2 используйте в калькуляторе следующую формулу химического вещества CaO 2 H 2 .
Одной из основных единиц в Международной системе единиц (СИ) является единица количества вещества – моль.
Моль – это такое количество вещества, которое содержит столько структурных единиц данного вещества (молекул, атомов, ионов и др.), сколько атомов углерода содержится в 0,012 кг (12 г) изотопа углерода 12 С .
Учитывая, что значение абсолютной атомной массы для углерода равно m (C) = 1,99 · 10 26 кг, можно рассчитать число атомов углерода N А , содержащееся в 0,012 кг углерода.
Моль любого вещества содержит одно и то же число частиц этого вещества (структурных единиц). Число структурных единиц, содержащихся в веществе количеством один моль равно 6,02·10 23 и называется числом Авогадро (N А ).
Например, один моль меди содержит 6,02·10 23 атомов меди (Cu), а один моль водорода (H 2) – 6,02·10 23 молекул водорода.
Молярной массой (M) называется масса вещества, взятого в количестве 1 моль.
Молярная масса обозначается буквой М и имеет размерность [г/моль]. В физике пользуются размерностью [кг/кмоль].
В общем случае численное значение молярной массы вещества численно совпадает со значением его относительной молекулярной (относительной атомной) массы.
Например, относительная молекулярная масса воды равна:
Мr(Н 2 О) = 2Аr (Н) + Аr (O) = 2∙1 + 16 = 18 а.е.м.
Молярная масса воды имеет ту же величину, но выражена в г/моль:
М (Н 2 О) = 18 г/моль.
Таким образом, моль воды, содержащий 6,02·10 23 молекул воды (соответственно 2·6,02·10 23 атомов водорода и 6,02·10 23 атомов кислорода), имеет массу 18 граммов. В воде, количеством вещества 1 моль, содержится 2 моль атомов водорода и один моль атомов кислорода.
1.3.4. Связь между массой вещества и его количеством
Зная массу вещества и его химическую формулу, а значит и значение его молярной массы, можно определить количество вещества и, наоборот, зная количество вещества, можно определить его массу. Для подобных расчетов следует пользоваться формулами:
где ν – количество вещества, [моль]; m – масса вещества, [г] или [кг]; М – молярная масса вещества, [г/моль] или [кг/кмоль].
Например, для нахождения массы сульфата натрия (Na 2 SO 4) количеством 5 моль найдем:
1) значение относительной молекулярной массы Na 2 SO 4 , представляющую собой сумму округленных значений относительных атомных масс:
Мr(Na 2 SO 4) = 2Аr(Na) + Аr(S) + 4Аr(O) = 142,
2) численно равное ей значение молярной массы вещества:
М(Na 2 SO 4) = 142 г/моль,
3) и, наконец, массу 5 моль сульфата натрия:
m = ν · M = 5 моль · 142 г/моль = 710 г.
Ответ: 710.
1.3.5. Связь между объемом вещества и его количеством
При нормальных условиях (н.у.), т.е. при давлении р , равном 101325 Па (760 мм. рт. ст.), и температуре Т, равной 273,15 К (0 С), один моль различных газов и паров занимает один и тот же объем, равный 22,4 л.
Объем, занимаемый 1 моль газа или пара при н.у., называется молярным объемом газа и имеет размерность литр на моль.
V мол = 22,4 л/моль.
Зная количество газообразного вещества (ν) и значение молярного объема (V мол) можно рассчитать его объем (V) при нормальных условиях:
V = ν · V мол,
где ν – количество вещества [моль]; V – объем газообразного вещества [л]; V мол = 22,4 л/моль.
И, наоборот, зная объем (V ) газообразного вещества при нормальных условиях, можно рассчитать его количество (ν):