Меню

Что такое количество вещества и как его найти



Урок 8. Химическое количество вещества и моль

В уроке 8 «Химическое количество вещества и моль» из курса «Химия для чайников» выясним, что такое химическое количество вещества; рассмотрим моль в качестве единицы количества вещества, а также познакомимся с постоянной Авогадро. Напоминаю, что в прошлом уроке «Относительная молекулярная и относительная формульная массы» мы научились вычислять относительную молекулярную массу, а также относительную формульную массу веществ; кроме того, выяснили что такое массовая доля и привели формулу для ее вычисления.

Любое чистое вещество имеет свою химическую формулу, т. е. характеризуется определенным качественным и количественным составом.

Если необходима какая-то порция твердого вещества, то для этого следует взять нужную его массу, т. е. взвесить вещество (рис. 43). Нужный объем жидкого вещества обычно отмеряют с помощью мензурки или мерного цилиндра (рис. 44). Для отбора необходимой порции (объема) газообразных веществ применяют специальные емкости — газометры (рис. 45).

Следовательно, объем и масса — это величины, характеризующие данную порцию вещества.

Химическое количество вещества

В жизни мы часто не различаем понятия «масса» и «количество». А это разные понятия. Когда вы говорите: «Я купил 2 кг груш», то здесь речь идет о массе груш. Но если вы говорите: «Я купил 10 груш», то в этом случае речь идет о количестве груш. Массу вещества измеряют в граммах, килограммах, тоннах, а количество — в штуках.

Груши можно пересчитать поштучно, а если это, например, зерна? Тут уже посчитать каждое зернышко даже в небольшой емкости сложно. Поэтому зерно обычно продают мешками, т. е. определенными порциями. В каждой такой порции — мешке (если они равны по массе и все зерна одинаковы) — будет находиться практически одно и то же число зерен. Подобным образом продают многие товары. Например, яйца — десятками, спички — спичечными коробками, в каждом из которых находится по 45 спичек (рис. 46).

В химической практике, помимо массы или объема, необходимо знать число структурных единиц (атомов, молекул, формульных единиц), которые содержатся в данной порции вещества, поскольку именно они участвуют в химических реакциях. Поэтому в химии, как и в других естественных науках, используют физическую величину, характеризующую число частиц в рассматриваемой порции вещества. Эта физическая величина называется количеством вещества или, как следует называть ее при химических расчетах, — химическое количество вещества.

Химическое количество вещества — физическая величина, пропорциональная числу структурных единиц, содержащихся в данной порции вещества.

Другими словами, химическое количество вещества — это порция данного вещества, содержащая определенное число его структурных единиц. Химическое количество вещества обозначают латинской буквой n . Это одна из семи основных физических величин Международной системы единиц (СИ).

Моль — единица химического количества вещества

Каждая из основных физических величин имеет свою единицу. Например, единица длины — метр (м), массы — килограмм (кг), времени — секунда (с). Единицей химического количества вещества является моль.

Моль — порция вещества (т. е. такое его химическое количество), которая содержит столько же структурных единиц, сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг.

Сокращенное обозначение единицы химического количества записывается, как и полное, — моль. Поэтому, если слово «моль» стоит после числа, то оно не склоняется, так же, как и другие сокращенные единицы величин: 3 кг, 5 л, 8 моль. При чтении вслух и при записи числительного буквами слово «моль» склоняется: три килограмма, пять литров, восемь молей.

На заметку. Термины «молекула» и «моль», как нетрудно заметить, однокоренные. Они действительно произошли от одного и того же латинского слова «moles». Но это слово имеет, по крайней мере, два значения. Первое — «маленькая масса». Именно в этом смысле в XVII в. оно превратилось в термин «молекула». А понятие «моль» (в смысле кучка, порция) появилось значительно позже, в начале ХХ в. Автор этого термина известный немецкий химик и физик Оствальд толковал его смысл как «большая масса», как бы противопоставляя термину «молекула».

Число ( N ) атомов в порции углерода массой 0,012 кг легко определить, зная массу одного атома углерода (19,94·10 -27 кг):

Следовательно, в углероде массой 0,012 кг содержатся 6,02·10 23 атомов углерода и эта порция составляет 1 моль. Столько же структурных единиц содержится в 1 моль любого вещества .

получила название постоянной Авогадро. Она является одной из важнейших универсальных постоянных и обозначается символом NA :

Единица в числителе дроби (1/моль) заменяет название структурной единицы.

Если структурной единицей вещества (например, меди, углерода) является атом, то в порции этого вещества количеством 1 моль содержатся 6,02·10 23 атомов . В случае веществ молекулярного строения (вода, углекислый газ) их порции количеством 1 моль содержат по 6,02·10 23 молекул . Если структурными единицами веществ немолекулярного строения (например, NaCl или CuSO4) являются их формульные единицы, то в порциях этих веществ количеством 1 моль содержатся по 6,02·10 23 формульных единиц .

На заметку. Численное значение постоянной Авогадро огромно. О том, насколько велико это число, можно судить по следующему сравнению. Поверхность Земли, включая и водную, равна 510 000 000 км 2 . Если равномерно рассыпать по всей этой поверхности 6,02·10 23 песчинок диаметром 1 мм, то они образуют слой песка толщиной более 1 м.

Зная химическое количество n данного вещества Х , легко рассчитать число молекул (атомов, формульных единиц) N(Х) в этой порции:

если 1 моль вещества содержит 6,02·10 23 молекул, то n моль вещества содержат N(Х) молекул.

И наоборот, по числу структурных единиц можно рассчитать химическое количество вещества:

Пример 1. Определите число молекул, содержащихся в серной кислоте химическим количеством 3 моль.

Пример 2. Рассчитайте химическое количество CuSO4 в порции, содержащей 36,12·10 23 формульных единиц (ФЕ).

Краткие выводы урока:

  1. Химическое количество вещества — физическая величина, пропорциональная числу структурных единиц, содержащихся в данной порции вещества.
  2. Моль — единица химического количества вещества, т. е. такое его количество, которое содержит 6,02·10 23 структурных единиц.

Надеюсь урок 8 «Химическое количество вещества и моль» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Источник статьи: http://himi4ka.ru/arhiv-urokov/urok-8-himicheskoe-kolichestvo-veshhestva-i-mol.html

Количество вещества формула — примеры вычислений для разных веществ

Общее понятие

Физическая величина применяется для вычисления количества конструкционных частиц в материальной субстанции. Понятие используется в случае, когда для численного определения количества вещества в химии требуется описание микроскопического строения формы материи.

Представление процессов в этом ключе нужно при проведении электролиза, получении азота и идеального газа, а также в других областях физики, которые рассматривают варианты превращения и передачи энергии.

Количество вещества является удобным понятием при характеристике различных химических процессов в отличие от массы. Это случается из-за того, что структурные электрические частицы реагируют независимо от их массы в объемах, которые являются кратными целым числам.

Примером служит процесс горения водорода, где число кислорода требуется в 2 раза меньше: О 2 + 2Н 2 = 2Н 2 О.

В этой реакции водородная масса меньше кислородной примерно в 8 раз из-за того, что атомная масса водорода меньше в 16 раз аналогичного показателя кислорода. Применение понятия количества элементов снижает неудобство при составлении уравнений. При этом взаимное соотношение между объемом веществ выражается уравнительным коэффициентом.

Формулы, которые применяются:

  1. Количество вещества закон Авогадро определяет на основании объема: n = V / V m, где V — объем порции газа в нормальном состоянии, а V m означает молярную величину объема субстанции в аналогичных условиях и равняется 22,4 л/моль.
  2. Другая формула показывает определение количества в зависимости от количества конструктивных элементов с применением постоянной Авогадро: n = N / N a, где N — число звеньев, а N a — постоянная константа Авогадро.
  3. В зависимости от массы и молярного веса расчет ведется по формуле: n = m / M, где m — масса субстанции, а М представляет его молярную массу.

Непосредственное число молекул не используется при расчете, т. к. это количество в реальности очень большое. Вместо обозначения молекул в штуках, применяется измерение в молях. Фактическое содержание единиц в 1 моле материи носит наименование числа Авогардо, при этом Na = 6,022141 х 10 23 шт./моль.

Значение моля

Вес отдельных структурных элементов формы материи отличается, поэтому одинаковые объемы имеют различные массовые показатели. Моль — это количество материи, которое содержит число молекул, являющееся аналогичным количеству углеродных атомов в 12 г углекислого газа.

Массовый показатель не служит мерой количества субстанции, например:

  • 1025 водородных молекул весят 33,5 г;
  • 1025 кислородных частиц имеют массу 531,5 г.

Один моль составляет столько же нейтральных частиц, сколько их есть в 1 грамме водорода, такое положение принимается для удобства химических расчетов. При использовании наименования конструктивные элементы конкретизируются.

Понятия молекулы и моля взаимосвязаны между собой. Второе слово означает число, осязаемое множество и массу, а нейтральная частица рассматривается в качестве маленькой тяжести. Моль рассматривается в виде такого количества, которое можно отнести к понятию большой массы, состоящей из небольших весов отдельных элементов.

Молярная и молекулярная масса применяются не только к субстанциям, которые в основе конструкции имеют молекулы, но и к ионным и атомарным материальным формам.

Использование массы нейтральных частиц

В прошлом веке обнаружился научный факт, что если 2 газа содержатся в емкостях с одним и тем же объемом, то количество молекул остается одинаковым в этих субстанциях при соблюдении идентичного давления и нормальной температуры. Это значит, что важные характеристики тела определяются количеством структурных частиц, а не общим весом.

Количественное значение молярной массы M и показатели относительного молекулярного веса остаются равными, но первый предел измеряется в г/моль или моль, а вторая записывается в молях. Константа Авогадро обеспечивает пропорциональность и позиционирует переход к молярному соотношению.

Для расчета количества структурных элементов используется понятие молярной массы. Оно означает массу, которую составляет 1 моль вещества и получается от произведения молекулярной массы на количественный состав молекул в моле (число Авогардо). Молярная масса, для измерения которой используется единица грамм/ ммоль, является аналогичной по числу с относительным весом нейтральных частиц.

Примеры отмеривания равных молекулярных пропорций:

  1. 1 моль воды соответствует 6 х 10 23 молекул Н 2 О.
  2. 1 моль хлора — 6 х 10 23 атомов Fe.
  3. 1 моль ионов хлора — 6 х 10 23 ионов Cl.
  4. 1 моль хлора — 6 х 10 23 молекул Cl 2.
  5. 1 моль электронов е — — 6 х 10 23 электронов е — .

Разница между молярной и молекулярной массой заключается в том, что они одинаковы в численном соотношении, но отличаются постоянной размерностью. Используется суммирование молярных масс составляющих элементов смеси для нахождения этой величины у многокомпонентных соединений. Для расчета молярной массы воды применяется калькулятор: М (Н 2 О) = М (О) + М (Н) = (16 + 2 . 1) = 18 моль.

Показатель относительного веса

Относительная молекулярная масса представляет собой вес молекулы, который выражается в атомных единицах. В расчетах используются не абсолютные веса, а относительные, т. к. масса молекулы очень мала. Например, молекула воды весит 3.10

26 кг, и частицы остальных веществ имеют значения подобного порядка. Нахождение показателя можно провести онлайн в соответствии с международными стандартами, которые сравнивают массы структурных элементов с 1/12 долей веса углеродного атома.

Успешное решение задачи связывается с тем, что углекислый газ является компонентом различных химических веществ. Принимается, что 1 атомная единица (1 а. е. м) соответствует весу водородного атома. Относительный атомный вес рассчитывается как масса неделимой частицы, выраженная в атомных единицах, при этом значение показателя берется из таблицы Д. И. Менделеева.

Относительные молекулярные массы сложных соединений находятся суммированием аналогичных показателей веса составляющих компонентов. Для подсчета требуется знание химической формулы и значение относительных атомных масс входящих элементов.

Например, молекулярный вес метана СН 4 равен 16 а. е. м (4+12), значит, при горении вещества применяется формула 2О + СН 4 = СО 2 + 2Н 2 О. Из 1 моля метана выходит 2 единицы воды, при этом 16 г газа служит для получения 36 г воды (пропорциональное соответствие).

Химические реакции

При реакции горения метана на каждую молекулу вещества требуется использовать 2 частицы кислорода. Но в условиях открытого воздуха содержание кислорода всегда является достаточным для прохождения реакции. В ограниченных условиях подводных или космических работ требуется точное определение количества вещества и молекул реагентов. Например, если в топку космического агрегата попадает больше кислорода, чем требуется, то снижается тяга и перерасходуется топливо.

Примеры использования относительного веса в реакциях:

  1. Сероводород имеет формулу H 2 S. Молекулярная масса его частицы рассчитывается в виде суммы относительных масс атомов, являющихся компонентами M r (H 2 S) = A r (S) + 2· Ar (H). Для расчета молекулярной массы используется уравнение Mr (H 2 S) = 2х1+32 = 2+32 = 34.
  2. Гелий в нормальных обстоятельствах работает, как идеальный газ, поэтому значение молярной массы рассчитывается по формуле Клайперона — Менделеева pV = mRT /М, где p — давление газа, V — объем, M — масса субстанции, Т — значение абсолютной температуры, R — постоянная константа, составляет 8,3.
  3. Серная кислота применяется в виде двухосновной сильной кислоты H 2 SO 4. Она отвечает за степень серного окисления. В технических реакциях используется смесь с водой и ангидридом серы S О 3. Молярная масса составляет 98,08 ± 0,006 г/миллимоль.

Химики применяют такие пропорции взаимодействия, которые имеют в составе равное число молекул для удобства работы. Точность весов в лаборатории составляет 1 мг, поэтому получается, что 1 млн молекул не всегда удается взвесить. Значит, выбирается не миллион, а другая порция, в которой число n больше этого количества.

Подсчет количества элементов

Примером простой реакции, когда в результате взаимодействия двух продуктов образовывается третья субстанция, является формула А + Б = В. Остается решить весовое количество веществ А и Б, чтобы хватило для реагирования и не осталось исходных материалов, в ином случае продукт В будет загрязнен одним из начальных компонентов.

В качестве примера подходит реакция с участием кальция: Н 2 О + С а О = С а (ОН) 2. Если простейшие формы А и Б состоят из различных атомных наборов Н 2 О и С а О, которые отличаются по весу. Соответственно, в них содержится неодинаковое число частиц, при реакции часть из них не будет использована. Если берется пропорция С а О с содержанием N молекул и порция воды с N частиц, то после взаимодействия не останется никаких веществ и получится количество N молекул.

Отсчет невидимых молекул можно выполнить с помощью взвешивания вещества, для этого требуется вес одной частицы. На весы помещается определенное количество субстанции в граммах, чтобы отмерить требуемое число молекул. Для определения величины вещества в граммах требуется сложить вес составляющих атомов, показатели которых приводятся в периодической таблице.

Атомный вес кальция составляет 40 а. е. м, кислорода — 16 а. е. м, значит, молекулярный вес Са О будет 56 а. е. м. (40+16). Неудобно брать малые количества, например, по 10 молекул субстанции для проведения реакции, поэтому нужно взвесить по миллиону структурных частиц каждого компонента. Для этого высчитывается вес будущей порции, для удобства делается переход из килограммов в граммы, при этом вес 1 а. е. м составляет 1,67х10 -24 г. Для подсчета веса умножается это число на 56, получается 56х (1,67 -24 г) = 93,5х10 -24 .

Чтобы получить вес, который должен быть на весах, полученный результат умножается на миллион молекул, возникает результат 93,5х10 -18 г. При увеличении количества оксида кальция и воды в одинаковое число раз порции частиц возрастают пропорционально, например, 0,1 моль кальция прореагирует с 0,1 молем воды, увеличение кальция до 10 моль потребует повышения числа моль воды также до 10.

Константа Авогадро для газов

Закон Авогадро всегда точно выполняется как для газов в идеальном состоянии, так и для реальных газообразных смесей. Для последних субстанций понятие моля выражается в том, что любой объем газа всегда соответствует определенному количеству молекул. Примером служит реакция, где из аммиака и хлористого водорода выходит аммония хлорид в форме кристаллической твердой субстанции: NH 3 (газ) + HCL (газ) = NH 4 CL (крист.).

Для реагирования требуются одинаковые объемы газообразных веществ, т. к. после окончания реакции не должно оставаться избытка:

  1. В результате проведения опыта в замкнутом пространстве выяснилось, что при взрыве нужно 2 части водорода и одна порция кислорода, при этом получается 2 объема водяных паров в газовой консистенции О 2 + 2Н 2 = 2Н 2 О (все субстанции в виде газа).
  2. Одна порция водорода при реакции с 1 частью хлора преобразовывается в хлористый водород Cl 2 + H 2 = 2 HCL (все компоненты в газообразной форме).

Выводом из этого эксперимента следует то, что газы вступают в реакцию, и требуется объемные отношения с применением целочисленных показателей. Частицы в газе не связываются прочными контактами в отличие от атомов твердых субстанций. Занимаемый объем в похожих условиях зависит от количества молекул, но не от определенного типа газа. Исходя из этого положения, равные объемы газообразных субстанций всегда реагируют друг с другом без остатка.

Источник статьи: http://nauka.club/khimiya/kolichestvo-veshchestva.html


Adblock
detector