Маси та розміри атомів та молекул

· Розміри та форми атомів та молекул

· Маса молекул

· Кількість речовини

· Молярна маса

Розміри та форми атомів та молекул. Нині за допомогою сучасних мікроскопів (електронних та тунельних) отримано достатню кількість фотографій різних видів молекул та атомів. На мал. 4 зображено електронний мікроскоп та фотографія атомів Літія, отримана за допомогою електронного мікроскопа. Світлі крапки на ній – це зображення атомів Літія. Враховуючи збільшення мікроскопа можна оцінити розміри атомами Літію.

Мал. 4, а - електронний мікроскоп, б – фотографія атомів Літія

Приблизну оцінку розмірів молекул можна дістати з досліду, вперше проведеного німецьким фізиком В.Рентгеном і англійським фізиком Д.Релеєм.

Якщо пустити краплину олії, об’єм якої відомий, на поверхню чистої води, то вона розпливеться, утворюючи тонку плівку, товщиною в один шар молекул. Граничну товщину такої плівки можна прийняти за діаметр молекули. Вимірюючи площину плівки за максимального розливання олії, з відношення було оцінено розмір (діаметр) молекул. Результат одного з дослідів такий: см³ площа поверхні плівки 90 см².

.

Сучасними методами уже визначено розміри інших молекул. Наприклад, лінійні розміри молекул кисню становлять 3·10^-10 м, а молекули води – 2,6·10^-10 м, розміри молекул більшості інших речовин мають той самий порядок 10^-10 м. Проте молекули деяких органічних речовин, які складаються з тисяч атомів, мають значно більші розміри. Гігантами є, наприклад, молекули білків. Молекула дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) (мал. 5), яка є носієм спадкової інформації живого організму, у випрямленому стані досягає довжини десятків сантиметрів.

Мал. 5. Схематичне зображення молекули ДНК

Цікавий факт виявися, коли учені визначили розміри атома і розміри його ядра. Діаметр атома становить близько 10^-10 м, а діаметр ядра (в залежності атом якого хімічного елементу ми розглядаємо) становить 10^-14÷10^-15 м, тобто діаметр ядра у 10 000 разів менший за діаметр атома.

Взаємодія атомів між собою визначається у першу чергу властивостями їх електронних оболонок, і говорячи про розмір і форму атома, мають на увазі його електронну оболонку. Найчастіше атом чи молекулу зображають у вигляді кульки. Насправді, дослідженнями виявлено, що форми електронних орбіт атомів досить різноманітні. На мал. 6 подано зображення електронних орбіт різних атомів.

Мал. 6. Форми електронних орбіт атомів

Маса молекул. Оскільки маси молекул неорганічних речовин дуже малі, то в розрахунках краще використовувати не абсолютні значення мас, а відносні. Для зручності розрахунків ввели поняття відносної молекулярної (атомної) маси.

Відносною атомною масою речовини називають відношення маси атома даної речовини до 1/12 маси атома Карбону (С¹²):

.

Величину використовують для порівняння з масою довільного атома тому, що Карбон є поширеним елементом, на цю величину майже націло діляться всі маси атомів інших хімічних елементів.

Одиницею відносної атомної (молекулярної) маси є атомна одиниця маси (а.о.м.).

Абсолютні значення атомних мас різних хімічних елементів лежать у межах 10 ²⁵ – 10^{–27 кг, а їхні відносні маси, наведені у періодичній таблиці хімічних елементів Д. І. Менделєєва, – у межах 1–100 а. о. м. Для органічних речовин значення M} _r може досягати сотень тисяч.

Для практичних розрахунків наведені у цій таблиці відносні атомні маси хімічних елементів ми надалі заокруглюватимемо до найближчого цілого числа.

Якщо речовина складається не з атомів, а з молекул, то її відносна молекулярна маса дорівнює сумі відносних атомних мас атомів, які утворюють молекулу.

Наприклад, для Н₂О: .

Експериментально встановлено, що атомна одиниця маси дорівнює 1,660∙10^-27 кг (маса 1/12 частини маси атома Карбону). Оскільки у періодичній системі Менделєєва вказані відносні атомні маси елементів, то легко обчислити масу будь якого атома чи молекули. Наприклад, маса молекули води:

Кількість речовини. Для розв’язання багатьох практичних питань дуже зручно користуватись такими порціями речовини, які мають однакове число молекул. Але кількість молекул у будь-якому макроскопічному тілі така велика, що в обчисленнях використовують не абсолютну кількість молекул, а відносну.

Фізична величина, яка визначається відносним числом специфічних структурних елементів — молекул, атомів чи іонів, з яких складається речовина називається кількістю речовини і позначається .

Кількість речовини - фізична величина, яка визначається відношення числа молекул (атомів чи іонів) N у даному тілі до числа N_А атомів у 0,012 кг карбону: .

Одиницею кількості речовини є моль, [ ] = 1 моль.

Моль — одиниця кількості речовини, одна з семи основних одиниць Міжнародної системи одиниць (СІ). Моль дорівнює кількості речовини системи, яка містить стільки ж структурних елементів (мо­лекул, атомів, електронів тощо), скільки атомів міститься в 0,012 кг ізотопу карбону .

Незалежно від агрегатного стану 1 моль речовини містить одне й те саме число молекул, що дорівнює числу Авогадро N_А = 6,02·10²³ моль^-1.

Амедео Авогадро (1776 – 1856)

Італійський фізик і хімік. Основні праці присвячені молекулярній фізиці. У 1811 р. відкрив важливий для фізики та хімії закон, згідно з яким при однакових температурах і тисках у рівних об’ємах різних газів міститься однакова кількість молекул. Згідно закону 1 кмоль будь-якого ідеального газу при нормальних умовах [3] займає об’єм 22,4 м3.   Виходячи з цього закону запропонував метод визначення атомних мас елементів і молекулярних мас речовин.

Молярна маса. Крім відносної молекулярної маси у фізиці та хімії широко використовують молярну масу .

Молярна маса (М) – фізична величи­на, яка визначається відношенням маси речовини m до кількості речовини : .

Іншими словами, молярною масою називають масу речовини, взятої в кількості одного моля. Відповідно до цього означення молярна маса визначається добутком маси молекули та сталої Авогадро: М = m ₀ N_A або .

Доведіть, що молярна маса суміші, яка складається з n різних газів визначається за формулою:

,

де m_1, m₂, m_n - маси газів, М₁ М₂, М_n - їх молярні маси відповідно.

Кількість атомів (або молекул) (N), що містяться у речовині масою m можна визначити за формулою:

.

Усі ці параметри називаються мікроскопічними параметрами, оскільки вони характеризують дуже малі величини. Молярну масу визначають хімічними методами. Стала Авогадро з високою точністю визначена кількома фізичними методами. Маси молекул і атомів зі значним ступенем точності визначаються за допомогою масспектрографа. Це прилад, у якому за допомогою електричних і магнітних полів відбувається поділ пучків заряджених частинок (йонів) у просторі залежно від їх маси і електричного заряду.

Дайте відповіді на запитання

1. Що таке молекула? Атом?

2. Який порядок величини діаметра і маси молекул неорганічних речовин?

3. Чому молекулярна фізика використовує відносні величини для вимірювання маси?

4. Що називають відносною молекулярною масою? Яка формула виражає це поняття?

5. Чому дорівнює відносна молекулярна маса води?