Как найти количество молей вещества в физике

Химия — наука, изучающая взаимодействие веществ на атомном и молекулярном уровнях. Эти процессы значительно отличаются от привычного нам макроуровня и поэтому требуют специфических подходов, в том числе к «подсчету» и «взвешиванию».

Школьный курс химии включает понятия «моль» и «молярной массы». Они кажутся сложными, но если разобраться, то вы без труда поймете сущность этих понятий и научитесь ими пользоваться при решении задач.

Моль

Понятие «моль» попытаемся разобрать и, самое главное, понять на примере всем знакомой реакции взаимодействия кислорода и водорода. Когда одна молекула O₂ соединяется с двумя молекулами H₂, получается две молекулы H₂O:

• O₂ + 2H₂ = 2H₂O

То есть, чтобы максимально полно провести химическую реакцию, мы должны взять на каждую молекулу кислорода две молекулы водорода. Итак, у нас есть 100 г кислорода.

Сколько понадобится водорода для протекания процесса? И тут возникает первый вопрос: сколько молекул в 100 г кислорода? Наверное, миллиарды или даже миллиарды миллиардов? И сколько их в 100 г водорода? Уж точно в не в 2 раза меньше.

Как вообще подсчитать молекулы, ведь они бывают совершенно разными, «тяжелыми» и «легкими». Этими вопросами задавались и люди, закладывавшие основу современной химической науки.

Был найден простой выход, который помогает легко и изящно решить проблему. Химики решили взять за единицу измерения не одну молекулу, а определенное их количество, причем очень большое. Таким образом эта единица измерения приводит микроуровень к макроуровню. Она называется «моль».

Моль — это количество вещества из 6,02214076⋅10²³ атомов или молекул. Оно не имеет физического смысла и изначально было привязано к массе определенного количества (12 граммов) углерода-12, но позже переопределено, как и многие другие единицы системы СИ.

В школьных расчетах количество структурных единиц в моле, которое также называется постоянной Авогадро, обычно округляют до 6,022⋅10²³ и обозначают N_A.

С этой величиной связано другое химическое понятие — «количество вещества», то есть количество структурных единиц в определенной его порции. Оно обозначается буквой ν (ню).

Примеры

В стакане содержится 2 моль воды. Сколько молекул воды находится в стакане?

• N = ν⋅ N_A =2 ⋅ 6,022⋅10²³ = 12,044⋅10²³ молекул воды.

Также можно решить обратную задачу. Сколько молей вещества составляют 24,088⋅10²³ молекул воды?

• ν⋅ = N / N_A = 24,088⋅10²³ / 6,022⋅10²³ = 4 моля.

Что называется молярной массой

Итак, мы поняли, что моль — условное количество вещества, выбранное для удобства химиков. Это даже не миллиарды миллиардов, как мы предположили ранее, а миллиарды триллионов, что никак не облегчает задачу подсчета этих структурных единиц.

Как же все-таки узнать, сколько атомов или молекул в 100 граммах того или иного вещества? Теперь хорошо бы связать количество вещества и его массу, ведь это не одно и то же. Нам поможет «молярная масса» — 1 моль вещества или 6,022⋅10²³ структурных единиц этого вещества.

Итак, масса вещества равна массе порции вещества m к количеству молекул ν в его порции:

• М = m / ν.

Вооружившись этим знанием, мы можем переводить граммы в число молекул и наоборот. При этом следует учесть, что молярная масса численно идентична молекулярной массе (то есть массе молекулы), выраженной в атомных единицах массы, и относительной молекулярной массе.

Пример

Найдем массу 5 моль воды.

Чтобы решить эту задачу, обратимся к формуле молярной массы и выразим из нее массу:

• m = М ⋅ ν

В этой формуле мы знаем количество вещества ν = 5 моль, а молярную массу сложной молекулы нужно определить, как сумму молярных масс составляющих ее химических элементов:

• M (H₂O) = 2 ⋅M (H) + M (O)

Где взять молярные массы кислорода и водорода (в соединение входит два атома водорода, поэтому его молярную массу умножаем на 2)?

Для этого нам понадобится таблица Менделеева и значение «относительной атомной массы», которая, как мы уже знаем, идентична молекулярной. Это значение приведено для каждого химического элемента и для водорода равно 1,00797 (то есть близко к 1), для углерода — близко к 6, для кислорода — около 16.

Подставим соответствующие значения в исходную формулу и получим:

• M (H₂O) = 2 ⋅M (H) + M (O) = 2 ⋅ 1 + 16 = 18 г/моль.

То есть вес 1 моль воды составляет 18 граммов. Теперь можем подсчитать массу 5 моль воды:

• m = М ⋅ ν = 18 ⋅ 5 = 90 г.

Аналогичным образом мы можем подсчитать количество вещества, которое содержится в определенном образце заданной массы. Для примера возьмем оксид алюминия Al₂O₃ и узнаем, сколько моль в 400 граммах этого вещества. Для этого выразим количество вещества через молярную массу и подставим исходные данные:

• ν = m / М = 400 / (2 ⋅ М (Al) + 3 ⋅ (O)) = 400 / (2 ⋅ 75 + 3 ⋅ 16) = 400 / (150 + 48) = 400 / 198 ≈ 2,02 моль.

Занимайтесь на курсах ЕГЭ и ОГЭ в паре TwoStu и получите максимум баллов на экзамене:

И молекулярная физика, и термодинамика изучают свойства вещества, но при этом пользуются разными методами.

Молекулярная физика рассматривает свойства вещества с точки зрения его внутренней структуры (движение молекул вещества, их взаимодействие).

Термодинамика не рассматривает внутреннюю структуру вещества, а интересуется его энергией, передачей энергии. Так, она рассматривает как за счёт тепла, полученного при сгорании топлива, можно получить работу (работа тепловой машины). О термодинамике будем говорить позднее, а пока речь пойдёт о молекулярной физике, которую ещё называют молекулярно-кинетической теорией или статистической физикой.

Молекулярная физика говорит о том, что любое вещество состоит из молекул. Металлы, имеющие кристаллическое строение,

состоят из атомов, но атомы можно считать одноатомными молекулами. Молекулы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении (обладают кинетической энергией) и взаимодействуют друг с другом – одновременно притягиваются и отталкиваются (обладают потенциальной энергией взаимодействия).

На рисунке показан график зависимости силы взаимодействия молекул от расстояния между ними. Пунктирные линии относятся к силам притяжения и отталкивания, сплошная линия даёт результирующую силу взаимодействия молекул. При

эта сила равна нулю, что соответствует наиболее устойчивому состоянию молекул (наименьшему значению потенциальной энергии их взаимодействия).

Агрегатные состояния вещества определяются соотношением потенциальной и кинетической энергий молекул.

В газах молекулы находятся далеко друг от друга, их потенциальная энергия мала, а кинетическая велика., то есть

В кристаллических телах молекулы (атомы) располагаются вплотную друг к другу, их потенциальная энергия взаимодействия очень велика. Они обладают и кинетической энергией, совершая колебания около своих положений равновесия, но для них

В жидкостях, плотность которых меньше плотности твёрдых тел, молекулы и колеблются около положений равновесия, и время от времени совершают и поступательное движение. Кинетическая и потенциальная энергии молекул жидкости соизмеримы между собой

Так как молекулярная физика говорит о молекулах, то надо ввести понятия, связанные с молекулой – это масса молекулы, концентрация молекул и другие.

Один кг (или грамм) очень крупные для молекулы единицы массы, поэтому в молекулярной физике за единичную массу приняли 1/12 часть массы атома углерода (раньше единичную массу связывали с атомом водорода, кислорода):

Количество единичных масс в атоме назвали относительной атомной массой или просто атомной массой А, а количество единичных масс в молекуле – молекулярной массой М. Тогда молекула углерода содержит 12 единичных масс, так как

Для водорода А = 1, для кислорода А = 16 и так далее (см. таблицу Менделеева).

Молекулярная масса М складывается из атомных масс А. Так,

Атомная и молекулярная массы – безразмерные величины.

Единицей количества вещества в молекулярной физике является моль. Моль – это количество вещества, в котором содержится число молекул (атомов), равное числу атомов в 0,012 кг изотопа углерода.

Таким образом, молярная масса углерода равна 0,012 кг/моль.

Масса моля водорода (молярная масса водорода):

Молярная масса воды:

то есть если взять 0,018 кг воды, то это будет моль воды.

Моль любого вещества содержит одинаковое количество молекул, названное числом Авогадро

Объём моля для твёрдых и жидких тел находится путём деления молярной массы вещества на его плотность:

Объём моля любого газа при нормальных условиях равен

Задачи

Подписывайтесь на канал и сообщите о нём своим друзьям, одноклассникам. Здесь непременно найдёте много полезного для себя.

Посмотрите занятия 32 и 33.

Ссылки на другие занятия даны в Занятии 1.

В уроке 5 «Моль и молярная масса» из курса «Химия для чайников» рассмотрим моль как единицу измерения количества вещества; дадим определение числу Авогадро, а также научимся определять молярную массу и решать задачи на количество вещества. Базой для данного урока послужат основы химии, изложенные в прошлых уроках, так что если вы изучаете химию с нуля, то рекомендую их просмотреть хотя бы мельком.

Единица измерения количества вещества

До этого урока мы обсуждали лишь индивидуальные молекулы и атомы, а их массы мы выражали в атомных единицах массы. В реальной жизни с индивидуальными молекулами работать невозможно, потому что они ничтожно малы. Для этого химики взвешивают вещества ни в а.е.м., а в граммах.

Чтобы перейти от молекулярной шкалы измерения масс в лабораторную шкалу, используют единицу измерения количества вещества под названием моль. 1 моль содержит 6,022·10²³ частиц (атомов или молекул) и является безразмерной величиной. Число 6,022·10²³ носит название Число Авогадро, которое определяется как число частиц, содержащихся в 12 г атомов углерода ¹²C. Важно понимать, что 1 моль любого вещества содержит всегда одно и то же число частиц (6,022·10²³).

Как уже было сказано, термин «моль» применяется не только к молекулам, но также и к атомам. Например, если вы говорите о моле гелия (He), то это означает, что вы имеет количество равное 6,022·10²³ атомов. Точно так же, 1 моль воды (H₂O) подразумевает количество равное 6,022·10²³ молекул. Однако чаще всего моль применяют именно к молекулам.

Молярная масса вещества

Молярная масса – это масса 1 моля вещества, выраженная в граммах. Молярную массу одного моля любого химического элемента без труда находят из таблицы Менделеева, так как молярная масса численно равна атомной массе, но размерности у них разные (молярная масса имеет размерность г/моль). Запишите и запомните формулы для вычисления молярной массы, количества вещества и числа молекул:

• Молярная масса формула M=m/n
• Количество вещества формула n=m/M
• Число молекул формула N =N_A·n

где m — масса вещества, n — количество вещества (число молей), М — молярная масса, N — число молекул, N_A — число Авогадро. Благодаря молярной массе вещества химики могут вести подсчет атомов и молекул в лаборатории просто путем их взвешивания. Этим и удобно использование понятия моль.

На рисунке изображены четыре колбы с различными веществами, но в каждой из них всего 1 моль вещества. Можете перепроверить, используя формулы выше.

Задачи на количество вещества

Пример 1. Сколько граммов Н₂, Н₂O, СН₃ОН, октана (С₈Н₁₈) и газа неона (Ne) содержится в 1 моле?

Решение: Молекулярные массы (в атомных единицах массы) перечисленных веществ приведены в таблице Менделеева. 1 моль каждого из названных веществ имеет следующую массу:

Поскольку массы, указанные в решении примера 1, дают правильные относительные массы взвешиваемых молекул, указанная масса каждого из перечисленных веществ содержит одинаковое число молекул. Этим и удобно использование понятия моля. Нет даже необходимости знать, чему равно численное значение моля, хотя мы уже знаем, что оно составляет 6,022·10²³; эта величина называется числом Авогадро и обозначается символом N_A. Переход от индивидуальных молекул к молям означает увеличение шкалы измерения в 6,022·10²³ раз. Число Авогадро представляет собой также множитель перевода атомных единиц массы в граммы: 1 г = 6,022·10²³ а.е.м. Если мы понимаем под молекулярной массой массу моля вещества, то ее следует измерять в граммах на моль; если же мы действительно имеем в виду массу одной молекулы, то она численно совпадает
с молекулярной массой вещества, но выражается в атомных единицах массы на одну молекулу. Оба способа выражения молекулярной массы правильны.

Пример 2. Сколько молей составляют и сколько молекул содержат 8 г газообразного кислорода O₂?

Решение: Выписываем из таблицы Менделеева атомную массу атома кислорода (O), которая равна 15,99 а.е.м, округляем до 16. Так как у нас молекула кислорода, состоящая из двух атомов O, то ее атомная масса равна 16×2=32 а.е.м. Хорошо, а теперь переводим ее в молярную массу: 32 а.е.м = 32 г/моль. Это означает, что 1 моль (6,022·10²³ молекул) O₂ имеет массу 32 грамма. Ну и в заключении по формулам выше находим количество вещества (моль) и число молекул, содержащихся в 8 граммах O₂:

• n = m / M = 8г / 32г/моль = 0,25 моль
• N = N_A × n = 6,022·10²³ × 0,25 = 1,505·10²³ молекул

Пример 3. 1 молекула Н₂ реагирует с 1 молекулой Сl₂, в результате чего образуются 2 молекулы газообразного хлористого водорода НСl. Какую массу газообразного хлора необходимо использовать, чтобы он полностью прореагировал с 1 килограммом (кг) газообразного водорода?

Решение: Молекулярные массы H₂ и Cl₂ равны 2,0160 и 70,906 г/моль соответственно. Следовательно, в 1000 г H₂ содержится

Даже не выясняя, сколько молекул содержится в одном моле вещества, мы можем быть уверены, что 496 моля Cl₂ содержат такое же число молекул, как и 496,0 моля, или 1000 г, H₂. Сколько же граммов Cl₂ содержится в 496 молях этого вещества? Поскольку молекулярная масса Cl₂ равна 70,906 г/моль, то

Пример 4. Сколько молекул H₂ и Cl₂ принимает участие в реакции, описанной в примере 3?

Решение: В 496 молях любого вещества должно содержаться 496 моля × 6,022·10²³ молекул/моль, что равно 2,99·10²⁶ молекул.

Чтобы наглядно показать, сколь велико число Авогадро, приведем такой пример: 1 моль кокосовых орехов каждый диаметром 14 сантиметров (см) мог бы заполнить такой объем, какой занимает наша планета Земля. Использование молей в химических расчетах рассматривается в следующей главе, но представление об этом пришлось ввести уже здесь, поскольку нам необходимо знать, как осуществляется переход от молекулярной шкалы измерения масс к лабораторной шкале.

Надеюсь урок 5 «Моль и молярная масса» был познавательным и понятным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 26 мая 2021 года; проверки требуют 9 правок.

Количество вещества
,
Размерность	N
Единицы измерения
СИ	моль
СГС	моль

Коли́чество вещества́ — физическая величина, характеризующая количество однотипных структурных единиц, содержащихся в веществе. Под структурными единицами понимаются любые частицы, из которых состоит вещество (атомы, молекулы, ионы, электроны или любые другие частицы)^[1]. Единица измерения количества вещества в Международной системе единиц (СИ) и в системе СГС — моль^[2]. Без конкретизации объекта рассмотрения термин «количество вещества» не используют^{[K 1]}. 1 моль содержит в себе Na частиц.

Применение[править | править код]

Эта физическая величина используется для измерения макроскопических количеств веществ в тех случаях, когда для численного описания изучаемых процессов необходимо принимать во внимание микроскопическое строение вещества, например, в химии, при изучении процессов электролиза, или в термодинамике, при описании уравнений состояния идеального газа.

При описании химических реакций, количество вещества является более удобной величиной, чем масса, так как молекулы взаимодействуют независимо от их массы в количествах, кратных целым числам.

Например, для реакции горения водорода (2H₂ + O₂ → 2H₂O) требуется в два раза большее количество вещества водорода, чем кислорода. При этом масса водорода, участвующего в реакции, примерно в 8 раз меньше массы кислорода (так как атомная масса водорода примерно в 16 раз меньше атомной массы кислорода). Таким образом, использование количества вещества облегчает интерпретацию уравнений реакций: соотношение между количествами реагирующих веществ непосредственно отражается коэффициентами в уравнениях.

Так как использовать в расчётах непосредственно количество молекул неудобно, потому что это число в реальных опытах слишком велико, вместо измерения количества молекул в единицах «штука», их измеряют в молях. Фактическое количество единиц “штука” в 1 моле вещества называется числом Авогадро (N_A = 6,02214076⋅10²³ “штука”/моль^[4]).

Количество вещества обозначается латинской (эн) и не рекомендуется обозначать греческой буквой (ню), поскольку этой буквой в химической термодинамике обозначается стехиометрический коэффициент вещества в реакции, а он, по определению, положителен для продуктов реакции и отрицателен для реагентов^[5]. Однако в школьном курсе широко используется именно греческая буква (ню).

Для вычисления количества вещества на основании его массы пользуются понятием молярная масса: , где m — масса вещества, M — молярная масса вещества. Молярная масса — это масса, которая приходится на один моль данного вещества. Молярная масса вещества может быть получена произведением молекулярной массы этого вещества на количество молекул в 1 моле — на число Авогадро. Молярная масса (измеренная в г/моль) численно совпадает с относительной молекулярной массой.

По закону Авогадро, количество газообразного вещества можно также определить на основании его объёма: = V / V_m, где V — объём газа при нормальных условиях, а V_m — молярный объём газа при тех же условиях, равный 22,4 л/моль.

Таким образом, справедлива формула, объединяющая основные расчёты с количеством вещества:

Комментарии[править | править код]

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Пресс И. А. [www.libgen.io/book/index.php?md5=4E765590D7E3748388362C94EC27AF3A Основы общей химии]. — 3-е изд., стереотип. — СПб.: Химиздат, 2017. — 352 с. — ISBN 978-5-93808-286-1. (недоступная ссылка)

Количество вещества

Чем больше атомов
или молекул в макроскопическом теле,
тем, очевидно, больше вещества содержится
в нем. Число молекул в макроскопических
телах огромно. Поэтому удобно указывать
не абсолютное число атомов, а относительное.

Принято
сравнивать число молекул или атомов в
данном теле с числом атомов, содержащихся
в углероде массой 12 г. Относительное
число атомов или молекул в теле
характеризуется особой физической
величиной, называемой количеством
вещества.

Количеством
вещества v
называют отношение числа молекул N
в
данном теле к числу атомов N_A
в
12 г углерода*.

(2.2.2)

* Если вещество
состоит из отдельных атомов, не
объединенных в молекулы, то здесь и в
дальнейшем под числом молекул надо
подразумевать число атомов.

Зная
количество вещества v
и число N_A,
мы
тем самым знаем число молекул N
в
веществе. Количество вещества выражают
в молях.

Моль
— это количество вещества, содержащего
столько же молекул, сколько атомов
содержится в углероде массой 12 г.

Если
количество вещества равно, например,
2,5 моль, то это означает, что число молекул
в теле в 2,5 раза превышает число атомов
в 12 г углерода, т. е. равно 2,5
N_A.

Постоянная Авогадро

Число
молекул или атомов в моле вещества
называют постоянной Авогадро. Это
название дано в честь итальянского
ученого XIX
в. А. Авогадро**.

** А. Авогадро
(1776—1856) — итальянский физик и химик;
автор четырехтомного труда, который
был первым руководством по молекулярной
физике.

Согласно определению
моля постоянная Авогадро одинакова для
всех веществ. Она равна, в частности,
числу атомов в моле углерода, т. е. в 12 г
углерода.

Для
вычисления постоянной Авогадро надо
найти массу одного атома углерода (или
любого другого атома). Грубую оценку
массы можно сделать так, как это было
выполнено для массы молекулы воды.
Наиболее точные методы определения
массы основаны на отклонении пучков
ионов электромагнитным полем. Измерения
дают для массы атома углерода т_0С
=
1,995·10^-23
г. Отсюда постоянная Авогадро равна

(2.2.3)

Наименование
моль^-1
указывает, что N_A
—
число атомов любого вещества, взятого
в количестве одного моля. Если количество
вещества v
= 2,5 моль, то число молекул в теле N
= vN_A
= 1,5·10²⁴.

Существует много
других методов определения постоянной
Авогадро, не связанных с нахождением
масс атомов. Все они приводят к одним и
тем же результатам. Постоянная Авогадро
играет важнейшую роль во всей молекулярной
физике и является универсальной
постоянной.

Огромная величина
постоянной Авогадро показывает, насколько
малы микроскопические масштабы по
сравнению с макроскопическими. Тело,
обладающее количеством вещества 1 моль,
имеет привычные для нас макроскопические
размеры.

Молярная масса

Наряду
с относительной молекулярной массой
М_r,
в
физике и химии широко используется
понятие молярной массы М.

Молярной
массой называют массу
вещества,
взятого в количестве одного моля.

Согласно этому
определению молярная масса равна
произведению массы молекулы на постоянную
Авогадро:

(2.2.4)

Молярная
масса простым образом связана с
относительной молекулярной массой.
Подставив в формулу (2.2.4) выражения т₀
из
(2.2.2) и N_A
из
(2.2.3), получим:

(2.2.5)

Например,
молярная масса воды Н₂О
равна 18 г/моль, или 0,18 кг/моль, так как
относительная молекулярная масса воды
приближенно равна 18.

Масса
m
произвольного
количества вещества v
и молярная масса М
связаны
соотношением:

(2.2.6)

Так,
масса 3 моль воды равна: m
= 3
моль·0,018 кг/моль = 0,054 кг.

Используя
формулы (2.2.6) и (2.2.2), можно получить
формулу для числа молекул в теле в
зависимости от массы тела m
и
молярной массы М:

(2.2.7)

Нужно
запомнить значение постоянной Авогадро:
достаточно знать порядок величины 10²³.
Столько
молекул содержится в
12 г углерода,
в
18 г воды
и т. д. Формулы (2.2.1),
(2.2.2) и
(2.2.4)
дают
определения новым физическим величинам:
относительной молекулярной массе,
количеству вещества и молярной массе.
Вывести их нельзя, их надо просто
запомнить. Остальные формулы можно
вывести, и запоминать их необязательно.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #