Как найти молярную массу водорода в воде

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:

В химии определение массового процента элемента в соединении может показаться сложным, но расчет прост. Например, чтобы определить массовую долю водорода в воде (H2O), разделите молярную массу водорода на общую молярную массу воды, а затем умножьте результат на 100. Вся необходимая информация находится в таблице Менделеева.

Молярная масса элементов

Для любого соединения вы определяете общую молярную массу, складывая молярные массы каждого элемента. Когда вы просматриваете элемент в периодической таблице, число вверху – это атомный номер, а цифра под символом элемента – это средняя атомная масса, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.). Для любых атомов, которые встречаются в молекуле более одного раза, умножьте молярную массу на количество элемента в химической формуле. Например, в молекуле воды два атома водорода, поэтому умножьте атомную массу водорода на 2.

Молярная масса воды

Массовый процент водорода

Чтобы найти массовый процент водорода в воде, возьмите молярную массу водорода в молекуле воды, разделите на общую молярную массу воды и умножьте на 100. Разделив 2,016 на 18,016, вы получите 0,1119. Умножьте 0,1119 на 100, чтобы получить ответ: 11,19 процента.

Массовый процент кислорода

Вы можете использовать два метода, чтобы определить массовый процент кислорода в воде. Из приведенного выше расчета вы знаете, что процентное содержание водорода составляет 11,19 процента, а в воде есть только водород и кислород, поэтому два сложенных вместе должны равняться 100 процентам. Вычтем 11,19 из 100, чтобы получить 88,81 процента. Второй метод такой же, как и для определения массового процента водорода. Из предыдущих расчетов вы знаете, что общая молярная масса кислорода в воде составляет 16,00. Разделите 16,00 на общую молярную массу воды 18,016, чтобы получить 0,8881. Умножьте 0,8881 на 100, чтобы получить процентное значение: 88,81 процента.

Соотношение масс

Поскольку в молекуле воды ровно два элемента, вы можете использовать уже вычисленные числа для определения соотношения масс. Например, чтобы найти отношение массы водорода к массе кислорода в воде, разделите общую молярную массу водорода 2,016 на молярную массу кислорода 16,00 и получите 0,126. Чтобы найти отношение кислорода к водороду, разделите 16,00 на 2,016 и получите 7,937. Это означает, что в воде кислород почти в 8 раз превышает водород.