Главная | Обратная связь

Количество вещества. Масса молекул

Количество вещества (n, — 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). Единица измерения количества вещества в Международной системе единиц (СИ) — моль.

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 штуках», их измеряют в молях.

Моль – количество вещества, содержащее столько же молекул (атомов, ионов), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода .

Число частиц, содержащихся в моле вещества называется постоянной Авогадро[25]: N_a = 6,02 .

В моле любого вещества (твёрдого, жидкого, газообразного) содержится одинаковое количество молекул, равное N_a.

Моль -– это количество вещества, содержащее 6,02·10²³ атомов или молекул этого вещества.

Так как массы различных молекул отличны друг от друга, то одинаковые количества различных веществ имеют разную массу.

Массу моля называют молярной массой: , , где m – масса вещества.

Относительная молекулярная масса M_r – величина безразмерная: M_r = 10³.

Если m_i – масса одной i – той молекулы, то = m_i•N_a.

Число молекул, содержащихся в произвольной массе вещества:

N = • N_a.

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

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

= = =

Молярная масса численно всегда совпадает с молекулярной массой (или атомной массой -–если вещество состоит не из молекул, а из атомов). В таблице 1 для иллюстрации приведены молярные массы М для нескольких веществ разного строения.

Таблица 1. Молярные массы различных веществ

Вещество	Молекулярная или атомная масса (округлена)	молярная масса •10-3
Вода Н2О	18 а.е.м.	18 кг/моль
СаО	56 а.е.м.	56 кг/моль
Углерод 12С	12 а.е.м.	12 кг/моль
Медь Cu	63,5 a.e.м.	63,5 кг/моль
Молекула хлора Cl2	71 а.е.м.	71 кг/моль

Количественно масса 1 моль вещества – масса вещества в граммах, численно равная его атомной или молекулярной массе.

Пример: молекулярная масса воды H₂O равна 18 а.е.м. (атомная масса водорода -–1, кислорода – 16, итого 1+1+16=18). Значит, один моль воды равен по массе 18 граммов, и эта масса воды содержит 6,02·10²³ молекул воды.

Итак, один моль любого вещества содержит 6,02 · 10²³ молекул, атомов или других частиц.

Например, 1 моль воды H₂O содержит 6 · 10²³ молекул H₂O;

1 моль железа Fe содержит 6 · 10²³ атомов Fe.

1 моль хлора Cl₂ содержит 6 · 10²³ молекул Cl₂.

В то же время 1 моль хлора Cl₂ содержит 2 моль атомов хлора Cl.

Идеальный газ

Идеальный газ — математическая модель газа, в которой предполагается, что: 1) потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией; 2) суммарный объём молекул газа пренебрежимо мал; 3) между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги; 4) время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями.

В расширенной модели идеального газа частицы, из которого он состоит, имеют форму упругих сфер или эллипсоидов, что позволяет учитывать энергию не только поступательного, но и вращательно-колебательного движения, а также не только центральные, но и нецентральные столкновения частиц.

Модель широко применяется для решения задач термодинамики газов и задач аэрогазодинамики. Например, воздух при атмосферном давлении и комнатной температуре с большой точностью описывается данной моделью.

Различают классический идеальный газ (его свойства выводятся из законов классической механики и описываются статистикой Больцмана) и квантовый идеальный газ (свойства определяются законами квантовой механики, описываются статистиками Ферми — Дирака или Бозе — Эйнштейна).

Идеальный газ реально не существует.