3.4: Маси атомів і молекул

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22505

Anonymous
LibreTexts

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Мета навчання

Висловлюють маси атомів і молекул.

Оскільки матерія визначається як все, що має масу і займає простір, не слід дивуватися, дізнавшись, що атоми та молекули мають масу.

Окремі атоми і молекули, однак, дуже малі, а маси окремих атомів і молекул теж дуже малі. Для макроскопічних об'єктів ми використовуємо такі одиниці, як грами та кілограми, щоб констатувати їх маси, але ці одиниці занадто великі, щоб зручно описувати маси окремих атомів і молекул. Потрібна інша шкала.

Атомна одиниця маси

Атомна одиниця маси (u; деякі тексти використовують amu, але цей старий стиль більше не приймається) визначається як одна дванадцята маси атома вуглецю-12, ізотопу вуглецю, який має шість протонів і шість нейтронів у своєму ядрі. За цією шкалою маса протона становить 1,00728 u, маса нейтрона - 1,00866 u, а маса електрона - 0,000549 у.Не буде великої похибки, якщо оцінити масу атома простим підрахунком загальної кількості протонів і нейтронів в ядрі (тобто визначити його масове число) і ігнорувати електрони. Таким чином, маса вуглецю-12 становить близько 12 u, маса кисню-16 - близько 16 u, а маса урану-238 - близько 238 у.Більш точні маси зустрічаються в наукових довідках—наприклад, точна маса урану-238 - 238.050788 u, тому видно, що ми не за горами, використовуючи в якості значення цілого числа маса атома.

Яка маса елемента? Це дещо складніше, оскільки більшість елементів існує у вигляді суміші ізотопів, кожен з яких має свою масу. Таким чином, хоча легко говорити про масу атома, говорячи про масу елемента, ми повинні враховувати ізотопну суміш.

Атомна маса

Атомна маса елемента - це середньозважене значення мас ізотопів, що складають елемент. Що ми маємо на увазі під середньозваженим? Ну і розглянемо елемент, який складається з двох ізотопів, 50% з масою 10 u і 50% з масою 11 у. середньозважене знаходять множенням кожної маси на її дробове входження (в десятковому вигляді) і подальшим складанням всіх продуктів. Сума є середньозваженим і служить формальною атомною масою елемента. У цьому прикладі ми маємо наступне:

0,50 × 10 у	= 5,0 у.о.
0,50 × 11 у	= 5,5 у.о
Сума	= 10,5 u = атомна маса нашого елемента

Зверніть увагу, що жоден атом в нашому гіпотетичному елементі не має маси 10,5 u; скоріше, це середня маса атомів, зважена їх відсотками виникнення.

Цей приклад схожий на реальний елемент. Бор існує як близько 20% бор-10 (п'ять протонів і п'ять нейтронів в ядрах), так і близько 80% бор-11 (п'ять протонів і шість нейтронів в ядрах). Атомна маса бору розраховується аналогічно тому, що ми зробили для нашого гіпотетичного прикладу, але відсотки різні:

0,20 × 10 у	= 2,0 у.о.
0,80 × 11 у	= 8,8 у.о.
Сума	= 10,8 u = атомна маса бору

Таким чином, ми використовуємо 10,8 u для атомної маси бору.

Практично всі елементи існують у вигляді сумішей ізотопів, тому атомні маси можуть значно відрізнятися від цілих чисел. У таблиці\(\PageIndex{1}\) наведено атомні маси деяких елементів. Атомні маси в таблиці\(\PageIndex{1}\) перераховані до трьох знаків після коми, де це можливо, але в більшості випадків потрібні лише один або два знака після коми. Зауважимо, що багато атомних мас, особливо більші, не дуже близькі до цілих чисел. Це, частково, ефект зростаючої кількості ізотопів у міру збільшення атомів в розмірах. (Рекордна кількість - 10 ізотопів для олова.)

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Вибрані атомні маси деяких елементів
Назва елемента	Атомна маса (u)	Назва елемента	Атомна маса (u)
Алюміній	26.981	Молібден	95.94
Аргон	39.948	Неонові	20.180
Миш'як	74.922	Нікель	58.693
Барій	137.327	Азот	14.007
Берилій	9.012	Кисень	15.999
Вісмут	208.980	Паладій	106.42
Бор	10.811	Фосфор	30.974
Бром	79.904	Платина	195.084
Кальцій	40.078	Калій	39.098
Вуглець	12.011	Радій	н/д
хлор	35.453	Радон	н/д
Кобальт	58.933	Рубідій	85.468
Мідь	63.546	Скандій	44.956
Фтор	18.998	Селен	78.96
Галій	69.723	кремнію	28.086
Германій	72.64	Сріблястий	107.868
Золотий	196.967	Натрій	22.990
Гелій	4.003	Стронцій	87.62
Водень	1.008	Сірка	32.065
Йод	126.904	Тантал	180.948
Іридій	192.217	Олово	118 710
Залізо	55.845	Титан	47.867
Криптон	83.798	Вольфрам	183.84
Свинець	207.2	Уран	238.029
Літій	6.941	Xenon	131.293
Магній	24.305	Цинк	65.409
Марганець	54.938	Цирконій	91.224
Меркурій	200.59	Молібден	95.94
Примітка: Атомна маса задається трьома знаками після коми, якщо це відомо.

Молекулярна маса

Тепер, коли ми розуміємо, що атоми мають масу, легко розширити поняття на масу молекул. Молекулярна маса - це сума мас атомів в молекулі. Це може здатися банальним розширенням поняття, але важливо підрахувати кількість кожного типу атома в молекулярній формулі. Крім того, хоча кожен атом в молекулі є певним ізотопом, ми використовуємо середньозважений, або атомну масу, для кожного атома в молекулі.

Наприклад, якби ми визначали молекулярну масу триоксиду азоту N ₂ O ₃, нам потрібно було б додати атомну масу азоту два рази з атомною масою кисню три рази:

2 Н мас = 2 × 14,007 u	= 28,014 у.о.
3 О мас = 3 × 15,999 u	= 47,997 у.о.
Всього	= 76.011 u = молекулярна маса N ₂ O ₃

Ми не були б за горами, якби ми обмежили наші числа одним або навіть двома знаками після коми.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Яка молекулярна маса кожної речовини?

\(\ce{NBr3}\)
\(\ce{C2H6}\)

Рішення

Додайте одну атомну масу азоту і три атомні маси брому:

Рішення до прикладу 3.4.1
1 Н маса	= 14,007 у.о.
3 Br мас = 3 × 79,904 u	= 239,712 у.о.
Всього	= 253,719 u = молекулярна маса NBr ₃

Додайте дві атомні маси вуглецю і шість атомних мас водню:

Рішення до прикладу 3.4.1
2 С мас = 2 × 12,011 u	= 24,022 у.о.
6 Н мас = 6 × 1,008 u	= 6,048 у.о.
Всього	= 30.070 u = молекулярна маса С ₂ Н ₆

З'єднання\(\ce{C2H6}\) також має загальну назву - етан.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Яка молекулярна маса кожної речовини?

\(\ce{SO2}\)
\(\ce(PF3}\)

Відповідь: 64 063 грн

Відповідь б: 87 968 грн

Хімія всюди: гексафторид сірки

20 березня 1995 року японське терористичне угрупування Aum Shinrikyo (на санскриті «Вища правда») випустило трохи газу зарину в системі метро Токіо; дванадцять людей загинули, а тисячі отримали поранення (рис.\(\PageIndex{2a}\)). Зарин (молекулярна формула\(\ce{C4H10FPO2}\)) - нервовий токсин, який вперше був синтезований в 1938 році. Він розглядається як один з найбільш смертельних токсинів, відомих, за оцінками, приблизно в 500 разів більш потужним, ніж ціанід. Вчені та інженери, які вивчають поширення хімічної зброї, такої як зарин (так, є такі вчені) хотіли б мати подібне менш небезпечне хімічне речовина для вивчення, дійсно таке, яке є нетоксичним, тому вони самі не піддаються ризику.

Гексафторид сірки використовується як модельна сполука для зарину. \(\ce{SF6}\)(Молекулярна модель якої показана на малюнку\(\PageIndex{2b}\)) має аналогічну молекулярну масу (близько 146 u), як зарин (близько 140 u), тому має аналогічні фізичні властивості в паровій фазі. Гексафторид сірки також дуже легко точно виявити навіть при низьких рівнях, і він не є нормальною частиною атмосфери, тому існує невеликий потенціал для забруднення природними джерелами. Отже,\(\ce{SF6}\) використовується також як повітряний трасувальник для систем вентиляції будівель. Він нетоксичний і дуже хімічно інертний, тому працівникам не потрібно вживати особливих запобіжних заходів, крім спостереження за асфіксією.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Зарин і гексафторид сірки © Thinkstock. (а) Належним чином захищені працівники очищають метро Токіо після звільнення зарину нервового токсину. (б) Молекулярна модель\(\ce{SF6}\). (c) Високовольтний електричний розподільний пристрій, який буде заповнений\(\ce{SF6}\) як придушувач іскри.

Гексафторид сірки має і ще одне цікаве застосування: іскрогасник в високовольтному електрообладнанні. \(\ce{SF6}\)Газ високого тиску використовується замість старих масел, які можуть мати забруднюючі речовини, які не є екологічно чистими (рис.\(\PageIndex{2c}\)).

Ключові виноси

Атомна одиниця маси (u) - це одиниця, яка описує маси окремих атомів і молекул.
Атомна маса - це середньозважена маса всіх ізотопів елемента.
Молекулярна маса - це сума мас атомів в молекулі.