Одной из важнейших характеристик любой молекулы и любого атома является его масса. В химии ее принято измерять не в килограммах, а с помощью так называемой а. е. м. – атомной единицы массы.
Как определить массу молекулы?
Хотя идеи о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц, то есть атомов, высказывались ещё Демокритом в Античности, доказать подобные гипотезы было невозможно. Однако в начале XIX в. произошел научный прорыв. Джон Дальтон открыл сразу три важных закона:
- закон кратных отношений;
- закон парциальных давлений;
- закон растворимости газов в жидкостях.
Объяснить открытые закономерности можно было только с помощью гипотезы об атомной строении вещества. Эти же законы позволяли Дальтону сравнивать массы атомов и молекул между собой. Ученый принял массу атома водорода за единицу (так как он оказался самым легким атомом), и через нее (то есть через водородную единицу) в 1803 г. выразил массы многих других атомов и молекул. Впрочем, оказалось, что значительная часть вычислений была проведена с ошибками.
На тот момент для определения масс атомов чаще всего использовались реакции образования оксидов, то есть кислородных соединений. По этой причине в ходе опытов фактически в качестве единицы измерения использовалась масса не атома водорода, а атома кислорода. Изначально грубые расчеты показывали, что кислородный атом в 16 раз тяжелее водородного атома, то есть его масса, по системе Дальтона, составляла 16 единиц. Однако потом выяснилось, что всё же атом кислорода тяжелее только в 15,874 раза. Эти данные потребовали пересчета всех атомных масс. Но химики поступили проще – они договорились, что теперь масса кислородного атома принимается в точности равной 16 атомным единицам. Так возникла новая, кислородная единицы атомного веса. В результате пересчитывать пришлось лишь массу водорода – она теперь составляла не единицу, а 16:15,874≈ 1,0079 атомных единиц.
Уже в начале XX в. выяснилось, что в природе могут существовать изотопы – разные по массе атомы одного и того же элемента. В частности, в природе встречается три различных стабильных изотопов кислорода (и ещё 10 – нестабильных). Встал вопрос – масса какого из этих изотопов будет приниматься за единицу? Физики стали использовать массу изотопа кислород-16, а химики – среднюю массу всех изотопов (с учетом их распространенности в природном кислороде). Возникли разночтения, которые были решены лишь в 1960-1961 г. Тогда была принята договоренность, что масса изотопа углерода-12 принимается равной 12 атомным единицам массы (а. е. м.). Таким образом появилась углеродная единица.
Молярная масса
Помимо молекулярной массы существует ещё и молярная масса. Она показывает, сколько грамм весит один моль вещества. Фактически молярная масса совпадает со значением молекулярной массы, но измеряется она в других величинах – в г/моль. Например, если атомная масса углерода-12 равна 12 а. е. м., то его молярная масса составит 12 г/моль.
Какова масса одной а. е. м.?
С помощью атомных масс удобно сравнивать друг с другом массы молекул атомов и соединений. Например, если молекула воды весит 18 а. е. м., в молекула углекислого газа – 44 а. е. м., то это значит, что молекула СО2 тяжелее молекулы воды в 44/18 ≈2,444 раза. Но как определить массу атомов и молекул в привычных для нас килограммах?
Это можно сделать, вычислив число Авогадро, которое показывает, сколько молекул содержится в 1 моле вещества. Первые оценки числа Авогадро были проведены лишь в 1865 г., но тогда ученые ошиблись в 15 раз, через 8 лет ошибка уменьшилась в 10 раз. Сегодняшние измерения показывают, что один атом водорода весит всего лишь 1,66•10–27 кг.
Подведение итогов
Для определения массы атомов и молекул используется а. е. м. – атомная единица массы. Она составляет 1/12 от массы атома изотопа углерода 12 и примерно равна 1,66•10–27 кг.
