Для химиков важно знать массы молекул исследуемых ими веществ. Измерять их в килограммах неудобно, поэтому ученые используют а. е. м. – атомные единицы массы.
Понятие атомной единицы массы
На сегодняшний день принята договоренность, что масса атома углерода (а точнее его изотопа углерод-12) в точности равна 12 а. е. м. По этой причине используемую химиками величину иногда называют углеродной единицей. Ранее ученые использовали другие единицы – водородную и кислородную, но они по ряду причин оказались неудобными. Опыты показывают, что 1 а. е. м. равна примерно 1,66•10–27 кг.
Атомная масса показывает, какую массу имеет тот или иной атом. Найти ее можно в таблице Менделеева. Обычно в этой таблице масса записана как дробное число, очень близкое к какому-либо целому значению. Например, атомная масса водорода составляет 1,000797 а. е. м., у гелия она равна 4,0026 а. е. м., а у кислорода 15,9994 а. е. м. При решении практических задач принято округлять эти значения до целых чисел. То есть надо считать, что у водорода атомная масса равна 1 а. е. м, у гелия – 4 а. е. м., у кислорода – 16 а. е. м. Исключением является хлор, чью массу округляют до значения 35,5 а. е. м.
Важно понимать, что на самом деле у одного и того же элемента атомы могут иметь различную массу. Такие отличающиеся по массе атомы называются изотопами. У изотопов одного элемента одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов. При этом все изотопы одного элемента имеют одинаковые химические свойства.
В таблице Менделеева указан средний вес всех изотопов, при этом учитывается их распространенность в природе. Например, у кислорода есть три стабильных изотопа:
- кислород-16 (масса 15,9949 а. е. м, распространенность 99,759%)
- кислород-17 (масса 16,9991 а. е. м., распространенность 0,037%)
- кислород-18 (масса 17,9991 а. е. м., распространенность 0,204%)
С учетом этого атомная масса кислорода, указанная в таблице Менделеева, рассчитывается так:
(15,9949•99,759 + 16,9991•0,037 + 17,9991•0,204)/100 = 15,9994 а. е. м.
Молекулярная масса
Зная атомные массы отдельных элементов, можно находить и молекулярные массы молекул. Для этого надо всего лишь сложить атомные массы тех атомов, которые входят в состав молекулы.
Например, рассмотрим молекулу метана, она имеет формулу СН4, то есть состоит из 1 атома углерода (который весит 12 а. е. м.) и 4 атомов водорода (каждый массой по 1 а. е. м.). Складываем атомные массы:
12 + 1 + 1 + 1 + 1 = 12 + 4•1 = 16 а. е. м.
Итак, молекула метана имеет молекулярную массу 16 а. е. м.
Заметим, что очень часто возникает путаница из-за молекул простых газов – водорода, кислорода, азота и т. д. Дело в том, что их молекулы состоят из двух атомов, поэтому и масса у них вдвое больше, чем масса атомов. Например, атомная масса элемента кислород – 16 а. е. м., а вот молекула кислорода, имеющая формулу О2, весит уже 16•2 = 32 а. е. м.
Молярная масса
Молекулярные массы веществ тесно связаны с понятием молярной массы. Молярная масса – это масса 1 моля вещества. Численно она совпадает с молекулярной массой, но измеряется в других величинах – в граммах на моль, или в г/моль.
Молярная масса позволяет определять, легче или тяжелее воздуха тот или иной газ. Для этого надо лишь сравнить молярную массу газа с молярной массой воздуха, составляющей 28,98 г/моль. Так, кислород оказывается тяжелее воздуха, так как его молярная масса – 32 г/моль. Азот же легче воздуха, ведь его масса равна 28 г/моль. Здесь следует уточнить, что воздух не является отдельным веществом в химическом смысле слова, то есть никаких «молекул воздуха» не существует (поэтому не существует и понятия «молекулярная масса воздуха»). В реальности воздух – это смесь нескольких газов, преимущественно азота и кислорода. При этом более тяжелые молекулы чаще встречаются в нижних слоях атмосферы, а легкие молекулы – на высоте. По этой причине (но отнюдь не только из-за нее) в горах тяжело дышать – на большой высоте воздух содержит меньше кислорода и больше азота.
Подведение итогов
Молекулярная масса показывает, какую массу имеет та или иная молекула. Для ее вычисления достаточно сложить массы входящих в молекулу атомов. Молекулярная масса численно равна молярной массе, и по ней можно оценить, какой газ легче воздуха, а какой – тяжелее.
