Химия, полный курс для 7 класса

Количество вещества. Моль

Ключевые вопросы:

• Почему для подсчета атомов и молекул неудобно использовать штуки или граммы?

• Что такое моль и постоянная Авогадро?

• Как связаны масса вещества и его количество?

1. Понятие о количестве вещества

Представьте, что вам нужно купить канцелярские скрепки. Говорить продавцу: «Мне, пожалуйста, 1250 штук» — неудобно. Проще сказать: «Мне два килограмма скрепок». Мы заменили точный подсчет штук на взвешивание, потому что знаем примерную массу одной скрепки.

В химии ситуация очень похожа. Атомы и молекулы невероятно малы. В одной капле воды содержится примерно 10²¹ молекул (это единица с 21 нулем!). Считать их поштуку так же нереально, как и в случае со скрепками.

Поэтому ученые ввели специальную физическую величину — количество вещества.

Количество вещества (n ) — это физическая величина, которая характеризует число определенных структурных частиц (атомов, молекул, ионов) в данном образце вещества.

2. Моль. Постоянная Авогадро

Но какую же «порцию» вещества взять за основу? В мире химии такой универсальной единицей количества является моль.

Моль — это единица количества вещества в Международной системе единиц (СИ).
1 моль — это количество вещества, содержащее столько же структурных частиц, сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода-12.

А сколько же именно частиц содержится в 12 г углерода-12? Опытным путем было установлено, что это число равно 6,02 · 10²³. Оно называется постоянной Авогадро в честь итальянского ученого Амедео Авогадро.

Постоянная Авогадро (Nₐ) — это число частиц, содержащихся в одном моле любого вещества.
Nₐ = 6,02 · 10²³ частиц/моль.

Можно провести простую аналогию:

• 1 дюжина = 12 штук

• 1 моль = 6,02 · 10²³ штук

Только «штуками» в химии являются атомы, молекулы или ионы.

Пример:

• 1 моль воды (H₂O) содержит 6,02 · 10²³ молекул воды.

• 1 моль железа (Fe) содержит 6,02 · 10²³ атомов железа.

• 1 моль поваренной соли (NaCl) содержит 6,02 · 10²³ формульных единиц NaCl.

3. Молярная масса

Если 1 моль любого вещества содержит одинаковое число частиц, то их массы будут разными, потому что сами частицы имеют разную массу.

Молярная масса (M) — это масса одного моля вещества.
Обозначается буквой M.
Единица измерения — грамм на моль (г/моль).

Численно молярная масса равна относительной атомной (Ar) или относительной молекулярной (Mr) массе, но выражена в г/моль.

Рассмотрим примеры:

1. Вода (H₂O).

   • Mr(H₂O) = 2·Ar(H) + Ar(O) = 2·1 + 16 = 18

   • Следовательно, M(H₂O) = 18 г/моль. Это значит, что 6,02·10²³ молекул воды имеют массу 18 грамм.

2. Железо (Fe).

   • Ar(Fe) = 56

   • Следовательно, M(Fe) = 56 г/моль. Это значит, что 6,02·10²³ атомов железа имеют массу 56 грамм.

3. Кислород (O₂). Простые вещества-газы состоят из молекул.

   • Mr(O₂) = 2·Ar(O) = 2·16 = 32

   • Следовательно, M(O₂) = 32 г/моль.

Таким образом, чтобы найти молярную массу вещества, достаточно посчитать его относительную молекулярную массу и добавить размерность «г/моль».

4. Связь между массой, количеством вещества и молярной массой

Зная определение молярной массы, легко вывести формулу, которая связывает массу вещества (m), его количество и молярную массу (M).

Масса = (Количество вещества) · (Масса одного моля)
m = n · M

где:

• m — масса вещества (в граммах),

• n — количество вещества (в молях),

• M — молярная масса (в г/моль).

Из этой основной формулы можно выразить две другие:

n = m / M
M = m / n

Эти формулы позволяют решать три типа основных расчетных задач:

1. Находить массу по известному количеству вещества.

2. Находить количество вещества по известной массе.

3. Находить молярную массу (и, следовательно, идентифицировать вещество), зная массу и количество.

Пример решения задачи:

Задача. Рассчитайте количество вещества оксида алюминия (Al₂O₃), содержащееся в образце массой 102 г.

Дано:
m(Al₂O₃) = 102 г
M(Al₂O₃) = ? (найдем)

Решение:

1. Найдем молярную массу оксида алюминия:
   M(Al₂O₃) = 2·Ar(Al) + 3·Ar(O) = 2·27 + 3·16 = 54 + 48 = 102 г/моль.

2. Воспользуемся формулой для нахождения количества вещества:
   n = m / M
   n(Al₂O₃) = 102 г / 102 г/моль = 1 моль.

Ответ: n(Al₂O₃) = 1 моль.

Выводы:

• Для подсчета огромного числа микроскопических частиц химики используют специальную величину — количество вещества , которое измеряется в молях.

• 1 моль любого вещества содержит Nₐ = 6,02 · 10²³ структурных частиц (постоянная Авогадро).

• Молярная масса (M) — это масса одного моля вещества. Она численно равна относительной молекулярной массе и измеряется в г/моль.

• Масса, количество вещества и молярная масса связаны формулой: m = n · M.

Вопросы и задания для самоконтроля:

1. Дайте определения: количество вещества, моль, постоянная Авогадро, молярная масса.

2. Во сколько раз число молекул в 2 молях воды больше, чем в 0,5 молях серной кислоты?

3. Рассчитайте молярную массу: а) азотной кислоты HNO₃; б) глюкозы C₆H₁₂O₆; в) серебра Ag.

4. Определите количество вещества, которое составляют: а) 56 г азота N₂; б) 250 г карбоната кальция CaCO₃.

5. Рассчитайте массу: а) 0,3 моль серы S; б) 2,5 моль сульфата цинка ZnSO₄.