Относительная атомная масса. Масса атома
Массовое число . Массовое число-это суммарное число протонов и нейтронов в ядре атома. Оно обозначается символом А.
Говоря о конкретном атомном ядре, обычно употребляют термин нуклид, а ядерные частицы протоны и нейтроны-в совокупности называют нуклонами.
Атомный номер. Атомный номер элемента совпадает с числом протонов в ядре его атома. Он обозначается символом Z. Атомный номер связан с массовым числом следующим соотношением:
где N-число нейтронов в ядре атома.
Каждый химический элемент характеризуется определенным атомным номером. Другими словами, никакие два элемента не могут иметь одинаковый атомный номер. Атомный номер равен не только числу протонов в ядре атомов данного элемента, но также равен числу электронов, окружающих ядро атома. Это объясняется тем, что атом в целом представляет собой электрически нейтральную частицу. Таким образом, число протонов в ядре атома равно числу электронов, окружающих ядро. Это утверждение не относится к ионам, которые, разумеется, представляют собой заряженные частицы.
Первое экспериментальное обоснование атомных номеров элементов* получил в 1913 г. Генри Мозли, работавший в Оксфорде. Он бомбардировал твердые металлические мишени катодными лучами. (В 1909 г. Баркла и Кайи уже показали, что любой твердый элемент при бомбардировке быстрым пучком катодных лучей испускает рентгеновские лучи, характеристические для данного элемента.) Мозли анализировал характеристическое рентгеновское излучение, пользуясь фотографической методикой регистрации. Он обнаружил, что длина волны характеристического рентгеновского излучения увеличивается с возрастанием атомного веса (массы) металла и показал, что квадратный корень из частоты этого рентгеновского излучения прямо пропорционален некоторому целому числу, которое он обозначил символом Z.
Мозли установил, что это число приблизительно совпадает с половиной значения атомной массы. Он пришел к выводу, что это число-атомный номер элемента-является фундаментальным свойством его атомов. Оно оказалось равно числу протонов в атоме данного элемента. Таким образом, Мозли связал частоту характеристического рентгеновского излучения с порядковым номером излучающего элемента (закон Мозли). Этот закон имел большое значение для утверждения периодического закона химических элементов и установления физического смысла атомного номера элементов.
Исследование Мозли позволило ему предсказать существование трех недоста-вавших к тому времени в периодической таблице элементов с атомными номерами 43, 61 и 75. Эти элементы были обнаружены позже и получили названия технеций, прометий и рений соответственно.
Символы нуклидов. Массовое число нуклида принято указывать в виде верхнего индекса, а атомный номер-в виде нижнего индекса слева от символа элемента. Например, запись 1IC означает, что этот нуклид углерода (как и все другие нуклиды углерода) имеет атомный номер 6. Данный конкретный нуклид имеет массовое число 12. Другому нуклиду углерода отвечает символ 14C Поскольку все нуклиды углерода имеют атомный номер 6, указанный нуклид часто записывают просто как 14C или углерод-14.
Изотопы. Изотопами называются различные по свойствам атомные разновидности одного элемента. Они различаются числом нейтронов в их ядре. Таким образом, изотопы одного элемента имеют одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. В табл. 1.1 приведены значения массового числа А, атомного номера Z и числа нейтронов N в ядре атомов каждого из трех изотопов углерода.
Таблица 1.1. Изотопы углерода
Изотопное содержание элементов. В большинстве случаев каждый элемент представляет собой смесь различных изотопов. Содержание каждого изотопа в такой смеси называется изотопным содержанием. Например, кремний обнаруживается в соединениях, которые встречаются в природе, с таким естественным изотопным содержанием: 92,28% 28Si, 4,67% 29Si и 3,05% 30Si. Обратите внимание, что суммарное изотопное содержание элемента должно составлять в точности 100%. Относительное изотопное содержание каждого из указанных изотопов составляет соответственно 0,9228, 0,0467 и 0,0305. Сумма этих чисел составляет в точности 1,0000.
Атомная единица массы (а.е.м.). В настоящее время в качестве стандарта для определения атомной единицы массы принимается масса нуклида Х|С. Этому нуклиду приписывается масса 12,0000 а.е.м. Таким образом, атомная единица массы равна одной двенадцатой части массы этого нуклида. Истинное значение атомной единицы массы составляет 1,661 Ю-27 кг. Три фундаментальные частицы, являющиеся составными частями атома, имеют следующие массы:
масса протона = 1,007277 а.е.м. масса нейтрона = 1,008 665 а.е.м. масса электрона = 0,000 548 6 а. е. м.
Пользуясь этими значениями, можно вычислить изотопную массу каждого конкретного нуклида. Например, изотопная масса нуклида 3JCl представляет собой сумму масс 17 протонов, 18 нейтронов и 17 электронов:
17(1,007277 а.е.м) + 18(1,008 665 а.е.м.) + + 17 (0,000 548 6 а. е. м.) = 35,289 005 а. е. м.
Однако точные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что изотопная масса 37С1 имеет значение 34,968 85 а. е. м. Расхождение между вычисленным и экспериментально найденным значениями составляет 0,32016 а.е.м. Оно называется дефектом массы; причина возникновения дефекта массы объясняется в разд. 1.3.
(1766–1844) на своих лекциях демонстрировал студентам выточенные из дерева модели атомов, показывая, как они могут соединяться, образуя различные вещества. Когда одного из студентов спросили, что такое атомы, он ответил: «Атомы – это раскрашенные в разные цвета деревянные кубики, которые изобрел мистер Дальтон».
Конечно, Дальтон прославился не своими «кубиками» и даже не тем, что в двенадцатилетнем возрасте стал школьным учителем. С именем Дальтона связано возникновение современной атомистической теории. Впервые в истории науки он задумался о возможности измерения масс атомов и предложил для этого конкретные способы. Понятно, что непосредственно взвесить атомы невозможно. Дальтон рассуждал только о «соотношении весов мельчайших частиц газообразных и других тел», то есть об относительных их массах. И поныне, хотя масса любого атома в точности известна, ее никогда не выражают в граммах, так как это исключительно неудобно. Например, масса атома урана – самого тяжелого из существующих на Земле элементов – составляет всего 3,952·10 –22 г. Поэтому массу атомов выражают в относительных единицах, показывающих, во сколько раз масса атомов данного элемента больше массы атомов другого элемента, принятого в качестве стандарта. Фактически это и есть «соотношение весов» по Дальтону, т.е. относительная атомная масса.
В качестве единицы массы Дальтон принял массу атома водорода, а для нахождения масс других атомов он использовал найденные разными исследователями процентные составы различных соединений водорода с другими элементами. Так, по данным Лавуазье , в воде содержится 15% водорода и 85% кислорода. Отсюда Дальтон нашел относительную атомную массу кислорода – 5,67 (в предположении, что в воде на один атом водорода приходится один атом кислорода). По данным английского химика Уильяма Остина (1754–1793) о составе аммиака (80% азота и 20% водорода) Дальтон определил относительную атомную массу азота, равную 4 (также в предположении о равном числе атомов водорода и азота в этом соединении). А из данных по анализу некоторых углеводородов Дальтон приписал углероду значение 4,4. В 1803 Дальтон составил первую в мире таблицу относительных атомных масс некоторых элементов. В дальнейшем эта таблица претерпела очень сильные изменения; основные из них произошли еще при жизни Дальтона, что видно из следующей таблицы, в которой приведены данные из учебников, изданных в разные годы, а также в официальном издании ИЮПАК – Международного союза теоретической и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry).
Прежде всего, обращают на себя внимание непривычные атомные массы у Дальтона: они в несколько раз отличаются от современных! Это объясняется двумя причинами. Первая – неточность эксперимента в конце 18 – начале 19 в. Когда Гей-Люссак и Гумбольдт уточнили состав воды (12,6% Н и 87,4% О), Дальтон изменил значение атомной массы кислорода, приняв ее равной 7 (по современным данным в воде 11,1% водорода). По мере совершенствования методов измерения уточнялись атомные массы и многих других элементов. При этом за единицу измерения атомных масс сначала выбирали водород, потом – кислород, а в настоящее время – углерод .
Вторая причина более серьезная. Дальтон не знал, в каком соотношении находятся атомы разных элементов в различных соединениях, поэтому он принял наиболее простую гипотезу о соотношении 1:1. Так считали многие химики, пока не были надежно установлены и приняты химиками правильные формулы для состава воды (Н 2 О) и аммиака (NH 3), многих других соединений. Для установления формул газообразных веществ использовался закон Авогадро , позволяющий определять относительную молекулярную массу веществ. Для жидких и твердых веществ использовали другие способы (см . МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ ОПРЕДЕЛЕНИЕ). Особенно просто было устанавливать формулы соединений элементов переменной валентности, например, хлорида железа. Относительная атомная масса хлора уже была известна из анализа ряда его газообразных соединений. Теперь, если принять, что в хлориде железа число атомов металла и хлора одинаково, то для одного хлорида относительная атомная масса железа получалась равной 27,92, а для другого – 18,62. Отсюда следовало, что формулы хлоридов FeCl 2 и FeCl 3 , и A r (Fe) = 55,85 (среднее из двух анализов). Вторая возможность – формулы FeCl 4 и FeCl 6 , и A r (Fe) = 111,7 – была исключена как маловероятная. Относительные атомные массы твердых веществ помогало находить эмпирическое правило, сформулированное в 1819 французскими учеными П.И.Дюлонгом и А.Т.Пти: произведение атомной массы на теплоемкость – величина постоянная. Особенно хорошо правило Дюлонга – Пти выполнялось для металлов, что позволило, например, Берцелиусу уточнить и исправить атомные массы некоторых из них.
При рассмотрении относительных атомных масс химических элементов, приводящихся в периодической таблице, можно заметить, что для разных элементов они даются с разной точностью. Например, для лития – с 4 значащими цифрами, для серы и углерода – с 5, для водорода – с 6, для гелия и азота – с 7, для фтора – с 8. Отчего такая несправедливость?
Оказывается, точность, с которой определяется относительная атомная масса данного элемента, зависит не столько от точности измерений, сколько от «природных» факторов, не зависящих от человека. Они связаны с непостоянством изотопного состава данного элемента: в разных образцах соотношение изотопов не вполне одинаковое. Например, при испарении воды молекулы с легкими изотопами (см . ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ) водорода переходят в газовую фазу чуть быстрее, чем молекулы тяжелой воды, содержащие изотопы 2 Н. В результате в водяных парах изотопа 2 Н немного меньше, чем в жидкой воде. Многие организмы также разделяют изотопы легких элементов (для них разница в массах более существенна, чем для тяжелых элементов). Так, при фотосинтезе растения отдают предпочтение легкому изотопу 12 С. Поэтому в живых организмах, а также произошедших от них нефти и угле содержание тяжелого изотопа 13 С понижено, а в углекислом газе и образовавшемся из него карбонатах, наоборот, – повышено. Микроорганизмы, восстанавливающие сульфаты, также накапливают легкий изотоп 32 S, поэтому в осадочных сульфатах его больше. В «остатках» же, не усвоенных бактериями, доля тяжелого изотопа 34 S больше. (Кстати, анализируя соотношение изотопов серы, геологи могут отличить осадочный источник серы от магматического. А по соотношению изотопов 12 С и 13 С можно даже отличить тростниковый сахар от свекловичного!)
Итак, для многих элементов приводить очень точные значения атомных масс просто не имеет смысла, поскольку они немного меняются от одного образца к другому. По точности, с какой приводятся атомные массы, можно сразу сказать, происходит ли в природе «разделение изотопов» данного элемента и насколько сильно. А вот, например, для фтора атомная масса приводится с очень высокой точностью; значит, атомная масса фтора в любом его земном источнике постоянна. И это неудивительно: фтор относится к так называемым элементам-одиночкам, которые в природе представлены одним-единственным нуклидом.
В периодической таблице массы некоторых элементов стоят в скобках. Это относится главным образом к актинидам, стоящим после урана (так называемые трансурановые элементы), к еще более тяжелым элементам 7-го периода, а также к нескольким более легким; среди них технеций, прометий, полоний, астат, радон, франций. Если сравнить таблицы элементов, напечатанные в разные годы, то окажется, что эти числа время от времени меняются, иногда в течение всего нескольких лет. Некоторые примеры приведены в таблице.
Причина изменений в таблицах заключается в том, что указанные элементы радиоактивны, у них нет ни одного стабильного изотопа. В таких случаях принято приводить либо относительную атомную массу наиболее долгоживущего нуклида (например, для радия), либо массовые числа; последние приводятся в скобках. Когда открывают новый радиоактивный элемент, то получают вначале лишь один из многих его изотопов – конкретный нуклид с определенным числом нейтронов. Исходя из теоретических представлений, а также экспериментальных возможностей, стараются получить нуклид нового элемента с достаточным временем жизни (с таким нуклидом легче работать), однако удавалось это «с первого захода» не всегда. Как правило, при дальнейших исследованиях выяснялось, что существуют и могут быть синтезированы новые нуклиды с бoльшим временем жизни, и тогда проставленное в Периодической таблице элементов Д.И.Менделеева число надо было заменять. Сопоставим массовые числа некоторых трансуранов, а также прометия, взятые из книг, изданных в разные годы. В скобках в таблице приведены современные данные для периодов полураспада. В старых изданиях вместо принятых в настоящее время символов элементов 104 и 105 (Rf – резерфордий и Db – дубний) фигурировали Ku – курчатовий и Ns – нильсборий.
| Таблица 2. | ||||
| Элемент Z | Год издания | |||
| 1951 | 1958 | 1983 | 2000 | |
| Pm 61 | 147 (2,62 года) | 145 (18 лет) | 145 | 145 |
| Pu 94 | 239 (24100 лет) | 242 (3,76 . 10 5 лет) | 244 (8,2 . 10 7 лет) | 244 |
| Am 95 | 241 (432 года) | 243 (7370 лет) | 243 | 243 |
| Cm 96 | 242 (163 сут) | 245 (8500 лет) | 247 (1,58 . 10 7 лет) | 247 |
| Bk 97 | 243 (4,5 час) | 249 (330 сут) | 247 (1400 лет) | 247 |
| Cf 98 | 245 (44 мин) | 251 (900 лет) | 251 | 251 |
| Es 99 | – | 254 (276 сут) | 254 | 252 (472 сут) |
| Fm 100 | – | 253 (3 сут) | 257 (100,5 сут) | 257 |
| Md 101 | – | 256 (76 мин) | 258 (52 сут) | 258 |
| No 102 | – | – | 255 (3,1 мин) | 259 (58 мин) |
| Lr 103 | – | – | 256 (26 сек) | 262 (3,6 час) |
| Rf 104 | – | – | 261 (78 сек) | 261 |
| Db 105 | – | – | 261 (1,8 сек) | 262 (34 сек) |
Как видно из таблицы, все приведенные в ней элементы радиоактивные, их периоды полураспада намного меньше возраста Земли (несколько млрд. лет), поэтому в природе этих элементов нет и получены они искусственно. По мере совершенствования техники эксперимента (синтез новых изотопов и измерение времени их жизни) иногда удавалось найти нуклиды, живущие в тысячи и даже миллионы раз дольше известных до этого. Например, когда в 1944 на циклотроне в Беркли были поставлены первые опыты по синтезу элемента № 96 (впоследствии его назвали кюрием), то единственная имевшаяся тогда возможность получения этого элемента заключалась в облучении a-частицами ядер плутония-239: 239 Pu + 4 He ® 242 Cm + 1 n. Полученный нуклид нового элемента имел период полураспада около полугода; он оказался очень удобным компактным источником энергии, и позднее его использовали с этой целью, например, на американских космических станциях «Сервейор». В настоящее время получен кюрий-247, который имеет период полураспада 16 млн. лет, что в 36 млн. раз превышает время жизни первого известного нуклида этого элемента. Так что изменения, вносимые время от времени в таблицу элементов, могут быть связаны не только с открытием новых химических элементов!
В заключение – о том, как узнали, в каком соотношении присутствуют в элементе разные изотопы? Например, о том, что в природном хлоре на долю 35 Cl приходится 75,77% (остальное – изотоп 37 Cl)? В данном случае, когда в природном элементе всего два изотопа, решить задачу поможет такая аналогия.
В 1982 в результате инфляции стоимость меди, из которых чеканились одноцентовые монеты США, превысила номинал монеты. Поэтому с этого года монеты делают из более дешевого цинка и лишь сверху покрывают тонким слоем меди. При этом содержание дорогой меди в монете снизилось с 95 до 2,5%, а масса – с 3,1 до 2,5 г. Через несколько лет, когда в обращении находилась смесь монет двух типов, преподаватели химии сообразили, что эти монеты (на глаз они почти неразличимы) – прекрасное пособие для их «изотопного анализа», либо по массе, либо по числу монет каждого типа (аналогия массовой или мольной доли изотопов в смеси). Будем рассуждать так: пусть у нас имеется 210 монет, среди которых есть и легкие, и тяжелые (это соотношение не зависит от числа монет, если их достаточно много). Пусть также общая масса всех монет равна 540 г. Если бы все эти монеты были «легкой разновидности», то общая их масса была бы равна 525 г, что на 15 г меньше действительной. Почему так? Потому что не все монеты легкие: есть среди них и тяжелые. Замена одной легкой монеты на тяжелую приводит к увеличению общей массы на 0,6 г. Нам же надо увеличить массу на 40 г. Следовательно, легких монет имеется 15/0,6 = 25. Таким образом, в смеси 25/210 = 0,119 или 11,9% легких монет. (Конечно, со временем «изотопное соотношение» монет разного типа будет меняться: легких будет все больше, тяжелых – все меньше. Для элементов же соотношение изотопов в природе постоянно.)
Точно так же и в случае изотопов хлора или меди: известна средняя атомная масса меди – 63,546 (ее определили химики, анализируя различные соединения меди), а также массы легкого 64 Cu и тяжелого 65 Cu изотопов меди (эти массы определили физики, используя свои, физические, методы). Если элемент содержит более двух стабильных изотопов, их соотношение определяется другими методами.
Наши монетные дворы – Московский и Санкт-Петербургский тоже, оказывается, чеканили разные «изотопные разновидности» монет. Причина та же – подорожание металла. Так, 10- и 20-рублевые монеты в 1992 чеканились из немагнитного медно-никелевого сплава, а в 1993 – из более дешевой стали, и эти монеты притягиваются магнитом; по внешнему виду они практически не различаются (кстати, часть монет этих годов отчеканены «не в том» сплаве, такие монеты очень редкие, а некоторые стоят дороже золота!). В 1993 чеканились также 50-рублевые монеты из медного сплава, и в том же году (гиперинфляция!) – из стали, покрытой латунью. Правда, массы наших «изотопных разновидностей» монет отличаются не так сильно, как у американских. Тем не менее, точное взвешивание кучи монет дает возможность рассчитать, сколько в них монет каждого сорта – по массе, либо по числу монет, если подсчитано общее их число.
Илья Леенсон
Из материалов урока вы узнаете, что атомы одних химических элементов отличаются от атомов других химических элементов массой. Учитель расскажет, как химики измеряли массу атомов, которые настолько мало, что их не увидишь даже с помощью электронного микроскопа.
Тема: Первоначальные химические представления
Урок: Относительная атомная масса химических элементов
В начале 19 в. (спустя 150 лет после работ Роберта Бойля) английский ученый Джон Дальтон предложил способ определения массы атомов химических элементов. Рассмотрим суть этого метода.
Дальтон предложил модель, в соответствии с которой в молекулу сложного вещества входит только по одному атому различных химических элементов. Например, он считал, что молекула воды состоит из 1 атома водорода и 1 атома кислорода. В состав простых веществ по Дальтону тоже входит только один атом химического элемента. Т.е. молекула кислорода должна состоять из одного атома кислорода.
И тогда, зная массовые доли элементов в веществе, легко определить во сколько раз масса атома одного элемента отличается от массы атома другого элемента. Таким образом, Дальтон считал, что массовая доля элемента в веществе определяется массой его атома.
Известно, что массовая доля магния в оксиде магния равна 60%, а массовая доля кислорода – 40%. Идя по пути рассуждений Дальтона, можно сказать, что масса атома магния больше массы атома кислорода в 1,5 раза (60/40=1,5):
Ученый заметил, что масса атома водорода самая маленькая, т.к. нет сложного вещества, в котором бы массовая доля водорода была бы больше массовой доли другого элемента. Поэтому он предложил массы атомов элементов сравнивать с массой атома водорода. И таким путем вычислил первые значения относительных (относительно атома водорода) атомных масс химических элементов.
Атомная масса водорода была принята за единицу. А значение относительной массы серы получилось равным 17. Но все полученные значения были либо приблизительными, либо неверными, т.к. техника эксперимента того времени была далека от совершенства и установка Дальтона о составе вещества была неверной.
В 1807 – 1817 гг. шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус провел огромное исследование по уточнению относительных атомных масс элементов. Ему удалось получить результаты, близкие к современным.
Значительно позже работ Берцелиуса массы атомов химических элементов стали сравнивать с 1/12 массы атома углерода (Рис. 2).
Рис. 1. Модель расчета относительной атомной массы химического элемента
Относительная атомная масса химического элемента показывает, во сколько раз масса атома химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Относительная атомная масс обозначается А r , она не имеет единиц измерения, так как показывает отношение масс атомов.
Например: А r (S) = 32, т.е. атом серы в 32 раза тяжелее 1/12 массы атома углерода.
Абсолютная масса 1/12 атома углерода является эталонной единицей, значение которой вычислено с высокой точностью и составляет 1,66 *10 -24 г или 1,66 *10 -27 кг. Эта эталонная масса называется атомной единицей массы (а.е.м.).
Значения относительных атомных масс химических элементов запоминать не надо, они приведены в любом учебнике или справочнике по химии, а также в периодической таблице Д.И. Менделеева.
При расчетах значения относительных атомных масс принято округлять до целых.
Исключение составляет относительная атомная масса хлора – для хлора используют значение 35,5.
1. Сборник задач и упражнений по химии: 8-й класс: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. – М.: АСТ: Астрель, 2006.
2. Ушакова О.В. Рабочая тетрадь по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006. (с.24-25)
3. Химия: 8-й класс: учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005.(§10)
4. Химия: неорг. химия: учеб. для 8 кл. общеобр. учреждений / Г.Е. Рудзитис, ФюГю Фельдман. – М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009. (§§8,9)
5. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.
Дополнительные веб-ресурсы
1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
2. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().
Домашнее задание
с.24-25 №№ 1-7 из Рабочей тетради по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006.
Одной из основных характеристик любого химического элемента является его относительная атомная масса.
(Атомная единица массы - это 1/12 массы атома углерода, масса которого принимается равной 12 а. е. м. и составляет 1,66 10 24 г.
Сравнивая массы атомов элементов с одной а.е.м., находят численные значения относительной атомной массы (Аг).
Относительная атомная масса элемента показывает, во сколько раз масса его атома больше 1/12 массы атома углерода.
Например, для кислорода Аг (О) = 15,9994, а для водорода Аг (Н) = 1,0079.
Для молекул простых и сложных веществ определяют относительную молекулярную массу, которая численно равна сумме атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы. Например, молекулярная масса воды Н2 О
Мг (Н2O) = 2 1,0079 + 1 15,9994 = 18,0153.
Закон авогадро
В химии наряду с единицами массы и объёма используется единица количества вещества, называемая молем.
!МОЛЬ (v ) - единица измерения количества вещества, содержащего столько структурных единиц (молекул, атомов, ионов), сколько атомов содержится в 0,012 кг (12 г) изотопа углерода "С’’.
Это означает, что 1 моль любого вещества содержит одно и то же число структурных единиц, равное 6,02 10 23 . Эта величина носит название постоянной Авогадро (обозначение N А , размерность 1/моль).
Итальянский ученый Амадео Авогадро в 1811 году выдвинул гипотезу, которая в дальнейшем была подтверждена опытными данными и получила впоследствии название закона Авогадро. Он обратил внимание на то, что все газы одинаково сжимаются (закон Бойля-Мариотта) и обладают одинаковыми коэффициентами термального расширения (закон Гей-Люссака). В связи с этим он предположил, что:
в равных объёмах различных газов, находящихся при одинаковых условиях, содержится одинаковое число молекул.
При одинаковых условиях (обычно говорят о нормальных условиях: абсолютное давление равно 1013 миллибар и температура 0° С) расстояние между молекулами у всех газов одинаково, а объём молекул ничтожно мал. Учитывая все вышесказанное, можно сделать предположение:
!если в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул, то и массы, в которых содержится одинаковое число молекул,должны иметь одинаковые объёмы.
Другими словами,
При одинаковых условиях 1 моль любого газа занимает одинаковый объем. При норальных условиях 1 моль любого газа занимает объем v , равный 22,4 л. Этот объем называется молярным объемом газа (размерность л/моль или м ³ /моль).
Точное значение молярного объёма газа при нормальных условиях (давление 1013 миллибар и температура 0° С) составляет 22,4135 ± 0,0006 л/моль. При стандартных условиях (t =+15° С, давление = 1013 мбар) 1 моль газа занимает объём 23,6451 л, а при t =+20° С и давлении 1013 мбар 1 моль занимает объём около 24,2 л.
В численном выражении молярная масса совпадает с массами атомов и молекул (в а. е. м.) и с относительными атомными и молекулярными массами.
Следовательно, 1 моль любого вещества имеет такую массу в граммах, которая численно равна молекулярной массе данного вещества, выраженной в атомных единицах массы.
Например, М(O2) = 16 а. е. м. 2 = 32 а. е. м., таким образом, 1 моль кислорода соответствует 32 г. Плотности газов, измеренные при одинаковых условиях, относятся как их молярные массы. Так как при перевозке сжиженных газов на газовозах основным объектом практических задач являются молекулярные вещества (жидкости, пары, газы), то и основными искомыми величинами будут молярная масса М (г/моль), количество вещества v в молях и масса т вещества в граммах или килограммах.
Зная химическую формулу того или иного газа, можно решить некоторые практические задачи, возникающие при транспортировке сжиженных газов.
Пример 1. В дек-танке находится 22 т сжиженного этилена (С 2 Н 4 ). Необходимо определить, достаточно ли на борту груза, для того чтобы продуть три грузовых танка объёмом 5000 м 3 каждый, если после продувки температура танков будет составлять 0° С, а давление 1013 миллибар.
1. Определяем молекулярную массу этилена:
М = 2 12,011 + 4 1,0079 = 28,054 г/моль.
2. Рассчитываем плотность паров этилена при нормальных условиях:
ρ = M/V = 28,054: 22,4 = 1,232 г/л.
3. Находим объём паров груза при нормальных условиях:
22∙10 6: 1,252= 27544 м 3 .
Общий объём грузовых танков составляет 15000 м 3 . Следовательно, на борту достаточно груза, для того чтобы продуть все грузовые танки парами этилена.
Пример 2 . Необходимо определить, какое количество пропана (С 3 Н 8 ) потребуется для продувки грузовых танков общей вместимостью 8000 м 3 , если температура танков составляет +15° С, а давление паров пропана в танке после окончания продувки не будет превышать 1013 миллибар.
1. Определим молярную массу пропана С 3 Н 8
М = 3 12,011 + 8 1,0079 = 44,1 г/моль.
2. Определим плотность паров пропана после продувки танков:
ρ = М: v = 44,1: 23,641 = 1,865 кг/м 3 .
3. Зная плотность паров и объём, определяем общее количество пропана, необходимое для продувки танка:
m = ρ v = 1,865 8000 = 14920 кг ≈ 15 т.