Атомная масса и молекулярная масса

В быту массу веществ мы определяем взвешиванием, при котором сравниваются массы пищевых продуктов или предметов с массами гирь весов. 500 г сахара или 2 кг муки выражают массы этих пищевых продуктов.

А как взвесить атомы и молекулы? Во-первых, они слишком малы, а во-вторых, нельзя выделить из вещества один атом или одну молекулу и поместить на весы. У атомов и молекул вместо абсолютной массы измеряются относительные атомные массы и относительные молекулярные массы. Относительная масса – это масса физического тела или частицы относительно чего-либо. Если 1 апельсин в 5 раз тяжелее 1 сливы, то масса апельсина относительно сливы равна 5.

За единицу, относительно которой измеряются массы атомов, взята 1/12 часть массы атома углерода. Эта сверхмалая единица называется атомной единицей массы (сокращенно а. е. м.) и равняется 1,66 · 10^–24 г. Понимая смысл атомной единицы массы, можно мысленно представить, как происходило бы «взвешивание» атомов при помощи такой маленькой «гири».

Предположим, что атом углерода подобен апельсину и его можно разделить на 12 равных частей. Если одну часть принять за «гирю», получится подходящая единица для измерения масс атомов. Тогда атомы можно будет «взвешивать» при помощи этой маленькой «гирьки», как и продукты на рынке. Для взвешивания 4 кг муки нужны 4 гири по 1 кг или соответственное число других гирь. Если атом «весит» 4 атомные единицы массы, значит, его масса равна 4. Таким образом, атомная масса показывает, во сколько раз абсолютная масса данного атома больше атомной единицы массы.

Атомная масса атома равна частному от деления абсолютной массы атома на единицу атомной массы. Истинная масса атома называется абсолютной массой атома.

В табл. 6 приведены примеры абсолютных и относительных атомных масс.

При решении простых химических задач можно исполь-зовать атомные массы элементов, округленные до целых чисел.

Из уроков математики вы знаете, что все измеряемые величины имеют свои обозначения, например, площадь – букву S, объем – букву V. Атомная масса обозначается A_r. Индекс «r» показывает, что эта величина относительная. Таким образом, вместо предложения «относительная атомная масса золота равна 197» мы можем записать: A_r(Au) = 197.

Хотя масса молекул изменяется в широких пределах 10^–27–10^–21 кг), она все равно очень мала. Поскольку моле-кулы состоят из атомов, массы молекул тоже выражаются в атомных единицах массы. При решении задач используются относительные массы молекул, или молекулярные массы.

Для расчета молекулярной массы вещества нужно (по таблице периодической системы химических элементов или по приложению 5) найти атомные массы элементов, входящих в его состав, и суммировать их. Например, вода Н₂О состоит из 2 атомов водорода (атомная масса водорода равна 1) и 1 атома кислорода (атомная масса кислорода равна 16). Следовательно, молекулярная масса воды равна 1 + 1 + 16 = 18 атомных единиц массы (а. е. м.). Число 18 означает, что молекула воды в 18 раз тяжелее, чем атомная единица массы.

Молекулярная, как и атомная, масса является относительной величиной. Ее принято обозначать M_r и рядом записывать формулу вещества, масса которого определяется. Например:

M_r(Н₂О).

Легче всего определить молекулярную массу простого вещества. При расчете молекулярной массы простого вещества нужно умножить значение атомной массы на индекс, т. е. на число атомов в молекуле. Например, молекулярная масса кислорода, равная 32 а. е. м., рассчитывается следующим образом:

При расчете молекулярной массы сложного вещества нужно сложить атомные массы входящих в его состав элементов, предварительно умножив их на индексы. Например, молекулярная масса углекислого газа СО₂ равна сумме атомной массы углерода и атомной массы кислорода, умноженной на индекс 2:

Иногда приходится вычислять молекулярные массы веществ с более сложным составом, например, Fe(OH)₃. В этой формуле есть 3 одинаковые группы ОН. Здесь для расчета молекулярной массы надо применить знания, полученные на уроках математики, и вспомнить порядок действий с выражениями в скобках.

Квадратные скобки используются в том случае, если в формуле вещества уже есть круглые скобки. Поскольку индекс после круглых скобок относится к каждому элементу в них, рассчитать молекулярную массу можно и так:

M_r[Fe(OH)₃] = 56 + 16 · 3 + 1 · 3 = 107

Молекулярная масса не выражает абсолютную массу молекулы, но позволяет определить, какая молекула легче, а какая – тяжелее.

Молекулярная масса кислорода (О₂) равна 32, а молекулярная масса воды (Н₂О) – 18. Следовательно, масса молекулы кислорода почти в два раза тяжелее молекулы воды (32 : 18 = 1,77).

Массы ионных соединений (например, Na⁺Cl^–) рассчитываются так же, как и молекулярные массы.