1.3.1. Определения понятий атом и молекула

По современным представлениям:

Атом – это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Неправильно говорить, что «атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства», т. к. химический элемент – это вид частиц (атомов, ионов, ядер) с определенным зарядом ядра; поэтому элемент не состоит из атомов!

Кроме того, химические свойства – это энергетика и скорость химической реакции, а они зависят не только от состава реагирующей частицы, но и от ее энергетического состояния, геометрической формы и т. п., потому химическими свойствами обладают не атомы (и молекулы), а их совокупности – химические вещества.

Молекула – это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством химических связей, определяющая состав вещества.

Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газо- и парообразном состоянии. В твердом состоянии из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную структуру (большинство органических веществ; неметаллы, кроме бора, кремния, аллотропных модификаций углерода; углекислый газ СО₂; вода Н₂О).

Большинство же твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры: их решетка состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов); они существуют в виде макротел (кристалл NaCl, друза кварца, кусок железа и др.). К веществам немолекулярного строения относятся соли, оксиды металлов, алмаз, кремний, металлы и др.

Химическая связь между молекулами у веществ с молекулярной структурой менее прочная, чем между атомами в молекуле, поэтому их температуры плавления и кипения сравнительно низкие. У веществ с немолекулярной структурой химическая связь между частицами весьма прочная, поэтому их температуры плавления и кипения высокие.

1.3.2. Массы атомов и молекул. Моль

Массы атомов и молекул чрезвычайно малы, поэтому для них используют специальную единицу измерения – атомную единицу массы (сокращенное обозначение «а. е. м.»):

1 а. е. м. = 1,66·10^–27 кг.

Например, абсолютная масса атома алюминия:

m_o(Al) = 4,482·10^–26 кг = 27 а. е. м.

Чаще используют безразмерные величины – относительные атомные и молекулярные массы.

Относительная атомная масса A_r – число, показывающее, во сколько раз масса данного атома больше 1/12 массы атома углерода ¹²С.

Например:

A_r(Al) = = 27.

Относительная молекулярная масса M_r – число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода ¹²С.

Например:

M_r(SO₂) = = 64.

Наряду с единицами массы и объема, в химии пользуются также единицей количества вещества, называемой молем (сокращенное обозначение – «моль»).

Моль – это количество вещества, содержащее столько же структурных единиц (атомов, молекул, ионов, ядер, электронов, радикалов), сколько содержится атомов в 0,012 кг (12 г) углерода ¹²C.

В одном моле любого вещества содержится число Авогадро структурных единиц, а именно

N_A = 6,02·10²³ моль^–1.

Моль вещества имеет определенную массу (молярную массу) и определенный объем (молярный объем).

Молярная (мольная) масса М – это масса 1 моль вещества, выраженная в единицах массы:

M(Al) = 27 г/моль; M(H₂SO₄) = 98 г/моль.

Молярный (мольный) объем V_m – объем 1 моль вещества, выраженный в единицах объема:

V_m(CO₂) = 22,4 л/моль (н. у.)¹; V_m(H₂O) = 18 мл/моль.

Пример 1.1. Во время войны во Вьетнаме (1962–1971 гг.) американские войска широко использовали дефолианты в борьбе с партизанами. Дефолиант «agent orange» (оранжевый реактив) вызывает ускоренное опадание листьев деревьев. Всего над джунглями было распылено 57 тыс. т этого препарата, в котором в виде примеси содержалось до 170 кг диоксина. Сейчас этот дефолиант известен под названием 2,4-D (2,4-дихлорфеноуксусная кислота). Рассчитайте массу одной молекулы дефолианта (молекулярная формула С₈Н₆O₃Cl₂): а) в граммах; б) в атомных единицах массы.

Решение:

а). Для расчета массы молекулы 2,4-дихлорфеноуксусной кислоты необходимо знать ее молярную массу:

М(С₈Н₆O₃Cl₂) = 8 · 12 + 6 · 1 +  3 · 16 + 2 · 35,5 = 221 (г/моль).

Рассчитываем количество вещества по следующим формулам:

ν = m / M; ν = N / N_A,

где m – масса, M – молярная масса, N – число атомов или молекул, N_A = 6,02·10²³ моль^–1 – постоянная Авогадро.

Объединив эти формулы можно выразить массу через число молекул:

m = ν · M = .

Подставляя в полученную формулу N = 1, M = 221 г/моль, N_A, находим:

m(С₈Н₆O₃Cl₂) = = 36,7·10^–23 (г).

б). Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на 1 а. е. м.

m(С₈Н₆O₃Cl₂) = 1 а. е. м. · M_r(С₈Н₆O₃Cl₂)

Относительная молекулярная масса численно равна молярной массе:

M_r(С₈Н₆O₃Cl₂) = 221;

m(С₈Н₆O₃Cl₂) = 1 а. е. м. · 221 = 221 а. е. м.

Пример 1.2. Сколько молекул содержится в 1 л воды?

Решение. 1. Массу 1 л воды можно вычислить, используя величину плотности (плотность воды при 4С равна 1 г/см³):

m(H₂O) = V(H₂O) · ρ(H₂O);

V(H₂O) = 1 л = 1 дм³ = 1000 см³;

m(H₂O) = 1000 см³ · 1 г/см³ = 1000 г.

2. Дальнейшие рассуждения можно вести двумя способами.

1 способ: по количеству вещества.

Пользуясь формулами ν = m / M и ν = N / N_A, находим:

ν(Н₂О) = m(Н₂О) / M(Н₂О); ν(Н₂О) = 1000 г / 18 г/моль = 55,6 моль.

N(H₂O) = ν(Н₂О) · N_A; N(H₂O) = 55,6 моль · 6,02·10²³ моль^–1 = 334,7·10²³ = 3,35·10²⁵.

2 способ: с помощью пропорции.

18 г (1 моль) H₂O содержат 6,02·10²³ молекул;

1000 г Н₂О содержат N молекул.

N(H₂O) = 1000 · 6,02·10²³ / 18 = 3,35·10²⁵.

Пример 1.3. Вычислите молярный объем алюминия, если его плотность составляет 2,7 г/см³.

Решение. Для вычисления молярного объема через плотность вещества необходимо знать его молярную массу:

ρ(Al) = ;V_m(Al) = .

V_m(Al) = = 10 см³/моль = 0,01 л/моль.