Enačbe za izračun mase molekule, primer problema

Vsi vemo, da so telesa okoli nas sestavljena iz atomov in molekul. Imajo drugačno obliko in strukturo. Pri številnih kemijskih in fizikalnih problemih moramo pogosto ugotoviti maso molekule. V tem članku bomo obravnavali več teoretičnih metod za reševanje tega problema.

Splošne informacije

Preden začnemo razpravljati o tem, kako ugotoviti maso molekule, se moramo najprej seznaniti s pojmom mase. V nadaljevanju bomo navedli nekaj primerov.

Molekula je običajno skupek atomov, ki so med seboj povezani z neko vrsto kemijske vezi. V različnih fizikalnih in kemijskih procesih jih je treba in jih je mogoče obravnavati kot enoto. Te vezi so lahko ionske, kovalentne, kovinske ali van der Waalsove.

Znana molekula vode ima kemijsko formulo H₂O. Njegov kisikov atom je s polarnimi kovalentnimi vezmi povezan z dvema vodikovima atomoma. Ta struktura je odgovorna za številne fizikalne in kemijske lastnosti tekoče vode, ledu in pare.

Metan zemeljskega plina je še en pomemben član molekularnega. Njegovi delci so sestavljeni iz atoma ogljika in štirih atomov vodika (CH₄). V prostoru imajo molekule obliko tetraedra z ogljikom v sredini.

Zrak je kompleksna mešanica plinov, ki jo večinoma sestavljajo molekule kisika O₂ in dušika N₂. Obe vrsti sta povezani z močnimi dvojnimi in trojnimi kovalentnimi nepolarnimi vezmi, kar je razlog za njuno visoko kemijsko inertnost.

Določanje mase molekule z njeno molsko maso

Periodni sistem kemijskih elementov vsebuje veliko informacij, med katerimi so tudi atomske masne enote (a.е.м.). Vodikov atom ima na primer.е.м., enak 1, atom kisika pa je enak 16. Vsaka od teh številk kaže maso v gramih, ki bi jo imel sistem, ki vsebuje 1 mol atomov ustreznega elementa. Spomnimo se, da je enota količine snovi 1 mol število delcev v sistemu, ki ustreza Avogadrovemu številu N_A, je enak 6,02*10²³.

Ko govorimo o molekuli, ne uporabljamo izraza a.е.м., in molekulsko maso. Slednja je preprosta vsota.е.м. za atome, ki sestavljajo molekulo. Molska masa za H₂O bo 18 g/mol, za O₂ - 32 g/mol. S splošnim pojmom, nadalje je mogoče posredovati izračunati.

Molska masa M se preprosto uporablja za izračun mase molekule m₁. Za to uporabite preprosto formulo:

m₁ = M/N_A.

V nekaterih problemih sta masa sistema m in količina snovi v njem n. V tem primeru se masa ene molekule izračuna na naslednji način:

m₁ = m/(n*N_A).

Idealni plin

Ta izraz se nanaša na plin, katerega molekule se kaotično gibljejo v različnih smereh z velikimi hitrostmi in ne vplivajo druga na drugo. Razdalje med njimi so veliko večje od njihovih notranjih dimenzij. Za ta model velja naslednji izraz:

P*V = n*R*T.

Imenuje se Mendelejev-Clapeyronov zakon. Kot je razvidno, enačba povezuje tlak P, prostornino V, absolutna temperatura T in količino snovi n. V formuli je R plinska konstanta, ki je številčno enaka 8,314. Zapisani zakon se imenuje univerzalni zakon, ker ni odvisen od kemične sestave sistema.

Če so znani trije termodinamični parametri T, P, V in vrednost m sistema, potem je masa molekule idealnega plina m₁ ni težko določiti z naslednjo formulo:

m₁ = m*R*T/(N_A*P*V).

Ta izraz lahko zapišemo tudi z gostoto plina ρ in Boltzmannovo konstanto k_B:

m₁ = ρ*k_B*T/P.

Primer problema

Znano je, da je gostota plina 1,225 kg/m³ pri 101325 Pa pri atmosferskem tlaku in temperaturi 15 ^oC. Kakšna je masa molekule?? O katerem plinu govorimo?

Ker so nam dani tlak, gostota in temperatura sistema, lahko za določitev mase ene molekule uporabimo formulo iz prejšnjega odstavka. Imamo:

m₁ = ρ*k_B*T/P;

m₁ = 1,225*1,38*10^-23*288,15/101325 = 4,807*10^-26 kg.

Za odgovor na drugo vprašanje naloge poiščimo molsko maso M plina:

M = m₁*N_A;

M = 4,807*10^-26*6,02*10²³ = 0,029 kg/mol.

Dobljena vrednost molske mase ustreza plinu zrak.