Молекулярная физика. Часть 2

Яковлева Т.Ю.
Молекулярная физика
Химия есть правая рука физики, математика – глаза.
М.В. Ломоносов

Яковлева Т.Ю.
Закон сохранения массы
Русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов (1711-65) в 1748 г. создал при Петербургской Академии наук первую в России химическую лабораторию. Тогда же он впервые сформулировал, а в 1756 г. экспериментально подтвердил на примере обжигания металлов в запаянных сосудах закон сохранения массы (веса):
Общая масса (вес) веществ, вступивших в химическую реакцию, равна общей массе (весу) веществ, образующихся в результате реакции.

Яковлева Т.Ю.
Русский учёный
Михаил Васильевич Ломонóсов
(19.11.1711–15.04.1765)

Яковлева Т.Ю.
Закон сохранения массы
В 1789 г. (через 41 год после Ломоносова) более строгий вариант закона сохранения массы был установлен французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье (1743-94), который показал, что при химических реакциях сохраняется не только общая масса веществ, но и масса каждого из элементов, входящих в состав взаимодействующих веществ.

Яковлева Т.Ю.
Французский химик
Антуан Лоран Лавуазьé
(Antoine-Laurent Lavoisier)
(26.08.1743–8.05.1794)

Яковлева Т.Ю.
Связь массы и энергии
В 1905 г. немецкий физик Альберт Эйнштейн (Albert Einstein, 1879-1955) показал, что между массой тела (m) и его энергией (E) существует связь, выражаемая уравнением Эйнштейна:
где c0 – скорость света в вакууме (3·108 м/с).

Яковлева Т.Ю.
Немецкий (американский) физик
Альберт Эйнштéйн (Albert Einstein)
(14.03.1879–18.04.1955)

Яковлева Т.Ю.
Размеры и массы
атомов и молекул
Размер молекулы настолько мал, что представить его можно только с помощью сравнений.
Например, молекула воды во столько раз меньше крупного яблока, во сколько раз яблоко меньше земного шара.
Линейные размеры простых атомов и молекул составляют около 10-10 м.
Масса атома водорода составляет 1,674ׁׂ·10-27 кг, кислорода — 2,667 · 10-26 кг, углерода — 1,993 · 10-26 кг.

Яковлева Т.Ю.
Атомная единица массы вещества
Атомная масса измеряется в атомных единицах массы.
Атомная единица массы (а.е.м.) или дáльтон (Да) – единица массы, равная 1/12 массы изотопа углерода 12C (нуклида углерода с атомной массой 12), что в единицах системы СИ составляет (1,6605655 ± 0,0000086)∙10–27 кг (на 1980 год).
mед = 1 а.е.м. = (масса 12C) /12 ≈ 1,66∙10–27 кг

Яковлева Т.Ю.
Относительная молекулярная (атомная) масса вещества
Относительная молекулярная (или атомная) масса вещества — отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода 12С (1 а.е.м.)
Mr = m0 / ( m0С /12)
Mr = m0 / 1 а.е.м.
где m0 – масса молекулы (или атома) данного вещества,
m0C – масса атома углерода.
Относительная молекулярная (атомная) масса выражается в атомных единицах массы.

Яковлева Т.Ю.
Опыты, позволившие открыть закон Авогадро. Закон объёмных отношений.
Измеряя объёмы газов, вступающих в реакцию и образующихся в результате реакции, французский физик Жозеф Луи Гей-Люссáк (1778-1850) 31 декабря 1808 г. пришёл к установлению закона простых объёмных отношений («химическому» закона Гей-Люссака):
Объёмы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объёмам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие целые числа.

Яковлева Т.Ю.
Французский физик
Жозеф Луи Гей-Люссáк
(Joseph Louis Gay-Lussac)
(6.12.1778-9.05.1850)

Яковлева Т.Ю.
Закон Авогадро
В равных объёмах различных газов при одинаковых условиях (одинаковых температурах и давлениях) содержится одинаковое число молекул.

Яковлева Т.Ю.
Итальянский физик и химик
Амедео Авогáдро (Amedeo Avogadro)
(9.08.1776-9.07.1856)
Закон Авогадро открыт А.Авогадро в 1811 году, однако только с 1860 года стал широко применяться в физике и химии.

Яковлева Т.Ю.
Моль
Слово «моль» придумал в начале 20 века немецкий физико-химик лауреат Нобелевской премии Вильгельм Оствальд (1853–1932); оно содержит тот же корень, что и слово «молекула» и происходит от латинского moles – громада, масса с уменьшительным суффиксом.
Моль – единица количества вещества ν в системе СИ.
Моль – это количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в 0,012 кг изотопа углерода 1 2 C.
При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц. Другими словами, в 1 моле содержится столько молекул (атомов, ионов и каких-либо других структурных элементов вещества), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода 1 2 C.
Раньше молем или грамм-молекулой называли количество вещества, численно равное относительной молекулярной массе, но выраженное в граммах.

Яковлева Т.Ю.
Постоянная Авогадро
Число молекул (число структурных единиц) в одном моле любого вещества называется постоянной Авогадро
NА= 6,0221367·1023 (моль-1).
Постоянная Авогадро настолько велика, что с трудом поддается воображению.
Например, если футбольный мяч увеличить в NА раз по объему, то в нем поместится земной шар. Если же в NА раз увеличить диаметр мяча, то в нем поместится самая большая галактика, содержащая сотни миллиардов звезд!
Если вылить стакан воды в море и подождать, пока эта вода равномерно распределится по всем морям и океанам, до самого их дна, то, зачерпнув в любом месте Земного шара стакан воды, в него обязательно попадет несколько десятков молекул воды, которые были когда-то в стакане.

Яковлева Т.Ю.
Молярная масса
Массу одного моля вещества (количество вещества ν = 1 моль) называют молярной массой и обозначают μ или М:
Молярная масса — величина, равная отношению
массы вещества m к количеству вещества ν.
M = m / ν.
В общем случае молярная масса вещества, выраженная в г/моль, численно равна относительной атомной или относительной молекулярной массе этого вещества:
M = Mr (г/моль), M = Mr∙10 - 3 (кг/моль),
M = m0∙NA = Mr∙mе д∙NA ,
m0 - масса одной молекулы или атома.

Яковлева Т.Ю.
Количество вещества
ν = N/NA = m/M
ν — количество вещества, [ν] = моль,
N - общее число молекул,
NA - число Авогадро, NA = 6,02·102 3 (1/моль),
m — общая масса вещества,
M — молярная масса, [M] = кг/моль,

Яковлева Т.Ю.
Следствие из закона Авогадро
При одинаковых условиях равные количества различных газов занимают равные объёмы.
В частности, при нормальных условиях (н. у.)
[температуре Т0 = 273,15 K = 0 °С и
давлении р0 = 1,01325 · 105 Па =1 атм = 760 мм. рт. ст.]
1 моль любого газа (близкого по свойствам к идеальному газу), занимает один и тот же объём VM = 22,4 л.
Эта физическая постоянная VM называется молярный (мольный) объём газа при нормальных условиях. Точное значение молярного объёма газа 22.4135 ± 0.0006 л/моль.

Яковлева Т.Ю.
Следствие из закона Авогадро
Плотности ρ2 и ρ1 двух идеальных газов при одних и тех же давлении и температуре прямо пропорциональны их молярным массам M2 и M1 :
ρ2 / ρ1 = M2 / M1
или
Молярная масса первого газа равна произведению молярной массы второго газа на относительную плотность первого газа по второму:
M1 = M2(ρ1/ρ2)

Яковлева Т.Ю.
Следствие из закона Авогадро
Третье следствие закона Авогадро относится к реакциям с участием газов, его часто называют законом объемных отношений:
Объемы реагирующих и образующихся в результате реакции газов, если они измерены при одинаковых условиях, относятся так же, как и коэффициенты в уравнении реакции.
Например, для реакции горения метана СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О
на основании этого закона можно утверждать, что с одним объемом метана прореагирует два объема кислорода, в результате получится один объем углекислого газа, если все объемы измерены при одинаковых условиях.

Яковлева Т.Ю.

Яковлева Т.Ю.
Вопросы
- Каковы порядковые величины диаметра и массы молекул?
- Что называют относительной молекулярной массой?
- Что называют количеством вещества?
- Какова единица количества вещества? Дайте определение этой единицы.
- Что такое молярная масса вещества?
- Что называют постоянной Авогадро?
- Чему равна постоянная Авогадро?