Определение молекулярной и атомной массы. Некоторые методы определения молекулярных масс

Закон Авогадрооткрывает путь для экспериментального определения молекулярных масс газов и веществ, переходящих в газообразное состояние без разложения.

Пусть число молекул в заданном объёме сравниваемых газов составляет N. Если массу молекулы первого газа обозначить за m₁, а массу молекулы второго газа — m₂, то массы одинаковых объёмов при одинаковых условиях будут относиться, как молярные массы. Это третье следствие из закона Авогадро.

Отношение массы данного объёма газа к массе такого же объёма другого газа называется плотностью одного газа по второму и обозначается буквой D:

D₂(1) = m₁/m₂,

Принимая во внимание, что молярная масса пропорциональна молекулярной:

M = 6,02·10²³·m получаем: D₂(1) = M₁/M₂.

Плотность D газа показывает во сколько раз один газ тяжелее другого. Если известны плотность D₂(1) первого газа по второму и молярная масса M(2) второго газа, то можно вычислить молярную массу M(1) первого газа:

M(1) = D₂(1)·M(2).

Обычно плотность газа определяют по водороду или по воздуху, вводя соответственно обозначение D_H2(X) или D_возд.(X).

Если известна плотность газа X по водороду, то M(X) = D_H2·M(H₂), а так как молярная масса водорода округленно равна 2, то М(X) = 2·D_H2(X).

Если известна плотность газа по воздуху, средняя молярная масса которого принимается равной 29, то искомая молярная масса газа M(X) = 29·D_возд.(X).

Пример 3. Вычислить молярную массу монооксида азота, плотность которого по водороду равна 15.

М(NO) = 2·15 = 30 г/моль.

Пример 4. Вычислить молярную массу бутана, если его плотность по воздуху равна 2.

М(С₄Н₁₀) = 2·29 = 58 г/моль.

Для определения молярной массы газа можно использовать представление о его молярном объёме. Моль любого газа при нормальных условиях (н. у.) занимает объём 22,4 л. Следовательно, если известна масса m(X) некоторого объёма V газа X при н. условиях, то

M(Х) = 22,4·m(X)/V(X) г/моль.

Пример 5. Вычислить молярную массу этана 5,6 л которого при нормальных условиях имеют массу 7,5 г.

х = = 30 г.

Зная молярную массу газа легко вычислить его плотность по водороду, воздуху или любому другому газу, молярная масса которого известна.

Пример 6. Вычислить плотность по водороду гемиоксида азота.

D_H2(N₂O) = = 22

Пример 7. Найти плотность по воздуху тетрафторида кремния.

D_возд.(SiF₄) = = 3,59.

Измерения объёмов газов обычно проводят в условиях отличных от нормальных. Для приведения объёма газа к нормальным условиям используют уравнение объединенного газового закона:

В этом уравнении V — объём данной массы газа при заданных давлении p и температуре T (в Кельвинах); V₀ — объём этой же массы газа при нормальных условиях (при давлении 101325 Па и температуре 273 К).

Если V₀ означает объём, занимаемый при нормальных условиях, 1 моль газа при н.у. занимает объем 22,4 л, то для всех газов соотношение будет постоянной величиной. Эта величина называется универсальной газовой постоянной, обозначается буквой R, имеет размерность: единица энергии/(Кельвин·моль). Численное значение R зависит от единиц, в которых выражается объём и давление газа.

В Интернациональной системе единиц (СИ) давление выражается в Паскалях (Па, 1 Па = 1 Н/м²), объём в кубических метрах (м³), следовательно значение универсальной газовой постоянной определяется значением (рассчитаем его для одного моля газа при н.у.):

R = = 8,314 Дж/(К·моль).

В практике химических исследований объём и давление часто выражают в единицах других систем: объём — в литрах или миллилитрах, давление — в атмосферах или миллилитрах ртутного столба. Для перевода результатов измерений в единицы СИ пользуются соотношениями:

1 атм. = 760 мм рт. ст. = 101325 Па;

1 мм рт. ст. = 1,31·10^-³ атм. = 133,322 Па.

Если давление р₀ выражено в атмосферах, а объём V₀ — в литрах, то:

R = = 0,082 л·атм./(К·моль).

Для случая, когда р₀ выражено в миллиметрах ртутного столба, а объём V₀ — в миллилитрах, получим:

R = = 62360 мл·мм рт. ст./(К·моль).

Подставим в уравнение = вместо постоянную R и получим уравнение для 1 моля газа:

= R, или pV = RТ

Для n моль газа это уравнение приобретает следующий вид:

pV = nRТ

Это уравнение получило название: уравнение Клапейрона - Менделеева. Учитывая, что число молей газа n равно отношению массы газа к его молярной массе, т. е. n = m/M, уравнение Клапейрона-Менделеева часто применяют в виде:

р·V = .

Для использования уравнения Клапейрона-Менделеева удобно вначале умножить обе его части на M, тогда:

pVM = mRT

и далее из него легко находятся любые величины.

Уравнение Клапейрона-Менделеева позволяет рассчитать молярную массу, а следовательно и молекулярную массу любого вещества, находящегося в газообразном состоянии:

M =