Основні фізичні величини, які використовують у хімії

У хімії використовують такі фізичні величини: маса, об’єм, кількість речовини, густина, атомна маса, відносна атомна й молекулярна маса, молярна маса, молярний об’єм, відносна густина газів, тиск, температура, час, концентрація, швидкість хімічної реакції, електричний заряд тощо.

Для обчислення мас атомів і молекул у хімії використовують три фізичні величини: масу атома й молекули, відносну атомну й молекулярну масу, атомну й молекулярну масу.

Маса атома й маса молекули — це маси атомів і молекул, виражені в одиницях СІ, тобто в кілограмах (або грамах).

Відносна атомна маса

Атоми — надзвичайно маленькі частинки з дуже малими масами. Наприклад, маса атома Гідрогену дорівнює 1,67 ∙ 10^-27 кг. Користуватися такими величинами дуже незручно, а тому в хімії, як і в інших природничих науках, сьогодні використовують відносну атомну масу — фізичну величину, яка показує, у скільки разів маси атомів хімічних елементів більші від певної величини, що має назву атомної одиниці маси. Ця величина становить 1/12 маси атома нукліда Карбону ¹²С. Маса атома цього нукліда, яка дорівнює 19,93 ∙ 10^{-27 кг, прийнята за 12 а. о. м. Із цього випливає, що 1 а. о. м. = 1,66} ∙ 10^-27 кг.

Карбоновий еталон у визначенні відносних атомних мас існує не дуже давно. Карбонова одиниця була введена на початку 50-х років XX століття, коли стали використовувати метод мас-спектрометрії для визначення атомних мас. До цього хіміки користувалися водневою одиницею (тобто обчислювали відносну атомну масу як відношення маси атома елемента до маси атома Гідрогену), кисневою тощо. Також був час, коли пропонували ввести йодну одиницю у зв’язку з тим, що в йоду наявний тільки один стійкий нуклід (тобто він є ізотопно чистим елементом). Тому карбонову одиницю використовують як більш зручну, хоч це й не означає, що вона є більш об’єктивною.

Відносні атомні маси хімічних елементів отримують при розділенні мас відповідних атомів на атомну одиницю маси. Якщо провести такий поділ, то можна визначити, що відносна атомна маса Гідрогену дорівнює 1,00797 (округлено 1), а Оксигену — 15,9994 (округлено 16) тощо.

Таким чином, відносна атомна маса — це фізична величина, що визначається відношенням маси атома елемента до маси однієї дванадцятої частини маси атома нукліда Карбону ¹²С .

Відносну атомну масу позначають символом А_r, де індекс і перша літера англійського слова «relative», що означає «відносний». Оскільки відносна атомна маса — величина відносна, отримана відношенням двох мас, то вона не має розмірності. Приклад запису: A_r(Н) = 1,008, A_r(U) = 238,03.

Відносна молекулярна маса — це фізична величина, що визначається відношенням маси молекули до маси однієї дванадцятої частини маси атома нукліда Карбону ¹²С.

Відносну молекулярну масу позначають символом М_r й аналогічно до відносної атомної маси вона не має одиниці вимірювання.

Відносну молекулярну масу обчислюють за хімічною формулою речовини як суму відносних атомних мас усіх атомів (з урахуванням їхньої кількості), що входять до складу молекули. У загальному вигляді:

Наприклад:

Атомна маса й молекулярна маса — це маса атомів і молекул, виражена в атомних одиницях маси. Її обчислюють так само, як і відносну атомну та молекулярну маси, й чисельно ці величини рівні. Єдина відмінність — атомна й молекулярна маси мають одиницю вимірювання 1 а. о. м.

Кількість речовини — це фізична величина, що визначається числом часток — структурних елементів речовини: молекул, атомів, іонів. Кількість речовини позначають латинською літерою n.

Одиниця вимірювання кількості речовини — моль. 1 моль — це така кількість речовини, що містить стільки ж структурних елементів речовини (молекул, атомів, іонів), скільки міститься атомів у нукліді Карбону ¹²С масою 0,012кг.

У зразкові нукліда карбону ¹²С масою 0,012 кг міститься 6,022 ∙ 10²³ атомів Карбону. Отже, можна сказати, що 1 моль — це така кількість речовини, яка містить 6,022 ∙ 10²³структурних елементів речовини (молекул, атомів, іонів).

Стала Авогадро

Число, яке дорівнює 6,022 ∙ 10²³, називають сталою Авогадро. Ця величина позначається N_A й має одиницю виміру — моль^-1.

N_A = 6,022 ∙ 10²³ моль^-1.

Стала Авогадро — це одна з фундаментальних сталих нарівні з гравітаційною сталою, сталою Планка, швидкості світла у вакуумі тощо.

Молярна маса — це фізична величина, що дорівнює масі речовини кількістю 1 моль.

Молярну масу позначають символом М, одиниця вимірювання — кг/моль або г/моль. Молярна маса будь-якої речовини чисельно дорівнює її відносній атомній або молекулярній масі:

оскільки M = m_mN_A (1);

М_r = m_m / 1 а. о. м (2);

N_A ∙ 1 а. о. м. = 1 (3),

де m_m — маса молекули,

то, підставляючи (3) в (1), одержуємо

М = m_а (1 / 1 а. о. м), отже М = М_r.

Відповідно молярну масу речовини з відомою формулою можна обчислити аналогічно до відносної молекулярної маси. Незважаючи на те, що чисельно молярна й молекулярна маси рівні, вони мають різне значення: відносна молекулярна маса характеризує масу однієї молекули, а молярна маса — масу речовини кількістю 1 моль.

Молярна маса речовини — це кількісна характеристика речовини, причому для речовини з певним складом вона є сталою величиною, незалежно від агрегатного стану й умов існування (температури, тиску, об’єму).

Молярний об’єм — це фізична величина, яка дорівнює об’єму речовини кількістю речовини 1 моль.

Молярний об’єм позначається символом V_m і має одиницю вимірювання — м³/моль або л/моль. На відміну від молярної маси, молярний об’єм не є сталою величиною, він залежить (особливо для газуватих речовин) від умов існування речовини: агрегатного стану, температури й тиску.

Молярний об’єм будь-якої речовини, незалежно від агрегатного стану, можна обчислити за допомогою фізичного рівняння m = ρ ∙ V:

Досить часто при обчисленнях об’єми газів приводять до нормальних умов (температура 0 °С або 273,15 °К і тиск 101325 Па). Отже, можна обчислити значення молярного об’єму ідеального газу за таких умов:

Поняття «молярний об’єм газу» можна застосовувати не тільки до індивідуальних газуватих речовин, але й до газових сумішей. Мова йде про об’єм суміші, що містить 6,022∙ 10²³ молекул різних газів.

Основні фізичні величини, які використовують у хімії, пов’язані між собою такими формулами:

де m_а — маса атома (у кг); m_m — маса молекули (у кг); N — число структурних одиниць речовини (атомів, молекул, іонів); m — маса речовини; V — об’єм речовини.