Тема 3. Кількість речовини. Розрахунки за хімічними формулами

• розвивати навички самоосвіти і здатність до самостійної дослідницької діяльності.

§ 24. Кількість речовини. Одиниця кількості речовини. Число Авогадро

Вивчення параграфа допоможе вам:

• розуміти зміст понять: кількість речовини, моль, число Авогадро;
• називати одиницю вимірювання кількості речовини та характеризувати її;
• здійснювати розрахунки з використанням зазначених понять.

Через те, що структурні частинки речовин (атоми, молекули, йони) мають вражаюче малі розміри, для проведення хімічної реакції їх ніколи не лічать, а оперують масою чи об’ємом реагентів і продуктів реакції. Як не помилитися і взяти такі порції речовин, щоб структурних частинок вистачило для отримання продукту реакції необхідної маси чи об’єму? Виявляється, що для цього необхідно:

• розуміти зміст фізичної величини кількість речовини, обчислювати її;
• знати про зв’язок між числом структурних частинок речовини, позначених хімічними формулами, і коефіцієнтами в рівнянні хімічної реакції.

КІЛЬКІСТЬ РЕЧОВИНИ. Вам відомі такі фізичні величини, як час, маса, довжина, об’єм, густина, температура та інші. З ними в повсякденному житті доводиться стикатися досить часто. Проте це не весь перелік величин, за допомогою яких можна порівнювати та відрізняти речовини. Є ще одна фізична величина — кількість речовини. Разом із масою та об’ємом вона є основною величиною в хімії.

Кількість речовини, що позначається грецькою літерою v («ню»), — це фізична величина, котра визначається числом структурних частинок (атомів, молекул, іонів) речовини, які містяться в певній її порції.

Порція води об’ємом 18 мл (приблизно одна столова ложка) за кімнатної температури має масу 18 г, оскільки густина води становить 1 г/мл. Це для вас звичні числа. А чи доводилося вам хоч раз мати справу з таким числом, як 602 000 000 000 000 000 000 000? Якраз стільки молекул міститься в порції води об’ємом 18 мл! Погодьтеся, рахувати таку кількість молекул води (або число структурних частинок будь-якої іншої речовини) у певній її порції незручно. До того ж лічильників атомів чи молекул не сконструйовано. Далі ви переконаєтеся, що уникнути цих незручностей дозволяє використання фізичної величини кількість речовини.

МОЛЬ — МІРА КІЛЬКОСТІ РЕЧОВИНИ. Для кожної фізичної одиниці є еталон, порівнюючи з яким, здійснюють вимірювання, та способи чи прилади для здійснення вимірювань.

З уведенням тієї чи іншої фізичної величини відразу пропонують одиниці її вимірювання, як, наприклад, для вимірювання маси введено кілограм (кг) та похідні від нього одиниці вимірювання — мг, г, т; для вимірювання довжини введено метр (м) та похідні від нього одиниці мм, см, км.

Пригадайте позначення та одиниці вимірювання часу, маси, довжини, об’єму, густини, температури.

А в яких одиницях вимірюють кількість речовини? Чи є її еталон?

Так, є. За одиницю вимірювання кількості речовини прийнято моль. Якщо більшість одиниць фізичних величин уведено в обіг давно, то одиницю кількості речовини моль увели лише в 1971 р. У перекладі «моль» означає «множина».

Моль — це кількість речовини, що містить стільки структурних частинок (атомів, молекул тощо) конкретної речовини, скільки атомів міститься у 12 г нукліду Карбону 12 С.

То скільки ж атомів Карбону в цій порції?

Число Авогадро. Порція легшої різновидності атомів Карбону масою 0,012 кг, або 12 г, містить 602 000 000 000 000 000 000 000 її структурних частинок, тобто атомів. Це число визначили експериментально й на честь італійського вченого Амедео Авогадро назвали числом Авогадро (позначається N_А). Щоб уявити, наскільки воно величезне, розглянемо порівняння. Якщо всю воду гідросфери нашої планети виміряти склянками місткістю 200 мл, то дістанемо число, яке буде лише мільярдною частиною числа Авогадро!

Пригадайте: вивчаючи в 7 класі атомну одиницю маси, ви дізналися, що у природі переважає легший нуклід Карбону, що містить 6 протонів та 6 нейтронів. Тоді як важчий нуклід Карбону представлений атомами, ядра яких складаються із 6 протонів, але 7 нейтронів, й у природі його невеликий відсоток.

Скорочено число Авогадро записують 6,02 · 10 23 .

Погодьтеся, таким записом числа Авогадро користуватися зручніше, ніж цілим числом із 21 нулем. Надалі для зручності ми будемо записувати число Авогадро у стандартному вигляді, тобто 6,02 · 10 23 .

Число Авогадро (N_A) — одна з найважливіших постійних величин у природничих науках. Це універсальне число, що вказує на кількість структурних частинок в одному молі речовини, незалежно від її агрегатного стану.

Сторінка ерудита

Амедео АВОГАДРО (1776-1856) — італійський хімік і фізик, першим почав систематично досліджувати кількісний і якісний склад речовин на основі співвідношення об’ємів газоподібних речовин, з яких вони утворилися. Йому належать правильні записи формул: води (Н₂О замість НО), вуглекислого газу (СО₂ замість СО), чадного газу (СО замість С₂О) та інших.

Амедео Авогадро

У 1811 р. Авогадро відкрив закон, який дотепер є загальновизнаним: в однакових об’ємах різних газів за однакових умов (температури і тиску) міститься однакова кількість молекул. Закон названо на честь його першовідкривача.

Учений також передбачив, що молекули водню, кисню, азоту двохатомні. На його честь число формульних одиниць, що міститься в 1 моль будь-якої речовини, назвали числом Авогадро.

Мінерал авогадрит металічного елемента Цезію (протонне число 55) також названо на честь ученого.

ОДИНИЦЯ ВИМІРЮВАННЯ КІЛЬКОСТІ РЕЧОВИНИ. Одиницю вимірювання кількості речовини також назвали моль.

Записи з використанням цієї одиниці здійснюють так: вода кількістю речовини 1 моль, цукор кількістю речовини 2 моль, вуглекислий газ кількістю речовини 5 моль тощо.

Зверніть увагу! Закінчення у слові «моль» не змінюється, якщо воно записане після цифри.

Якщо ж запис зроблено без цифри, то закінчення змінюється згідно з відмінком. Наприклад: «Скільки молів кисню виділиться, якщо розкласти калій перманганат кількістю речовини 4 моль?»; «В одному молі води міститься число Авогадро молекул».

Відтепер ви знаєте, що якою б не була речовина за складом (проста, складна) чи будовою (атомної, молекулярної, йонної будови), її порція кількістю речовини 1 моль містить число Авогадро структурних частинок (атомів, молекул, іонів).

Приклад 1. Графіт (С) — речовина атомної будови. Отже, 1 моль цієї речовини містить 6,02 · 10 23 атомів Карбону.

Приклад 2. Вода (Н₂О) — речовина молекулярної будови. Отже, 1 моль цієї речовини містить 6,02 · 10 23 молекул Н₂О.

Приклад 3. Натрій хлорид (NaCl) — речовина йонної будови. Тоді що є її структурними частинками? Відповідь однозначна — йони: катіони Na + та аніони Сl – . Скільки і яких структурних частинок в 1 моль цієї речовини? Формулою NaCl передано позначення одного йона Натрію та одного йона Хлору. Отже, 1 моль цієї речовини містить 6,02 · 10 23 іонів Натрію та 6,02 · 10 23 іонів Хлору.

Приклад 4. Формулою СаСl₂ передано позначення одного йона Кальцію та двох іонів Хлору. Отже, 1 моль цієї речовини містить 6,02 · 10 23 іонів Кальцію та 6,02 · 10 23 · 2 = 12,04 · 10 23 аніонів Хлору.

До структурних частинок речовин різного складу застосовують загальну назву — формульні одиниці речовини.

Формульна одиниця речовини — це сукупність її частинок, що передається хімічною формулою.

Так, формульна одиниця речовин, структурними частинками яких є атоми, — атом. Для речовин, що складаються з молекул, формульна одиниця — молекула. А для речовин, структурними частинками яких є йони, формульна одиниця — сукупність іонів, що відображена в її хімічній формулі.

Ви вже звикли оперувати такими фізичними величинами, як маса та об’єм речовин і тіл, умієте користуватися приладами для їх вимірювання. На відміну від інших фізичних величин (мал. 36), приладів для вимірювання кількості речовини не існує.

Мал. 36. Вимірювальні прилади

Тоді як узяти, наприклад, порцію води кількістю речовини 2 моль? Відповідь на це запитання ви дістанете, з’ясувавши в наступному параграфі сутність поняття «молярна маса».

Приладів для вимірювання кількості речовини не існує.

Хімія — це життя: сторінка природодослідника

Завдання 1. Розробіть план проведення експерименту з визначення густини речовин, з яких виготовлені металеві та пластмасові скріпки.

Завдання 2. Якщо ви маєте такі скріпки й у вас є змога зробити всі необхідні вимірювання, реалізуйте свій план на практиці та з’ясуйте, у скільки разів густина одного матеріалу більша за густину іншого.

Стисло про основне

• Для характеристики речовин використовують різні фізичні речовини. Однією з них є кількість речовини (v).

• Фізичну величину кількість речовини введено для позначення числа структурних частинок речовини в певній її порції.

• Кількість речовини вимірюється в молях. Моль — це кількість речовини, що містить число Авогадро структурних частинок (атомів, молекул чи інших формульних одиниць) конкретної речовини.

• Число Авогадро позначається N_А і дорівнює 602 000 000 000 000 000 000 000, або 6,02 · 10 23 , структурних частинок.

Сторінка ерудита

Mole day — День моля (крота, родимки) — святкується щорічно 23.10 з 6.02 ранку до 6.02 вечора. Він знаменує число Авогадро (6,02 · 10 23 ), яке є основною одиницею вимірювання в хімії. У такий оригінальний спосіб вирішено стимулювати інтерес учнів до хімії. Школи на всій території США і багатьох країн світу святкують Mole day, проводячи різні заходи, пов’язані з хімією.

Цю незвичайну ідею запропонував Маурі Ойлер, шкільний учитель хімії в Сполучених Штатах Америки. У 1991 р. він вийшов на заслужений відпочинок і став «батьком» національного фонду Дня моля.

На гроші, зібрані завдяки зусиллям представників цього фонду, 23 жовтня в школах і ВНЗ США проводяться олімпіади, творчі конкурси, виставки наукових робіт із хімії. А тим, хто давно закінчив школу, свято нагадує, що таке моль і що ними вимірюють.

Знаємо, розуміємо

1. Назвіть відомі вам фізичні величини та одиниці їх вимірювання.

2. Що означає фізична величина кількість речовини та в яких одиницях вона вимірюється?

3. Назвіть число Авогадро. Що ним позначають?

4. Поясніть, у чому полягає особливість фізичної величини кількість речовини порівняно з іншими фізичними величинами, що використовуються для характеристики речовин.

Застосовуємо

73. Обчисліть, скільки атомів Гідрогену й Оксигену міститься в порції води кількістю речовини 5 моль.

74. Складіть формулу бінарної сполуки Гідрогену і Сульфуру, в якій валентність Сульфуру дорівнює ІІ. Скільки молекул налічується в її порції кількістю речовини 4 моль?

Що таке моль у хімії

Хімічні речовини можна вимірювати не тільки в кілограмах або мілілітрах, а й у молях. Моль – одиниця кількості речовини, що з ‘явилася завдяки тому факту, що речовини складаються з молекул і атомів.

Що таке моль у хімії: визначення

Моль являє собою таку кількість речовини, яка вміщує в себе стільки ж частинок (молекул або атомів), скільки атомів міститься в 12 г вуглецю C. Щоб знайти число частинок в 12 г вуглецю, треба розділити загальну масу речовини (0,012 кг) на абсолютну масу вуглецевого атома, що становить 19, 93×10 ^ (-27) кг.

У підсумку виходить 6, 02×10 ^ 23 частинок. Знайдена кількість дорівнює числу молекул або атомів в одному молі всілякої речовини і називається числом Авогадро. Його розмірність – 1/моль, або моль “в мінус першого ступеня”.

Якщо хімічна речовина складається з молекул, в одному молі цієї речовини буде міститися 6, 02×10 ^ 23 молекул. Так, 1 моль водню H2 – це 6, 02×10. 23 молекул H2, 1 моль води H2O – це 6, 02×10 23 молекул H2O, 1 моль глюкози C6H12O6 – це 6, 02×10 23 молекул C6H12O6.

Якщо речовина складається з атомів, в одному молі цієї речовини буде міститися те ж Авогадрово число атомів – 6, 02×10 ^ 23. Це стосується приміром, 1 молю заліза Fe або сірки S.

Про що свідчить кількість речовини

Отже, 1 моль будь-якої хімічної речовини містить Авогадрове число частинок, що становлять цю речовину, тобто близько 6, 02×10 ^ 23 молекул або атомів. Загальна кількість речовини (число молей) позначається латинською буквою n або грецькою буквою “ню”. Його можна знайти по відношенню загальної кількості молекул або атомів речовини до числа молекул в 1 моле – числа Авогадро:n = N/N (A), де n – кількість речовини (моль), N – кількість частинок речовини, N (A) – число Авогадра. Звідси ж можна висловити і число частинок у заданій кількості речовини:N=N(A) x n. Фактичну масу одного моля речовини називають його молярною масою і позначають букою M. Вона виражається в “грамах на моль” (г/моль), але чисельно дорівнює відносній молекулярній масі речовини Mr (якщо речовина складається з молекул) або відносній атомній масі речовини Ar, якщо речовина складається з атомів. Відносні атомні маси елементів можна знайти за таблицею Менделєєва (зазвичай при розрахунках їх округлюють). Так, для водню це 1, для літію – 7, для вуглецю – 12, для кисню – 16 тощо. Відносні молекулярні маси складаються з відносних атомних мас складових молекули атомів. Наприклад, відносна молекулярна маса води H2OMr (H2O) = 2xAr (H) + Ar (O) = 2×1 + 16 = 18.

Відносні атомні і молекулярні маси – безрозмірні величини, оскільки виражають масу атома і молекули відносно умовної одиниці – 1/12 маси атома вуглецю.

У типових завданнях зазвичай потрібно знайти, скільки молекул або атомів міститься в заданій кількості речовини, яку масу становить задана кількість речовини, скільки молекул в заданій масі. Важливо розуміти, що молекулярна формула речовини вказує на число молей кожного елемента, що входить до її складу. Тобто 1 моль сірчаної кислоти H2SO4 містить 2 моля атомів водню H, 1 моль атомів сірки S, 4 моля атомів кисню O.