Атомно-молекулярное учение

Представления об атомах как мельчайших неделимых частицах зародились в древней Греции. Основы современного атомно-молекулярного учения впервые сформулировал М.В. Ломоносов (1748), но его представления, изложенные в частном письме, были неизвестны большинству учёных. Поэтому основоположником современного атомно-молекулярного учения считается английский ученый Дж. Дальтон, который сформулировал (1803–1807) его основные постулаты.

1. Каждый элемент состоит из очень мелких частиц – атомов.

2. Все атомы одного элемента одинаковы.

3. Атомы различных элементов имеют разные массы и обладают разными свойствами.

4. Атомы одного элемента не превращаются в атомы других элементов в результате химических реакций.

5. Химические соединения образуются в результате комбинации атомов двух или нескольких элементов.

6. В данном соединении относительные количества атомов различных элементов всегда постоянны.

Эти постулаты вначале были косвенно доказаны совокупностью стехиометрическихзаконов. Стехиометрия - часть химии, которая изучает состав веществ и его изменение в ходе химических превращений. Это слово образовано от греческих слов «стехион» - элемент и «метрон» - мера. К законам стехиометрии относятся законы сохранения массы, постоянства состава, кратных отношений, объемных отношений, закон Авогадро и закон эквивалентов.

1.3. Стехиометрические законы

Законы стехиометрии считаются составными частями АМУ. На основании этих законов было введено понятие о химических формулах, химических уравнениях и валентности.

Установление стехиометрических законов позволило приписать атомам химических элементов строго определенную массу. Массы атомов чрезвычайно малы. Так, масса атома водорода составляет 1,67∙10 –27 кг, кислорода - 26,60∙10 -27 кг, углерода - 19,93∙10 –27 кг. Пользоваться такими числами при различных расчетах очень неудобно. Поэтому с 1961 года за единицу массы атомов принята 1 / 12 массы изотопа углерода 12 С - атомная единица массы (а.е.м.). Раньше её называли углеродной единицей (у.е.), но сейсчас это название использовать не рекомендуется.

Масса а.е.м. составляет 1,66 . 10 –27 кг или 1,66 . 10 –24 г.

Относительной атомной массой элемента (Аr ) называют отношение абсолютной массы атома к 1 / 12 части абсолютной массы атома изотопа углерода 12 С. Иначе говоря, А r показывает, во сколько раз масса атома данного элемента тяжелее 1 / 12 массы атома 12 С. Например, округлённое до целого числа значение А r кислорода равно 16; это означает, что масса одного атома кислорода в 16 раз больше 1 / 12 массы атома 12 С.

Относительные атомные массы элементов (Аr) приводятся в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

Относительной молекулярной массой (М r) вещества называется масса его молекулы, выраженная в а.е.м.Она равна сумме атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы вещества и вычисляется по формуле вещества. Например, относительная молекулярная масса серной кислоты H 2 SO 4 слагается из атомных масс двух атомов водорода (1∙2 = 2), атомной массы одного атома серы (32) иатомной массы четырех атомов кислорода (4∙16 = 64). Она равна 98.

Это означает, что масса молекулы серной кислоты в 98 раз больше 1 / 12 массы атома 12 С.

Относительные атомные и молекулярные массы - величины относительные, а потому - безразмерные.

Состав простых и сложных веществ химики всего мира отражают очень красиво и лаконично в виде химических формул. Химические формулы - это аналоги слов, которые записывают с помощью букв - знаков химических элементов.

Выразим с помощью химических символов состав самого распространённого вещества на Земле - воды. В молекулу воды входят два атома водорода и один атом кислорода. Теперь переведём это предложение в химическую формулу, используя химические символы (водорода - Н и кислорода - О). Число атомов в формуле запишем с помощью индексов - цифр, стоящих внизу справа от химического символа (индекс 1 для кислорода не пишут): Н 2 0 (читают «аш-два-о»).

Формулы простых веществ водорода и кислорода, молекулы которых состоят из двух одинаковых атомов, записывают так: Н 2 (читают «аш-два») и 0 2 (читают «о-два») (рис. 26).

Рис. 26.
Модели молекул и формулы кислорода, водорода и воды

Чтобы отразить число молекул, используют коэффициенты, которые пишут перед химическими формулами: например, запись 2СО 2 (читают «два-цэ-о-два») означает две молекулы углекислого газа, каждая из которых состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода.

Аналогично записывают коэффициенты, когда указывают число свободных атомов химического элемента. Например, нам нужно записать выражение: пять атомов железа и семь атомов кислорода. Делают это следующим образом: 5Fe и 7О.

Размеры молекул, а тем более атомов настолько малы, что их невозможно рассмотреть даже в лучшие оптические микроскопы, дающие увеличение в 5-6 тысяч раз. Их невозможно рассмотреть и в электронные микроскопы, дающие увеличение в 40 тысяч раз. Естественно, что ничтожно малому размеру молекул и атомов соответствуют и ничтожно малые их массы. Учёные рассчитали, например, что масса атома водорода равна 0,000 000 000 000 000 000 000 001 674 г, что можно представить как 1,674 10 -24 г, масса атома кислорода равна 0,000 000 000 000 000 000 000 026 667 г, или 2,6667 10 -23 г, масса атома углерода равна 1,993 10 -23 г, а масса молекулы воды равна 3,002 10 -23 г.

Рассчитаем, во сколько раз масса атома кислорода больше массы атома водорода, самого лёгкого элемента:

Аналогично, масса атома углерода больше массы атома водорода в 12 раз:

Рис. 27. Масса атома углерода равна массе 12 атомов водорода

Масса молекулы воды больше массы атома водорода в 18 раз (рис. 28). Эти величины показывают, во сколько раз масса атома данного химического элемента больше массы атома водорода, т. е. являются относительными.

Рис. 27. Масса атома воды равна массе 18 атомов водорода

В настоящее время учёные-физики и учёные-химики придерживаются мнения, что относительная атомная масса элемента - это величина, показывающая, во сколько раз масса его атома больше 1/12 массы атома углерода. Относительную атомную массу обозначают Аr, где r - начальная буква английского слова relative, что означает «относительный». Например, А r (0) = 16, А r (С) = 12, A r (H) = 1.

Каждый химический элемент имеет своё значение относительной атомной массы (рис. 29). Значения относительных атомных масс химических элементов указаны в соответствующих им клетках таблицы Д. И. Менделеева.

Рис. 29.
Каждый элемент имеет свое значение относительной атомной массы

Аналогично, относительную молекулярную массу вещества обозначают М r , например М r (Н 2 0) = 18.

Относительная атомная масса элемента А r и относительная молекулярная масса вещества М r - величины, которые не имеют единиц измерения.

Чтобы узнать относительную молекулярную массу вещества, не обязательно делить массу его молекулы на массу атома водорода. Нужно просто сложить относительные атомные массы элементов, образующих вещество, с учётом числа атомов, например:

Химическая формула содержит важную информацию о веществе. Например, формула С0 2 показывает следующую информацию:

Рассчитаем массовые доли элементов углерода и кислорода в углекислом газе СO 2 .

Ключевые слова и словосочетания

1. Химическая формула.
2. Индексы и коэффициенты.
3. Относительная атомная масса (А r).
4. Относительная молекулярная масса (М r).
5. Массовая доля элемента в веществе.

Работа с компьютером

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

1. Что означают записи: 3Н; 2Н 2 O; 5O 2 ?
2. Запишите формулу сахарозы, если известно, что в состав её молекулы входят двенадцать атомов углерода, двадцать два атома водорода и одиннадцать атомов кислорода.
3. Используя рисунок 2, запишите формулы веществ и рассчитайте их относительные молекулярные массы.
4. Какой форме существования химического элемента кислорода соответствует каждая из следующих записей: 3O; 5O 2 ; 4СO 2 ?
5. Почему относительная атомная масса элемента и относительная молекулярная масса вещества не имеют единиц измерения?
6. В каком из веществ, формулы которых SO 2 и SO 3 , массовая доля серы больше? Ответ подтвердите расчётами.
7. Вычислите массовые доли элементов в азотной кислоте HNO 3 .
8. Дайте полную характеристику глюкозы С 6 Н 12 0 6 , используя пример описания углекислого газа С0 2 .

§ 1 Из чего складывается масса вещества

Любое тело имеет массу. Возьмем такое тело как, например, мешок яблок. Это тело имеет массу. Его масса будет складываться из массы каждого яблока в мешке. Мешок риса тоже имеет свою массу, которая определяется путем сложения массы всех рисовых зернышек, хотя они очень маленькие и легкие.

Все тела состоят из веществ. Масса тела складывается из массы составляющих его веществ. Вещества, в свою очередь, состоят из частиц, молекул или атомов, следовательно, частицы вещества тоже имеют массу.

§ 2 Атомная единица массы

Если выразить массу самого легкого атома водорода в граммах, то получим очень сложное для дальнейшей работы число

1,66 ∙10-24г.

Масса атома кислорода примерно в шестнадцать раз больше и составляет 2,66∙10-23г, масса атома углерода 1,99∙10-23г. Масса атома обозначается - ma.

Производить расчеты с такими числами неудобно.

Для измерения атомных (и молекулярных) масс применяют атомную единицу массы (а.е.м.).

Атомная единица массы - это 1/12 массы атома углерода.

В таком случае, масса атома водорода будет равна 1 а.е.м., масса атома кислорода - 16 а.е.м., а масса атома углерода - 12 а.е.м.

Химики долгое время не имели ни малейшего представления о том, сколько весит один атом какого-либо элемента в привычных и удобных для нас единицах измерения массы (грамм, килограмм и т. д.).

Поэтому первоначально задача определения атомных масс была изменена.

Были предприняты попытки определить, во сколько раз атомы одних элементов тяжелее других. Таким образом, учёные стремились сопоставить массу атома одного элемента с массой атома другого элемента.

Решение этой задачи также было сопряжено с большими трудностями, и прежде всего с выбором эталона, т. е. того химического элемента, относительно которого следовало проводить сравнение атомных масс остальных элементов.

§ 3 Относительная атомная масса

Учёные XIX столетия решили эту проблему на основании экспериментальных данных по определению состава веществ. В качестве эталона был взят самый лёгкий атом - атом водорода. Экспериментально, было установлено, что атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода, т. е. его относительная масса (относительно массы атома водорода) равна 16.

Эту величину условились обозначать буквами Ar (индекс «r» - от начальной буквы английского слова «relative» -относительный). Таким образом, запись значения относительных атомных масс химических элементов должна выглядеть следующим образом: относительная атомная масса водорода равна 1, относительная атомная масса кислорода равна 16, относительная атомная масса углерода равна 12.

Относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса атома одного химического элемента больше массы атома, являющегося эталоном, поэтому данная величина не имеет размерности.

Как уже говорилось, первоначально значения атомных масс определяли по отношению к массе атома водорода. Позже эталоном для определения атомных масс стала 1/12 часть массы атома углерода (атом углерода в 12 раз тяжелее атома водорода).

Относительная атомная масса элемента (Ar) - это отношение массы атома химического элемента к 1/12 массы атома углерода.

Значения атомных масс химических элементов приведены в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Взгляните на периодическую таблицу и рассмотрите любую ее клетку, например, под номером 8.

Под химическим знаком и названием в нижней строке указывается значение атомной массы химического элемента: относительная атомная масса кислорода равна 15,9994. Обратите внимание: относительные атомные массы почти всех химических элементов имеют дробное значение. Причиной этого является существование изотопов. Напомню, что изотопами называют атомы одного и того же химического элемента, незначительно отличающиеся по массе.

В школе в расчётах обычно используют значения относительных атомных масс, округленные до целых чисел. Но в нескольких случаях пользуются дробными величинами, например: относительная атомная масса хлора равна 35,5.

§ 4 Относительная молекулярная масса

Из масс атомов складывается масса молекулы.

Относительной молекулярной массой вещества называется число, показывающее, во сколько раз масса молекулы этого вещества больше 1/12 массы атома углерода.

Относительная молекулярная масса обозначается - Mr

Относительную молекулярную массу веществ рассчитывают по химическим формулам, выражающим состав веществ. Для нахождения относительной молекулярной массы надо суммировать значения относительных атомных масс элементов, входящих в состав молекулы вещества, с учётом количественного состава, т. е. числа атомов каждого элемента (в химических формулах оно выражается с помощью индексов). Например, относительная молекулярная масса воды, имеющей формулу H2O, равна сумме двух значений относительной

атомной массы водорода и одного значения относительной атомной массы кислорода:

Относительная молекулярная масса серной кислоты, имеющей формулу H2SO4, равна сумме

двух значений относительной атомной массы водорода, одного значения относительной атомной массы серы и четырех значений относительной атомной массы кислорода: .

Относительная молекулярная масса - величина безразмерная. Ее не следует путать с истинной массой молекул, выражаемой в атомных единицах массы.

Список использованной литературы:

1. Н.Е. Кузнецова. Химия. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. – М. Вентана-Граф, 2012.

Использованные изображения:

Атомные и молекулярные массы

ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВ

Химия – наука о веществах и их превращениях

Вещество – вид материи, состоящий из дискретных частиц, обладающих массой покоя (атомы, молекулы, ионы). Способ существования материи – движение .

Фундаментальный закон природы – закон неуничтожимости материи и движения имеет следствием закон сохранения массы , открытый М.В. Ломоносовым в 1748 году и опубликованный в 1760 году: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Атомно-молекулярное учение

М.В. Ломоносов является также создателем атомно-молекулярного учения, которое он сформулировал в 1741 году.

Основные положения атомно-молекулярного учения:

1) Все вещества состоят из молекул, между которыми имеются промежутки. Молекула – мельчайшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

2) Молекулы состоят из атомов, которые соединяются друг с другом в определенных соотношениях.

Атом – наименьшая частица химического элемента в составе простых и сложных веществ, химически неделимая.

3) Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении.

4) Атомы характеризуются определенной массой и размерами.

5) Разным элементам соответствуют разные атомы (элемент – вид атомов).

6) Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных – из разных.

Закон постоянства состава

Открытие закона сохранения массы ознаменовало переход химии к количественным методам исследования. Был изучен состав многих веществ и установлен закон постоянства состава в 1799-1807 гг. Ж. Прустом : всякое чистое вещество, независимо от способов его получения и нахождения в природе, имеет постоянный качественный и количественный состав.

Закон простых кратных отношений

Из закона постоянства состава следует, что при образовании сложного вещества элементы соединяются друг с другом в определенных весовых соотношениях. Многие элементы могут соединяться друг с другом в нескольких различных весовых соотношениях и при этом образуются разные вещества (СО, СО 2). В молекулах СО и СО 2 , N 2 O, NO и NO 2 состав меняется скачками, а не постепенно, что свидетельствует о дискретном строении вещества. Этот закон, подтвержденный на опыте, был первым доказательством реальности существования атомов.

Атомные и молекулярные массы

Атомы и молекулы имеют абсолютные массы порядка 10 –24 –10 –21 г, неудобные для сравнения, поэтому химики пользуются относительными значениями масс атомов. Представление об относительной атомной массе было введено Дж. Дальтоном в 1803 г. За единицу массы он принял массу самого легкого атома – водорода. В настоящее время в качестве эталона принята масса 1/12 массы атома углерода изотопа 12 С, равная 1,66043×10 –24 г.

Относительная атомная (А r) масса показывает во сколько раз данный атом тяжелее 1/12 массы атома изотопа углерода 12 С.

Используя величину удельной теплоемкости , которая легко определяется экспериментально (отношение количества теплоты полученного или отданного 1 г вещества к соответствующему изменению температуры ) можно найти приближенное значение атомной массы. Исключения составляют легкие элементы, особенно неметаллы, имеющие теплоемкость значительно меньше (бериллий, бор, кремний, алмаз).

В настоящее время атомные массы элементов определяют методом масс-спектроскопии. Массы атомов определяют по отклонению траектории их ионов, двигающихся в магнитном поле, поскольку величина отклонение зависит от отношения массы иона к его заряду.

Относительная молекулярная масса (M r)показывает во сколько раз данная молекула тяжелее 1/12 массы атома 12 С.

,

(1.4)

где m м – масса молекулы.