כל אדם יודע שהגופים סביבנו מורכבים מאטומים ומולקולות. יש להם צורות ומבנים שונים. כאשר פותרים בעיות בכימיה ובפיזיקה, לעתים קרובות יש צורך למצוא את המסה של מולקולה. שקול במאמר זה מספר שיטות תיאורטיות לפתרון בעיה זו.
מידע כללי
לפני ששוקלים כיצד למצוא את המסה של מולקולה, כדאי שתכירו את המושג עצמו. הנה כמה דוגמאות.
מולקולה נקראת בדרך כלל קבוצה של אטומים המאוחדים זה עם זה על ידי סוג כזה או אחר של קשר כימי. כמו כן, הם צריכים ויכולים להיחשב כמכלול בתהליכים פיזיקליים וכימיים שונים. קשרים אלו יכולים להיות יוניים, קוולנטיים, מתכתיים או ואן דר וואלס.
למולקולת המים הידועה יש את הנוסחה הכימית H2O. אטום החמצן שבו מחובר באמצעות קשרים קוולנטיים קוטביים עם שני אטומי מימן. מבנה זה קובע רבות מהתכונות הפיזיקליות והכימיות של מים נוזליים, קרח וקיטור.
מתאן גז טבעי הוא עוד נציג בהיר של חומר מולקולרי. נוצרים חלקיקים שלואטום פחמן וארבעה אטומי מימן (CH4). בחלל, למולקולות יש צורה של טטרהדרון עם פחמן במרכז.
אוויר הוא תערובת מורכבת של גזים, המורכבת בעיקר ממולקולות חמצן O2 וחנקן N2. שני הסוגים מחוברים על ידי קשרים קוולנטיים כפולים ומשולשים חזקים לא קוטביים, מה שהופך אותם לאנרטיים מאוד מבחינה כימית.
קביעת המסה של מולקולה דרך המסה המולרית שלה
טבלה המחזורית של יסודות כימיים מכילה כמות גדולה של מידע, ביניהם יש יחידות מסה אטומית (אמו). לדוגמה, לאטום מימן יש אמו של 1, ואטום חמצן של 16. כל אחד מהמספרים הללו מציין את המסה בגרמים שתהיה למערכת המכילה מול 1 של אטומים של היסוד המתאים. נזכיר שיחידת המדידה של כמות החומר 1 מול היא מספר החלקיקים במערכת, המקביל למספר האבוגדרו NA, זה שווה ל-6.0210. 23.
כאשר בוחנים מולקולה, הם משתמשים במושג לא של אמו, אלא של משקל מולקולרי. האחרון הוא סכום פשוט של א.מ.ו. עבור האטומים המרכיבים את המולקולה. לדוגמה, המסה הטוחנית עבור H2O תהיה 18 גרם/מול, ועבור O2 32 גרם/מול. אם יש לך מושג כללי, תוכל להמשיך לחישובים.
המסה הטוחנית M קלה לשימוש כדי לחשב את המסה של מולקולה m1. כדי לעשות זאת, השתמש בנוסחה פשוטה:
m1=M/NA.
בכמה משימותניתן לתת את מסת המערכת m ואת כמות החומר בה n. במקרה זה, המסה של מולקולה אחת מחושבת באופן הבא:
m1=m/(nNA).
גז אידיאלי
מושג זה נקרא גז כזה, שהמולקולות שלו נעות באופן אקראי בכיוונים שונים במהירויות גבוהות, אינן מקיימות אינטראקציה זו עם זו. המרחקים ביניהם עולים בהרבה על הגדלים שלהם. עבור מודל כזה, הביטוי הבא נכון:
PV=nRT.
זה נקרא חוק מנדלייב-קלפיירון. כפי שניתן לראות, המשוואה מתייחסת ללחץ P, לנפח V, לטמפרטורה המוחלטת T ולכמות החומר n. בנוסחה, R הוא קבוע הגז, שווה מספרית ל-8.314 החוק הכתוב נקרא אוניברסלי מכיוון שהוא אינו תלוי בהרכב הכימי של המערכת.
אם ידועים שלושה פרמטרים תרמודינמיים - T, P, V והערך m של המערכת, אז המסה של מולקולת גז אידיאלית m1לא קשה לקבוע לפי הנוסחה הבאה:
m1=mRT/(NAPV).
ניתן לכתוב את הביטוי הזה גם במונחים של צפיפות הגז ρ וקבוע בולצמן kB:
m1=ρkBT/P.
בעיה לדוגמה
ידוע שהצפיפות של גז מסויים היא 1.225 ק"ג/מ"ר3בלחץ אטמוספרי 101325 Pa וטמפרטורה 15 oC. מהי המסה של מולקולה? על איזה גז אתה מדבר?
כי נותנים לנו לחץ, צפיפות וטמפרטורהמערכת, אז אתה יכול להשתמש בנוסחה שהתקבלה בפסקה הקודמת כדי לקבוע את המסה של מולקולה אחת. יש לנו:
m1=ρkBT/P;
m1 =1, 2251, 3810-23288, 15/101325=4, 807 10-26 kg.
כדי לענות על השאלה השנייה של הבעיה, בוא נמצא את המסה המולרית M של הגז:
M=m1NA;
M=4.80710-266.021023=0.029 ק ג/מול.
הערך המתקבל של המסה המולרית מתאים לאוויר הגז.
