Молярная масса

Масса на количество вещества

В химии молярная масса ( М ) химического соединения определяется как соотношение между массой и количеством вещества (измеряется в молях ) любого образца указанного соединения. ^[1] Молярная масса — это объемное, а не молекулярное свойство вещества. Молярная масса представляет собой среднее значение многих экземпляров соединения, масса которых часто различается из-за присутствия изотопов . Чаще всего молярная масса вычисляется на основе стандартных атомных весов и, таким образом, является средним земным значением и функцией относительного содержания изотопов составляющих атомов на Земле. Молярная масса подходит для преобразования массы вещества в количество вещества в объемных количествах.

Молекулярная масса и формульная масса обычно используются как синонимы молярной массы, особенно для молекулярных соединений; однако наиболее авторитетные источники определяют его иначе. Разница в том, что молекулярная масса — это масса одной конкретной частицы или молекулы, а молярная масса — это среднее значение по многим частицам или молекулам.

Формула веса является синонимом молярной массы, которая часто используется для немолекулярных соединений, таких как ионные соли .

Молярная масса — интенсивное свойство вещества, не зависящее от размера образца. В Международной системе единиц (СИ) когерентной единицей молярной массы является кг / моль . Однако по историческим причинам молярные массы почти всегда выражаются в г /моль.

Моль определялся таким образом, что молярная масса соединения в г/моль численно равна средней массе одной молекулы в дальтонах . До переопределения родинки в 2019 году он был точно равен , а сейчас равен лишь приблизительно, но для всех практических целей разница незначительна. Так, например, средняя масса молекулы воды составляет около 18,0153 дальтон, а молярная масса воды — около 18,0153 г/моль.

Для химических элементов без изолированных молекул, таких как углерод и металлы, молярная масса вычисляется путем деления на количество молей атомов. Так, например, молярная масса железа составляет около 55,845 г/моль.

С 1971 года SI определил «количество вещества» как отдельный параметр измерения . До 2019 года моль определялся как количество вещества, составляющее столько частиц, сколько атомов содержится в 12 граммах углерода -12 . Таким образом, в этот период молярная масса углерода-12 по определению составляла ровно 12 г/моль. С 2019 года моль любого вещества был переопределен в СИ как количество этого вещества, содержащее точно определенное количество частиц,6,022 140 76 × 10 ²³ . Таким образом, молярная масса соединения в г/моль равна массе данного числа молекул соединения в граммах.

Молярные массы элементов

Молярная масса атомов элемента определяется как относительная атомная масса элемента, умноженная на константу молярной массы , M _u  ≈ 1 × 10 ^-3  кг⋅моль ^-1 . ^[2] Для обычных образцов Земли с типичным изотопным составом атомный вес может быть аппроксимирован стандартным атомным весом ^[3] или обычным атомным весом.

${\displaystyle {\begin{array}{lll}M({\ce {H}})&=1.00797(7)\times M_{\mathrm {u} }&=1.00797(7){\text{ g/mol}}\\M({\ce {S}})&=32.065(5)\times M_{\mathrm {u} }&=32.065(5){\text{ g/mol}}\\M({\ce {Cl}})&=35.453(2)\times M_{\mathrm {u} }&=35.453(2){\text{ g/mol}}\\M({\ce {Fe}})&=55.845(2)\times M_{\mathrm {u} }&=55.845(2){\text{ g/mol}}\end{array}}}$

Умножение на константу молярной массы гарантирует правильность расчета : стандартные относительные атомные массы представляют собой безразмерные величины (т.е. чистые числа), тогда как молярные массы имеют единицы измерения (в данном случае граммы на моль).

Некоторые элементы обычно встречаются в виде молекул , например водород ( H ₂ ), сера ( S ₈ ), хлор ( Cl ₂ ). Молярная масса молекул этих элементов равна молярной массе атомов, умноженной на количество атомов в каждой молекуле:

${\displaystyle {\begin{array}{lll}M({\ce {H2}})&=2\times 1.00797(7)\times M_{\mathrm {u} }&=2.01588(14){\text{ g/mol}}\\M({\ce {S8}})&=8\times 32.065(5)\times M_{\mathrm {u} }&=256.52(4){\text{ g/mol}}\\M({\ce {Cl2}})&=2\times 35.453(2)\times M_{\mathrm {u} }&=70.906(4){\text{ g/mol}}\end{array}}}$

Молярные массы соединений

Молярная масса соединения определяется как сумма относительных атомных масс A r атомов , _{образующих} соединение , умноженная на константу молярной массы : ${\displaystyle M_{u}\approx 1{\text{ g/mol}}}$

${\displaystyle M=M_{\rm {u}}M_{\rm {r}}=M_{\rm {u}}\sum _{i}{A_{\rm {r}}}_{i}.}$

Здесь M _r — относительная молярная масса, также называемая формульной массой. Для обычных образцов Земли с типичным изотопным составом стандартный атомный вес или условный атомный вес можно использовать как приближение относительной атомной массы образца. Примеры:

$${\displaystyle {\begin{array}{ll}M({\ce {NaCl}})&={\bigl [}22.98976928(2)+35.453(2){\bigr ]}\times 1{\text{ g/mol}}\\&=58.443(2){\text{ g/mol}}\\[4pt]M({\ce {C12H22O11}})&={\bigl [}12\times 12.0107(8)+22\times 1.00794(7)+11\times 15.9994(3){\bigr ]}\times 1{\text{ g/mol}}\\&=342.297(14){\text{ g/mol}}\end{array}}}$$

Средняя молярная масса может быть определена для смесей соединений. ^[1] Это особенно важно в науке о полимерах , где обычно существует неоднородное распределение молярной массы полимеров, так что разные молекулы полимера содержат разное количество мономерных звеньев. ^{[4] [5]}

Средняя молярная масса смесей

Среднюю молярную массу смесей можно рассчитать по мольным долям компонентов x _i и их молярным массам M _i : ${\displaystyle {\overline {M}}}$

${\displaystyle {\overline {M}}=\sum _{i}x_{i}M_{i}.}$

Его также можно рассчитать по массовым долям w _i компонентов:

${\displaystyle {\frac {1}{\overline {M}}}=\sum _{i}{\frac {w_{i}}{M_{i}}}.}$

Например, средняя молярная масса сухого воздуха составляет 28,97 г/моль. ^[6]

Сопутствующие количества

Молярная масса тесно связана с относительной молярной массой ( M _r ) соединения, с формульным весом старого термина (FW) и со стандартными атомными массами составляющих его элементов. Однако ее следует отличать от молекулярной массы (которую сбивчиво иногда называют молекулярной массой), которая представляет собой массу одной молекулы (любого одного изотопного состава) и не связана напрямую с атомной массой , массой одного атом (любого отдельного изотопа). Дальтон , символ Да, также иногда используется как единица молярной массы, особенно в биохимии , с определением 1 Да = 1 г /моль, несмотря на то, что это строго единица массы (1 Да = 1 u =1,660 539 066 60 (50) × 10–27  кг , согласно рекомендуемым значениям CODATA 2018 г.) ^.

Атомная масса в граммах — это еще один термин, обозначающий массу в граммах одного моля атомов этого элемента. «Грам-атом» — прежний термин, обозначающий родинку.

Молекулярная масса (MW) — это старый термин, обозначающий то, что сейчас правильнее называть относительной молярной массой ( M _r ). ^[7] Это безразмерная величина (т.е. чистое число, без единиц), равная молярной массе, деленной на константу молярной массы . ^[8]

Молекулярная масса

Молекулярная масса ( m ) — это масса данной молекулы: обычно ее измеряют в дальтонах (Да или у). ^[9] Разные молекулы одного и того же соединения могут иметь разную молекулярную массу, поскольку они содержат разные изотопы одного и того же элемента. Это отдельный показатель, но он связан с молярной массой, которая является мерой средней молекулярной массы всех молекул в образце и обычно является более подходящей мерой при работе с макроскопическими (взвешиваемыми) количествами вещества.

Молекулярные массы рассчитываются на основе атомных масс каждого нуклида , а молярные массы рассчитываются на основе стандартных атомных весов ^[10] каждого элемента . Стандартный атомный вес учитывает изотопное распределение элемента в данном образце (обычно считается «нормальным»). Например, вода имеет молярную массу18,0153(3) г/моль , но отдельные молекулы воды имеют молекулярную массу от18,010 564 6863 (15) Да ( ¹ H ₂ ¹⁶ O ) и22,0277364 ( 9 ) Да ( ² H ₂ ¹⁸ O ).

Различие между молярной массой и молекулярной массой важно, поскольку относительные молекулярные массы могут быть измерены непосредственно с помощью масс-спектрометрии , часто с точностью до нескольких частей на миллион . Это достаточно точно, чтобы напрямую определить химическую формулу молекулы. ^[11]

Использование синтеза ДНК

Термин «формульная масса» имеет особое значение при использовании в контексте синтеза ДНК: тогда как отдельное фосфорамидитное нуклеиновое основание, добавляемое к полимеру ДНК, имеет защитные группы и его молекулярная масса указана с учетом этих групп, количество молекулярной массы, которое в конечном итоге добавление этого нуклеинового основания к полимеру ДНК называется формульной массой нуклеинового основания (т.е. молекулярной массой этого нуклеинового основания в полимере ДНК за вычетом защитных групп). ^{[ нужна цитата ]}

Точность и неопределенности

Точность, с которой известна молярная масса, зависит от точности атомных масс , из которых она была рассчитана, и значения константы молярной массы . Большинство атомных масс известны с точностью по крайней мере до одной десятитысячной, а зачастую и с гораздо большей точностью ^[3] (атомная масса лития является заметным и серьезным исключением ^[12] ). Этого достаточно почти для всех обычных применений в химии: он более точен, чем большинство химических анализов , и превосходит по чистоте большинство лабораторных реагентов.

Точность атомных масс и, следовательно, молярных масс ограничена знанием изотопного распределения элемента. Если требуется более точное значение молярной массы, необходимо определить изотопное распределение рассматриваемого образца, которое может отличаться от стандартного распределения, используемого для расчета стандартной атомной массы. Изотопное распределение различных элементов в образце не обязательно независимо друг от друга: например, перегнанный образец будет обогащен более легкими изотопами всех присутствующих элементов. Это усложняет расчет стандартной неопределенности молярной массы.

Полезным соглашением для обычной лабораторной работы является указание молярной массы с точностью до двух десятичных знаков для всех расчетов. Это более точно, чем обычно требуется, но позволяет избежать ошибок округления во время вычислений. Когда молярная масса превышает 1000 г/моль, редко бывает целесообразно использовать более одного десятичного знака. Этим соглашениям следуют большинство табличных значений молярных масс. ^{[13] [14]}

Измерение

Молярные массы почти никогда не измеряются напрямую. Их можно рассчитать на основе стандартных атомных масс, и они часто указаны в химических каталогах и паспортах безопасности (SDS). Молярная масса обычно варьируется между:

1–238 г/моль для атомов природных элементов;

10–1000 г/моль для простых химических соединений ;

1000–5 000 000  г/моль для полимеров , белков , фрагментов ДНК и т. д.

Хотя на практике молярные массы почти всегда рассчитываются по атомным весам, в некоторых случаях их также можно измерить. Такие измерения гораздо менее точны, чем современные масс-спектрометрические измерения атомных весов и молекулярных масс, и представляют в основном исторический интерес. Все процедуры основаны на коллигативных свойствах , и необходимо учитывать любую диссоциацию соединения.

Плотность пара

Измерение молярной массы по плотности пара основано на принципе, впервые сформулированном Амедео Авогадро , согласно которому равные объемы газов в одинаковых условиях содержат одинаковое количество частиц. Этот принцип включен в уравнение идеального газа :

${\displaystyle pV=nRT,}$

где n — количество вещества . Плотность пара ( ρ ) определяется выражением

${\displaystyle \rho ={{nM} \over {V}}.}$

Объединение этих двух уравнений дает выражение для молярной массы через плотность пара для условий известных давления и температуры :

${\displaystyle M={{RT\rho } \over {p}}.}$

Депрессия точки замерзания

Температура замерзания раствора ниже, чем у чистого растворителя , а депрессия точки замерзания ( Δ T ) прямо пропорциональна количественной концентрации разбавленных растворов. Когда состав выражается в моляльности , константа пропорциональности известна как криоскопическая константа ( K _f ) и характерна для каждого растворителя. Если w представляет собой массовую долю растворенного вещества в растворе и при условии отсутствия диссоциации растворенного вещества, молярная масса определяется выражением

${\displaystyle M={{wK_{\text{f}}} \over {\Delta T}}.\ }$

Повышение температуры кипения

Температура кипения раствора нелетучего растворенного вещества выше, чем у чистого растворителя , а повышение температуры кипения ( Δ T ) прямо пропорционально количественной концентрации разбавленных растворов. Когда состав выражается в моляльности , константа пропорциональности известна как эбуллиоскопическая константа ( K _b ) и характерна для каждого растворителя. Если w представляет собой массовую долю растворенного вещества в растворе и при условии отсутствия диссоциации растворенного вещества, молярная масса определяется выражением

${\displaystyle M={{wK_{\text{b}}} \over {\Delta T}}.\ }$

Смотрите также

• Карта родинок (химия)

Рекомендации

1. Международный союз теоретической и прикладной химии (1993). Количества, единицы и символы в физической химии , 2-е издание, Оксфорд: Blackwell Science. ISBN  0-632-03583-8 . п. 41. Электронная версия.
2. «Значение CODATA 2018: константа молярной массы» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . 20 мая 2019 года . Проверено 20 мая 2019 г.
3. Wieser, ME (2006), «Атомные веса элементов 2005» (PDF) , Pure and Applied Chemistry , 78 (11): 2051–66, doi : 10.1351/pac200678112051
4. «Международный союз чистой и прикладной химии, комиссия по макромолекулярной номенклатуре, примечание о терминологии молярных масс в науке о полимерах». Журнал науки о полимерах: издание Polymer Letters . 22 (1): 57. 1984. Бибкод : 1984JPoSL..22...57.. doi :10.1002/pol.1984.130220116.
5. Метаномски, Западная Вирджиния (1991). Сборник макромолекулярной номенклатуры . Оксфорд: Блэквелл Сайенс . стр. 47–73. ISBN 0-632-02847-5.
6. Инженерный набор инструментов Молекулярная масса воздуха
7. ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) «относительная молярная масса». дои :10.1351/goldbook.R05270
8. Техническое определение заключается в том, что относительная молярная масса - это молярная масса, измеренная по шкале, где молярная масса несвязанных атомов углерода 12 , в состоянии покоя и в основном электронном состоянии, равна 12. Более простое определение, данное здесь, эквивалентно полному Определение из-за того, как определяется сама константа молярной массы .
9. Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), стр. 126, ISBN 92-822-2213-6, заархивировано (PDF) из оригинала 04 июня 2021 г. , получено 16 декабря 2021 г.
10. «Атомный вес и изотопный состав всех элементов». НИСТ . Проверено 14 октября 2007 г.
11. «Правила автора – Макет статьи» . Издательство РСК . Проверено 14 октября 2007 г.
12. Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 21. ISBN 978-0-08-037941-8.
13. См., например, West, RC, изд. (1972). Справочник по химии и физике (53-е изд.). Кливленд, Огайо: Chemical Rubber Co.
14. Поссоло, Антонио; ван дер Вин, Адриан М.Х.; Мейя, Юрис; Хибберт, Д. Бринн (4 января 2018 г.). «Интерпретация и распространение неопределенности стандартных атомных весов (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 90 (2): 395–424. дои : 10.1515/pac-2016-0402 . S2CID  145931362.

Внешние ссылки

• Калькулятор молярной массы HTML5. Архивировано 25 апреля 2017 г. в веб-сайте и мобильном приложении Wayback Machine .
• Онлайн-калькулятор молярной массы с неопределенностью M и всеми показанными расчетами
• Калькулятор молярной массы Онлайн калькулятор молярной массы и элементного состава
• Надстройка стехиометрии для Microsoft Excel. Архивировано 11 мая 2011 г. на Wayback Machine для расчета молекулярных масс, коэффициентов реакции и стехиометрии. Он включает как средние атомные массы, так и изотопные массы.
• Молярная масса: курс химии второго уровня.