Молярная масса

В химии молярная масса ( $M$ ) (иногда называемая молекулярной массой или формульной массой , но см. связанные величины для использования) химического соединения определяется как отношение между массой и количеством вещества (измеренным в молях ) любого образца соединения. ^[1] Молярная масса является объемным, а не молекулярным свойством вещества. Молярная масса является средним значением многих экземпляров соединения, которые часто различаются по массе из-за присутствия изотопов . Чаще всего молярная масса вычисляется из стандартных атомных весов и, таким образом, является земным средним значением и функцией относительного содержания изотопов составляющих атомов на Земле. Молярная масса подходит для преобразования между массой вещества и количеством вещества для объемных количеств.

Молекулярная масса (для молекулярных соединений) и формульная масса (для немолекулярных соединений, таких как ионные соли ) обычно используются как синонимы молярной массы, отличаясь только единицами ( дальтоны против г/моль); однако, наиболее авторитетные источники определяют ее по-разному. Разница в том, что молекулярная масса — это масса одной конкретной частицы или молекулы, в то время как молярная масса — это среднее значение по многим частицам или молекулам.

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 был определен таким образом, что молярная масса соединения в г/моль численно равна средней массе одной молекулы или формульной единицы в дальтонах. Она была точно равна до переопределения моля в 2019 году , а теперь равна лишь приблизительно, но разница незначительна для всех практических целей. Так, например, средняя масса молекулы воды составляет около 18,0153 дальтонов, а молярная масса воды составляет около 18,0153 г/моль.

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

С 1971 года СИ определила «количество вещества» как отдельную единицу измерения . До 2019 года моль определялся как количество вещества, которое имеет столько же составляющих 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, содержащего точно определенное число частиц,6,022 140 76 × 10 ^23. Таким образом, молярная масса соединения в г/моль равна массе этого числа молекул соединения в граммах.

Молярные массы элементов

Молярная масса атомов элемента определяется как относительная атомная масса элемента, умноженная на молярную массу , M _u ≈ 1.000 000 × 10−3 кг ^/ моль = 1 г/моль. Для обычных образцов из Земли с типичным изотопным составом атомный вес может быть приближенно определен стандартным атомным весом ^[2] или обычным атомным весом.

{\begin{array}{lll}M({\ce {H}})&=1,00797(7)\times M_{\mathrm {u} }&=1,00797(7){\text{ г/моль}}\\M({\ce {S}})&=32,065(5)\times M_{\mathrm {u} }&=32,065(5){\text{ г/моль}}\\M({\ce {Cl}})&=35,453(2)\times M_{\mathrm {u} }&=35,453(2){\text{ г/моль}}\\M({\ce {Fe}})&=55,845(2)\times M_{\mathrm {u} }&=55,845(2){\text{ г/моль}}\end{array}}

Умножение на постоянную молярной массы гарантирует, что расчет будет размерно правильным: стандартные относительные атомные массы являются безразмерными величинами (т.е. чистыми числами), тогда как молярные массы имеют единицы измерения (в данном случае граммы на моль).

_{Некоторые} элементы обычно встречаются в виде молекул , например, водород ( H2 ), _сера ( S8 ) , хлор ( Cl2 ). Молярная масса молекул этих элементов равна молярной массе атомов, умноженной на число атомов в каждой молекуле _:

{\begin{array}{lll}M({\ce {H2}})&=2\times 1.00797(7)\times M_{\mathrm {u} }&=2.01595(4){\text{ г/моль}}\\M({\ce {S8}})&=8\times 32.065(5)\times M_{\mathrm {u} }&=256.52(4){\text{ г/моль}}\\M({\ce {Cl2}})&=2\times 35.453(2)\times M_{\mathrm {u} }&=70.906(4){\text{ г/моль}}\end{array}}

Молярные массы соединений

Молярная масса соединения определяется как сумма относительной атомной массы $Ar$ атомов $,$ образующих соединение, умноженная на константу молярной массы : $M_{u}\approx 1{\text{ г/моль}}$

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

Здесь $M r$ — относительная молярная масса, также называемая формульным весом. Для обычных образцов из Земли с типичным изотопным составом стандартный атомный вес или условный атомный вес можно использовать в качестве приближения относительной атомной массы образца. Вот примеры: ${\begin{array}{ll}M({\ce {NaCl}})&={\bigl [}22.98976928(2)+35.453(2){\bigr ]}\times 1{\text{ g/mol}}\\&=58.443(2){\text{ g/mol}}\\[4pt]M({\ce {C12H22O11}})&={\bigl [}12\times 12.0107(8)+22\times 1.00794(7)+11\times 15.9994(3){\bigr ]}\times 1{\text{ g/mol}}\\&=342.297(14){\text{ g/mol}}\end{array}}$

Среднюю молярную массу можно определить для смесей соединений. ^[1] Это особенно важно в полимерной науке , где обычно существует распределение молярной массы неоднородных полимеров, так что различные полимерные молекулы содержат разное количество мономерных единиц. ^[3]^[4]

Средняя молярная масса смесей

Среднюю молярную массу смесей можно рассчитать из мольных долей $x$ $i$ компонентов и их молярных масс $M$ $i$ : ${\overline {M}}$

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

Его также можно рассчитать из массовых долей $w i$ компонентов:

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

Например, средняя молярная масса сухого воздуха составляет 28,96 г/моль. ^[5]

Связанные величины

Молярная масса тесно связана с относительной молярной массой ( $M r$ ) соединения и стандартными атомными весами его составляющих элементов. Однако ее следует отличать от молекулярной массы (которую иногда путают также как молекулярный вес), которая является массой одной молекулы (любого отдельного изотопного состава), и от атомной массы , которая является массой одного атома (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 =1,660 539 068 92 (52) × 10 ⁻²⁷ кг , по состоянию на 2022 г. (рекомендуемые значения CODATA). ^[6]

Устаревшие термины для молярной массы включают грамм-атомную массу для массы в граммах одного моля атомов элемента и грамм-молекулярную массу для массы в граммах одного моля молекул соединения. Грамм-атом — это бывший термин для моля атомов, а грамм-молекула для моля молекул. ^[7]

Молекулярная масса (ММ) (для молекулярных соединений) и формульная масса (ФМ) (для немолекулярных соединений) являются старыми терминами для того, что сейчас правильнее называть относительной молярной массой ( $M r$ ). ^[8] Это безразмерная величина (т. е. чистое число без единиц), равная молярной массе, деленной на молярную массовую константу . ^{[примечания 1]}

Молекулярная масса

Молекулярная масса ( $m$ ) — это масса данной молекулы: она обычно измеряется в дальтонах (Да или u). ^[7] Различные молекулы одного и того же соединения могут иметь разные молекулярные массы, поскольку они содержат разные изотопы элемента. Это отличается, но связано 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 из атомных масс каждого нуклида , в то время как молярные массы рассчитываются из стандартных атомных масс ^[9] каждого элемента . Стандартный атомный вес учитывает изотопное распределение элемента в данном образце (обычно предполагается, что оно «нормальное»). Например, вода имеет молярную массу18,0153(3) г/моль , но отдельные молекулы воды имеют молекулярные массы, которые находятся в диапазоне18,010 564 6863 (15) Да ( ¹ H ₂¹⁶ O ) и22,0277364 (9) Да ( 2 ^H 2 ₁₈^O ) .

Различие между молярной массой и молекулярной массой важно, поскольку относительные молекулярные массы можно измерить непосредственно с помощью масс-спектрометрии , часто с точностью до нескольких частей на миллион . Этого достаточно для непосредственного определения химической формулы молекулы. ^[10]

использование синтеза ДНК

Термин «формульный вес» имеет особое значение при использовании в контексте синтеза ДНК: в то время как отдельное фосфорамидитное нуклеиновое основание, добавляемое к полимеру ДНК, имеет защитные группы и его молекулярный вес указывается с учетом этих групп, величина молекулярного веса, которая в конечном итоге добавляется этим нуклеиновым основанием к полимеру ДНК, называется формульным весом нуклеинового основания (т. е. молекулярным весом этого нуклеинового основания в полимере ДНК за вычетом защитных групп). ^{[ необходима цитата ]}

Точность и неопределенности

Точность, с которой известна молярная масса, зависит от точности атомных масс , из которых она была рассчитана (и очень немного от значения константы молярной массы , которая зависит от измеренного значения дальтона ) . Большинство атомных масс известны с точностью не менее одной десятитысячной части, часто гораздо лучше ^[2] (атомная масса лития является заметным и серьезным ^[11] исключением). Этого достаточно для почти всех обычных применений в химии: это точнее, чем большинство химических анализов , и превосходит чистоту большинства лабораторных реагентов.

Точность атомных масс, а следовательно, и 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. Изотопные распределения различных элементов в образце не обязательно независимы друг от друга: например, образец, который был перегнан, будет обогащен более легкими изотопами всех присутствующих элементов. Это усложняет расчет стандартной неопределенности молярной массы.

Полезным соглашением для обычной лабораторной работы является указание молярных масс с точностью до двух знаков после запятой для всех расчетов. Это точнее, чем обычно требуется, но позволяет избежать ошибок округления во время расчетов. Когда молярная масса больше 1000 г/моль, редко бывает целесообразно использовать более одного знака после запятой. Эти соглашения соблюдаются в большинстве табличных значений молярных масс. ^[12]^[13]

Измерение

Молярные массы почти никогда не измеряются напрямую. Они могут быть рассчитаны из стандартных атомных масс и часто указаны в химических каталогах и паспортах безопасности (SDS). Молярные массы обычно варьируются 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 молярные массы почти всегда на практике рассчитываются из атомных весов, 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 любая диссоциация соединения должна быть принята во внимание.

Плотность пара

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

pV=nRT,

где $n$ - количество вещества . Плотность пара ( $ρ$ ) определяется по формуле

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

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

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

Понижение точки замерзания

Температура замерзания раствора ниже , чем у чистого растворителя , а понижение температуры замерзания ( $Δ T$ ) прямо пропорционально концентрации количества для разбавленных растворов. Когда состав выражается как моляльность , константа пропорциональности известна как криоскопическая константа ( $K f$ ) и является характерной для каждого растворителя. Если $w$ представляет массовую долю растворенного вещества в растворе, и предполагая отсутствие диссоциации растворенного вещества, молярная масса определяется как

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

Повышение точки кипения

Температура кипения раствора нелетучего растворенного вещества выше , чем у чистого растворителя , а повышение температуры кипения ( $Δ$ $T$ ) прямо пропорционально концентрации количества для разбавленных растворов. Когда состав выражается как моляльность , константа пропорциональности известна как эбуллиоскопическая константа ( $K$ $b$ ) и является характерной для каждого растворителя. Если $w$ представляет массовую долю растворенного вещества в растворе, и предполагая отсутствие диссоциации растворенного вещества, молярная масса определяется как

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

Смотрите также

Карта родинок (химия)

Ссылки

^ ab Международный союз теоретической и прикладной химии (1993). Величины, единицы и символы в физической химии , 2-е издание, Оксфорд: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . стр. 41. Электронная версия.
^ ab Wieser, ME (2006), «Атомные веса элементов 2005» (PDF) , Чистая и прикладная химия , 78 (11): 2051–66, doi : 10.1351/pac200678112051
^ "Международный союз чистой и прикладной химии, комиссия по макромолекулярной номенклатуре, заметка о терминологии молярных масс в науке о полимерах". Журнал полимерной науки: Polymer Letters Edition . 22 (1): 57. 1984. Bibcode :1984JPoSL..22...57.. doi :10.1002/pol.1984.130220116.
^ Метаномски, У. В. (1991). Компендиум макромолекулярной номенклатуры . Оксфорд: Blackwell Science . стр. 47–73. ISBN 0-632-02847-5.
^ Инженерный инструментарий Молекулярная масса воздуха
^ "Значение CODATA: атомная массовая константа". physics.nist.gov . Получено 2024-06-21 .
^ ab 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 2021-06-04 , извлечено 2021-12-16
^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «относительная молярная масса». doi :10.1351/goldbook.R05270
^ "Атомные веса и изотопные составы всех элементов". NIST . Получено 14 октября 2007 г.
^ "Руководство для авторов – Макет статьи". RSC Publishing . Получено 2007-10-14 .
^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 21. ISBN 978-0-08-037941-8.
^ См., например, Weast, RC, ред. (1972). Справочник по химии и физике (53-е изд.). Кливленд, Огайо: Chemical Rubber Co.
^ Поссоло, Антонио; ван дер Вин, Адриан МХ; Мейя, Юрис; Хибберт, Д. Бринн (2018-01-04). «Интерпретация и распространение неопределенности стандартных атомных весов (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 90 (2): 395–424. doi : 10.1515/pac-2016-0402 . S2CID 145931362.

Примечания

^ Техническое определение заключается в том, что относительная молярная масса — это молярная масса, измеренная по шкале, в которой молярная масса несвязанных атомов углерода-12 в состоянии покоя и в их основном электронном состоянии равна 12. Более простое определение, приведенное здесь, эквивалентно полному определению из-за способа определения самой константы молярной массы .

Внешние ссылки

Калькулятор молярной массы HTML5 Архивировано 25.04.2017 в веб- приложении Wayback Machine и мобильном приложении.
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 2011-05-11 на Wayback Machine для расчета молекулярных масс, коэффициентов реакции и стехиометрии. Включает как средние атомные массы, так и изотопные массы.
Молярная масса: курс химии второго уровня.