Какое число атомов содержится в одной молекуле метана
Все вещества состоят из атомов. Атом – это мельчайшая, химически неделимая частица вещества. Все типы химических элементов объединены в Периодической системе химических элементов. Атомы одного типа называются химическими элементами. Количество атомов может меняться. Количество атомов одного типа обозначается коэффициентом.
Например, запись 6K означает 6 атомов калия. Запись 7P – это 7 атомов фосфора.
Атомы образуют молекулы. Здесь полезно упомянуть закон постоянства состава: любое определенное химически чистое соединение, состоит из одних и тех же химических элементов, причём отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами. Закон постоянства состава не выполняется для бертоллидов (соединений переменного состава). Однако условно состав многих бертоллидов записывают, как постоянный.
Например, молекула серной кислоты выглядит так: H2SO4. Она состоит из двух атомов водорода, одного атома серы и четырех атомов кислорода.
Количество молекул также обозначается коэффициентом перед формулой молекулы.
Количество любых частиц обозначается, как N.
Например, 7 молекул воды записывается так: 7H2O.
6 молекул углекислого газа: 6CO2. При этом в 6 молекулах углекислого газа содержится 6 атомов углерода C и 12 атомов кислорода O.
Задача. Определите, сколько атомов водорода содержится в 15 молекулах фосфорной кислоты.
N(H3PO4) = 15
В каждой молекуле фосфорной кислоты содержится по 3 атома водорода. Следовательно, атомов водорода в 3 раза больше, чем молекул фосфорной кислоты:
N(H) = 45.
Ответ: в 15 молекулах фосфорной кислоты содержится 45 атомов водорода.
Задача. Определите, какое число молекул сероводорода H2S содержит 300 атомов водорода H.
В каждой молекуле сероводорода содержится по 2 атома водорода. Следовательно, число атомов водорода в 2 раза меньше, чем число молекул сероводорода:
N(H2S) = 1/2*N(H) = 1/2*300 = 150.
Ответ: 300 атомов водорода содержится в 150 молекулах сероводорода.
Задача 1. Определите количество атомов водорода в 12 молекулах аммиака NH3?
Задача 2. Определите количество атомов кислорода, если число молекул хлорангидрида серной кислоты SO2Cl2 равно 6000?
Задача 3. Определите число атомов кислорода в порции, содержащей 6 миллионов частиц медного купороса CuSO4•5H2O.
Задача 4. Определите число молекул в порции метана CH4, если известно, в этой порции содержится 3•106 атомов водорода.
Задача 5. В некоторой порции карбида алюминия Al4C3 содержится 300000 атомов алюминия. Определите число молекул.
Задача 6. Известно, что в некоторой порции серной кислоты H2SO4 всего содержится 350 атомов. Определите число молекул серной кислоты в этой порции.
Задача 7. В некоторой порции содержится смесь углекислого газа СO2 и оксида фосфора (V) P2O5 в соотношении 1:2. Известно, что число молекул углекислого газа в этой смеси равно 42. Определите число атомов кислорода в этой порции.
Задача 8. Известно, что в порции содержится 300 молекул угарного газа CO и 400 молекул сернистого газа SO2. Определите, какое число атомов кислорода содержится в этой порции.
Задача 9. Известно, что в водном растворе фосфорной кислоты на каждую молекулу фосфорной кислоты H3PO4 приходится 20 молекул воды H2O. Общее количество атомов водорода в этом растворе равно 8600. Определите количество атомов кислорода в этом растворе.
Задача 10. Известно, что порции медного купороса CuSO4•5H2O содержится 2700 атомов кислорода. Определите количество атомов водорода в этой порции.
Источник
§5.4 Количество вещества. Моль. Молярная масса.
В начале главы мы “записали” уравнение реакции горения метана в виде моделей молекул. На картинке хорошо видно, что для полного протекания реакции на каждую молекулу метана СН4 потребуется израсходовать две молекулы кислорода О2:
В воздухе всегда содержится достаточно кислорода для того, чтобы горение метана протекало именно так, как записано в уравнении реакции. Но представим на минуту, что нам надо сконструировать газовую горелку для подводных работ или двигатель космического корабля. Эти устройства должны работать без доступа атмосферного воздуха. Поэтому в таких конструкциях не обойтись без точного подсчета молекул реагентов, поступающих в зону горения (то есть в химическую реакцию). Например, если в камеру сгорания космического двигателя попадает больше молекул топлива, чем может прореагировать с окислителем, то это ведет к снижению тяги двигателя и к бесполезному расходованию части драгоценного топлива.
Но для начала возьмем не “космическую” реакцию, а что-нибудь попроще. Допустим, мы знаем, что вещества А и Б реагируют между собой с образованием продукта В. Другими словами, нам известно уравнение химической реакции:
А + Б = В
Примером может послужить уже встречавшаяся нам простая реакция:
СаО + Н2О = Са(ОН)2
Остается взять нужные количества А (CaO) и Б (H2O) и провести реакцию. Итак, сколько нужно взвесить А и сколько Б, чтобы реакция прошла до конца и не осталось никаких исходных веществ?
Если мы возьмем одинаковые по весу образцы А и Б, то цели не достигнем – продукт В обязательно будет загрязнен одним из исходных веществ. Почему это произойдет?
Дело в том, что простейшие структурные единицы веществ А и Б состоят из разных наборов атомов – CaO и Н2О.Эти наборы атомов различаются по массе. Значит, в 1 г СаО окажется одно количество частиц, а в 1 г Н2О – другое. При реакции между ними останутся неизрасходованными частицы одного из исходных веществ.
Оксид кальция – ионное соединение и в твердом виде состоит не из молекул (как Н2О), а из набора ионов Ca2+ и O2–. Однако его сокращенная формула СаО по своей сути ничем не отличается от молекулярной формулы – она так же отражает качественный и количественный состав вещества. Поэтому в дальнейшем мы будем называть СаО “молекулой”, а суммарную массу атомов Са и О – “молекулярной массой” этого вещества. Что касается Н2О, то здесь кавычки не нужны – вода действительно состоит из молекул в любом состоянии: твердом, жидком, газообразном.
Для работы химикам удобно брать вещества такими порциями, которые содержали бы одинаковое количество молекул. Допустим, химик взял порцию СаО, в которой содержится N “молекул” этого вещества. Затем берется некая порция воды, в которой тоже N молекул. Смешав эти две порции реагентов, химик получает порцию продукта, в которой будет тоже ровно N “молекул” Са(ОН)2:
Здесь N “молекул” СаО, N молекул Н2О, N “молекул” Са(ОН)2
После окончания реакции не останется ни СаО, ни Н2О – они полностью превратились в Са(ОН)2.
Легко сосчитать определенное количество яблок, конфет или монеток, но молекулы отсчитывать затруднительно. Впрочем, это можно делать путем взвешивания вещества. Например, работники банков знают, что в 1 кг 10-копеечных монет окажется 540 таких монет. То же самое можно проделать с молекулами. Допустим, нам известно, что N молекул весят М г. Достаточно взвесить на весах М г этого вещества, чтобы быть уверенным, что мы отмерили N молекул этого вещества. Но как узнать величину М в граммах?
Масса молекул складывается из масс составляющих ее атомов. Атомные массы (атомные веса) элементов мы можем узнать из Периодической таблицы. Атомный вес Са – 40 а.е.м., а атомный вес кислорода – 16 а.е.м. Следовательно, молекулярный вес (молекулярная масса) СаО составит:
40 а.е.м. (Ca) + 16 а.е.м. (O) = 56 а.е.м. (CaO)
Допустим, мы решили взять для проведения реакции 10 “молекул” СаО и 10 молекул Н2О. Удобно ли нам будет работать с такими малыми количествами вещества? Разумеется, нет.
Тогда попробуем взвесить на весах по миллиону (1000000) молекул каждого реагента. В принципе, можно сосчитать, сколько весит порция из миллиона “молекул” СаО. Мы знаем, что 1 а.е.м. = 1,67.10-27 кг (это значение нам встречалось в таблице 2-1 из главы 2).
Перейдем для удобства из килограммов в граммы. В граммах масса 1 а.е.м. составляет 1,67.10-24 г. Нетрудно умножить эту величину на 56 (число а.е.м. в “молекуле” СаО).
Получим: 56.(1,67.10-24 г) = 93,5.10-24 г. Теперь умножим массу одной молекулы на число самих молекул (миллион). Мы получим вес (в граммах) порции из миллиона “молекул” СаО:
93,5.10-24 г×
1 000 000 = 93,5×
10-18 г.
Если вспомнить, что наибольшая точность обычных лабораторных весов составляет 1 мг (это всего лишь 10-3 г), то обнаружится, что и миллион “молекул” СаО – совсем неудобная “порция” для взвешивания на весах.
Значит, надо выбрать для работы не миллион, а какую-то другую, более удобную порцию из N молекул. Видимо, это число N должно быть намного больше миллиона.
** Попробуем найти такое число молекул (
N), с которым было бы удобно работать. Это может быть не обязательно число молекул именно СаО или Н2О. Число N должно быть таким, чтобы с его помощью было удобно “отмерять” взвешиванием ЛЮБЫЕ молекулы, атомы и вообще частицы, масса которых очень мала (измеряется в атомных единицах массы).
Возьмем одну из таких частиц – протон. Он имеет массу 1 а.е.м. (округленно). Такую же массу имеет нейтрон.
Посчитаем, какое количество протонов (или нейтронов) окажется в 1 г этих частиц. Для этого составим пропорцию:
1 частица (массой 1 а.е.м.) – весит 1,67.10-24 г
N частиц – весят 1 г.
Отсюда:
частиц.
Оказывается, очень удобной является порция из 6.1023 частиц (молекул, атомов, ионов и т.д.). Обозначим ее буквой N (чтобы отличать от любых других порций N. Если N равно именно такому числу частиц (6.1023), то их вес в граммах числено равен весу этих частиц в а.е.м.
Другими словами, чтобы перейти от измерений в а.е.м. к измерениям в граммах, достаточно увеличить шкалу измерений в 6.1023 раз!
6× 1023а.е.м. = 1 г
Число N = 6.1023 является как бы переводным коэффициентом из шкалы а.е.м. в шкалу граммов. Например, молекулярный вес CaO составляет 56 а.е.м. Взвесив на весах 56 г оксида кальция СаО, мы тем самым “отсчитали” 6.1023 структурных единиц (“молекул”) СаО. Чтобы теперь отсчитать для нашей реакции точно такое же количество молекул Н2О, следует взвесить на весах ровно 18 г воды:
1+1 а.е.м (вес двух атомов Н) + 16 а.е.м. (вес одного атома О) = 18 а.е.м. (H2O)
18 а.е.м. .6.1023 = 18 г.
Понятно, что взвесив 18 г воды, мы тем самым берем нужные нам 6.1023 молекул воды.
Смешав точно 56 г СаО и 18 г Н
2О, мы смешиваем порции веществ, в которых число структурных единиц CaO и H2O абсолютно одинаково. Тем самым мы обеспечиваем полное протекание реакции. В продукте реакции – Са(ОН)2 – не должно остаться непрореагировавших CaO и H2O.
Такие порции из 6.1023 структурных единиц вещества (атомов, молекул, ионов) называются МОЛЕМ вещества. Таким образом, МОЛЬ – это мера количества вещества. Более точное, не округленное количество частиц вещества в 1 моле составляет 6,022045.1023 частиц. С точностью до второго знака после запятой (6,02.1023) эту величину нужно хорошенько запомнить.
МОЛЬ – это КОЛИЧЕСТВО ВЕЩЕСТВА, равное 6,02.1023 структурных единиц данного вещества – молекул (если вещество состоит из молекул), атомов (если это атомарное вещество), ионов (если вещество является ионным соединением).
Примеры:
1 моль (1 М) воды = 6.1023 молекул Н2О,
1 моль (1 М) железа = 6.1023 атомов Fe,
1 моль (1 М) хлора = 6.1023 молекул Cl2,
1 моль (1 М) ионов хлора Cl- = 6.1023 ионов Cl-.
1 моль (1 М) электронов е- = 6.1023 электронов е-.
Теперь мы имеем удобную единицу количества вещества моль, с помощью которой легко отмерять равные порции молекул или атомов простым взвешиванием.
Разумеется, если мы увеличим или уменьшим взятое нами количество воды (18 г) и оксида кальция (56 г) в одинаковое количество раз, то и порции реагирующих молекул уменьшатся или возрастут во столько же раз.
Допустим, 1,8 г воды полностью прореагируют с 5,6 г СаО, а 180 г Н2О тоже без остатка прореагируют с 560 г СаО. Другими словами 0,1 моль воды прореагирует с 0,1 моль СаО, а 10 моль воды прореагируют с 10 моль СаО и т.д.
Как мы видим, масса одного моля какого-нибудь вещества (в граммах) числено совпадает с молекулярной или атомной массой этого вещества (в а.е.м. или в безразмерном выражении – как в случае относительной атомной или молекулярной массы). Это очень удобно для химических расчетов.
Например, молекулярная масса (молекулярный вес) метана CH4 составляет (12 + 4) = 16 а.е.м. Тогда для реакции горения метана:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
справедливо, что из 1 моля метана получаются 2 моля воды и что из 16 г метана получается 2.18 = 36 г воды.
Масса одного моля вещества называется МОЛЯРНОЙ МАССОЙ. Она бозначается буквой М и имеет размерность г/моль. Количество молей вещества n находят из отношения массы m этого вещества (г) к его молярной массе М (г/моль).
Например, число молей в m г воды составляет: n = m/18. Для m г металлического натрия: n = m/23, и так далее.
И наоборот, массу вещества определяют как произведение молярной массы на количество вещества: m = n . M. Так, масса 0,1 моля Na составляет 0,1 моль×23 г/моль = 2,3 г.
Молярная масса численно всегда совпадает с молекулярной массой (или атомной массой – если вещество состоит не из молекул, а из атомов). В таблице 5-1 для иллюстрации приведены молярные массы М для нескольких веществ разного строения.
Таблица 5-1. Молярные массы различных веществ.
Вещество | Молекулярная или атомная масса (округлена) | молярная масса М |
Вода Н 2О | 18 а.е.м | 18 г/моль |
СаО | 56 а.е.м. | 56 г/моль |
Углерод 12С | 12 а.е.м. | 12 г/моль |
Медь Cu | 63,5 a.e.м. | 63,5 г/моль |
Атом хлора Сl | 35,5 а.е.м. | 35,5 г/моль *) |
Ион хлора Cl– | 35,5 а.е.м | 35,5 г/моль |
Молекула хлора Cl 2 | 71 а.е.м | 71 г/моль *) |
*) Атомарный хлор и молекулярный хлор – разные вещества, обладающие разными физическими и химическими свойствами.
Как мы видим, термины “молекулярная масса” и “молярная масса” применимы не только к веществам молекулярного строения, но и к атомарным и ионным веществам. В таблице 5-1 каждая из указанных в правой колонке “порций” вещества содержит 6,02×1023 структурных единиц этих веществ.
Молярная масса М – постоянная величина для каждого конкретного вещества. Без неё не обойтись при вычислении количества молей (n). Однако в дальнейшем для нас основным рабочим инструментом будет именно МОЛЬ вещества.
Термины “моль” и “молекула” отдаленно связаны между собой. Моль происходит от латинского
moles, что означает количество, счетное множество, а также масса. Термин “молекула” является уменьшительной формой этого слова и означает “маленькая масса”. Таким образом моль – это такое количество вещества, которое можно считать “большой массой”, состоящей из 6,02×
1023 “маленьких масс”.
Задачи.
5.7. Пользуясь значениями атомных весов элементов из Периодической таблицы, рассчитайте с точностью до целых чисел молекулярный вес (а.е.м) и молярную массу (г) для следующих веществ: NaF, N
2, NaOH, SO2. Сколько молекул содержится в 1 моле каждого из этих веществ?
5.8. Сколько молей кислорода содержится в 128 г кислорода?
5.9. При грозовых разрядах в атмосфере происходит следующая реакция: N
2 + O2®
NO2. Уравняйте реакцию. Сколько молей кислорода потребуется для полного превращения 1 моля азота в NO2? Cколько это будет граммов кислорода? Сколько граммов NO2 образуется?
5.10. В стакан налили 180 г воды. Сколько молекул воды в стакане? Сколько это молей H
2O?
5.11. Между собой прореагировали 1 моль кальция и 1 моль хлора. Сколько молей CaCl
2 получилось? Какова масса получившегося хлорида кальция CaCl2 ?
** 5.12. Между собой реагируют 4,0 г Ca и 14,2 г Cl
2. Какие вещества и в каком количестве (в молях и в граммах) останутся после окончания реакции?
5.13. Смешали 2 моля водорода и 1 моль кислорода. Смесь взорвали. Сколько молей воды получилось? А сколько граммов?
** 5.14. Смешали 4 г водорода и 64 г кислорода. Смесь взорвали. Сколько граммов воды получилось? Сколько граммов кислорода осталось не израсходованным?
** 5.15 (НГУ). Определите количество вещества (моль) и массу порции пропина C3H4, которая содержит 6,02.1021 атомов углерода. Какова масса одной молекулы пропина?
- В следующий параграф.
_________________
Источник
Моль, молярная масса
В химических
процессах участвуют мельчайшие частицы – молекулы, атомы, ионы, электроны.
Число таких частиц даже в малой порции вещества очень велико. Поэтому, чтобы
избежать математических операций с большими числами, для характеристики
количества вещества, участвующего в химической реакции, используется
специальная единица – моль.
Моль – это такое количество
вещества, в котором содержится определенное число частиц (молекул, атомов,
ионов), равное постоянной Авогадро
Постоянная
Авогадро NA определяется как число атомов, содержащееся в 12 г
изотопа 12С:
Таким
образом, 1 моль любого вещества содержит 6,02 • 1023 частиц этого вещества.
1 моль кислорода содержит 6,02 • 1023 молекул O2.
1 моль серной кислоты содержит 6,02 • 1023 молекул H2SO4.
1 моль железа содержит 6,02 • 1023 атомов Fe.
1 моль серы содержит 6,02 • 1023 атомов S.
2 моль серы содержит 12,04 • 1023 атомов S.
0,5 моль серы содержит 3,01 • 1023 атомов S.
Исходя из
этого, любое количество вещества можно выразить определенным числом молей ν (ню).
Например, в образце вещества содержится 12,04 • 1023 молекул. Следовательно, количество
вещества в этом образце составляет:
В общем
виде:
где N – число частиц данного
вещества;
Nа – число частиц, которое содержит 1 моль вещества
(постоянная Авогадро).
Молярная
масса вещества (M) – масса,
которую имеет 1 моль данного вещества.
Эта величина, равная отношению массы m вещества к количеству вещества ν,
имеет размерность кг/моль или г/моль. Молярная масса, выраженная
в г/моль, численно равна относительной относительной молекулярной массе Mr
(для веществ атомного строения – относительной атомной массе Ar).
Например, молярная масса метана CH4 определяется следующим образом:
Мr(CH4) = Ar(C) + 4 Ar(H) = 12+4 =16
M(CH4)=16
г/моль, т.е. 16 г CH4 содержат 6,02 • 1023 молекул.
Молярную
массу вещества можно вычислить, если известны его масса m и количество
(число молей) ν, по формуле:
Соответственно,
зная массу и молярную массу вещества, можно рассчитать число его молей:
или найти
массу вещества по числу молей и молярной массе:
m = ν • M
Необходимо
отметить, что значение молярной массы вещества определяется его качественным и
количественным составом, т.е. зависит от Mr и Ar. Поэтому
разные вещества при одинаковом количестве молей имеют различные массы m.
Пример
Вычислить массы метана CH4 и этана С2H6,
взятых в количестве ν = 2 моль каждого.
Решение
Молярная масса метана M(CH4) равна 16 г/моль;
молярная масса этана M(С2Н6) = 2 • 12+6=30 г/моль.
Отсюда:
m(CH4) = 2 моль • 16 г/моль = 32 г;
m(С2Н6) = 2 моль • 30 г/моль = 60 г.
Таким
образом, моль – это порция вещества, содержащая одно и то же число частиц, но
имеющая разную массу для разных веществ, т.к. частицы вещества (атомы и
молекулы) не одинаковы по массе.
n(CH4)
= n(С2Н6),
но m(CH4) < m(С2Н6)
Вычисление ν
используется практически в каждой расчетной задаче.
Взаимосвязь:
Образцы решения задач
Задача №1. Вычислите массу (г) железа, 0, 5 моль? Дано: ν(Fe)=0,5 моль Найти: Решение: m = M · ν M(Fe) = Ar(Fe) = 56 г/моль m (Fe) = 56 г/моль Ответ: |
Задача №2. Вычислите массу (г) 12,04 · 1023молекул оксида кальция CaО? Дано: Найти: Решение: m = M · ν, ν= N/Na, следовательно, формула для расчёта m = M · (N/Na) M(CaO) = Ar(Ca) + Ar(O) = 40 + 16 = 56 г/моль m= 56 г/моль · (12,04 Ответ: |
ТРЕНАЖЁРЫ
Тренажёр
№1 – Взаимосвязь количества вещества, числа частиц и постоянной Авогадро
Тренажёр
№2 – Взаимосвязь массы, количества вещества и молярной массы
Тренажёр
№3 – Вычисление количества вещества по известной массе вещества
Тренажёр
№4 – Вычисление массы вещества по известному количеству вещества
Тренажёр
№5 – Вычисление массы вещества по известному числу частиц вещества
Тренажёр
№6 – Вычисление молярной массы вещества
Тренажёр
№7 – Вычисление числа частиц вещества по известной массе вещества
Тренажёр
№8 – Вычисления числа частиц вещества по известному количеству вещества
Интерактивны тесты
“Упражнения
для контроля и самопроверки по вычислению количества вещества”
“Упражнения
для контроля и самопроверки по вычислению молярной массы вещества “
Задания для закрепления
Задача 1. Вычислите массу воды (г), взятой количеством вещества 5 моль?
Задача 2. Вычислите массу 24,08 *1023 молекул серной кислоты H2SO4?
Задача
3. Определите число атомов в 56 г железа Fe?
Источник