Важнейшее понятие химии – МОЛЬ. Дело в том, что в большинстве химических соединений атомы разных элементов находятся в определенных, как правило, целочисленных соотношениях (например, в воде на один кислород приходится два водорода; в спирте C : H : О = 2 : 6 : 1). Поэтому для количественного описания химических превращений удобнее измерять вещество не по массе (в граммах или килограммах), не по объёму, а в некоторых эквивалентах, кратных количеству атомов. Таким универсальным эквивалентом оказался моль.
Моль – количество вещества, содержащее столько же структурных единиц (атомов, ионов, молекул), сколько содержится атомов в 12 г (ровно) изотопа 12С, равное постоянной (числу) Авогадро NA = 6,02·1023 моль-1. Число Авогадро связано с другими фундаментальными константами: NA = R/k, где R – универсальная газовая постоянная, k – константа Больцмана.
Конечно, конкретное значение NA могло быть любым (6,02·1023 получилось из той посылки, что один моль 12С имеет массу 12 г; в любом случае нужно было договориться о каком-то конкретном значении количества атомов в моле). Важно, что значение NA равно количеству атомов в определённом количестве вещества. Число Авогадро безусловно следует запомнить любому, кто хочет освоить химию, все остальные константы можно брать из справочников. Масса моля вещества – очень важная характеристика, поэтому его выделяют как особое понятие – молярная масса.
Конечно, при проведении синтеза или анализа вещества его всё равно придется взвешивать на весах, т. е. определять вес (массу) – приборы, проградуированные в молях, пока не изобретены, но без этого понятия изложение и восприятие химии было бы значительно сложнее. А пересчитать моль в массу и наоборот несложно. Соотношения между массой вещества m, молярной массой M, количеством молей n и количеством частиц (структурных единиц) N следующие: n [моль] = m[г]/M[г/моль]; N = n [моль]×NA [моль-1].
В молях можно измерять и частицы (электроны, протоны, ионы).
Понятно, что молярная масса изотопа 12С равна 12 г/моль точно; молярная масса протона 1,073 г/моль, электрона 0,000549 г/моль (см. табл. 1) и т. п.
Массу атомов (молекул, элементарных частиц) в химии удобнее выражать не в граммах или килограммах, а в специальных единицах измерения, связанных с молем. Атомная единица массы (а. е. м.) равна 1/12 массы легкого изотопа углерода (т. е. 12С; значение 1/12 также сложилось исторически).
Из приведённых соотношений можно вычислить массу отдельных атомов и молекул в граммах, для чего молярную массу следует разделить на число Авогадро.
Таким образом, масса одного атома 12С равна 12 а. е. м. точно! Массы протона и электрона – 1,073 и 0,000549 а. е. м., а массовые числа 1 и 0 соответственно. Соотношение между а. е. м. и граммами Вы можете определить сами, используя значение NA.
Многие природные вещества содержат различные изотопы в их естественных (природных) соотношениях. Например, природный углерод состоит из двух изотопов – 12С и 13С, с содержанием последнего 1,1 %, т. е. в любом (не слишком малом) количестве вещества, 98,9 % атомов будут представлять 12С, а 1,1 % – 13С. Естественно, что масса атомов различных изотопов различна. Из-за этого молярные массы 12С, 13С и природного углерода (смесь 0,989 12С + 0,011 13С) также отличаются. В соответствующей клетке таблицы Менделеева рядом с символом углерода С стоит число 12,011 – молярная масса углерода, т. е. М(С) = 12,011 г/моль. Понятно, что не существует атомов углерода, имеющих такую массу: 12,011 а. е. м. = 0,989´12 + 0,011´13,0034 – это среднее значение.
Для всех изотопов, кроме 12С, масса атомов в а. е. м. (и соответственно молярная масса) не является круглой цифрой, так как складывается из массы ядра (суммарная масса нуклонов минус дефект масс) и массы электронов (массы элементарных частиц указаны в табл. 1). Поскольку массы нуклонов близки к 1 а. е. м., дефект масс и суммарная масса электронов много меньше 1 а. е. м. и к тому же примерно компенсируют друг друга, то для тех элементов, которые встречаются в природе в виде единственного изотопа (F, Al, P и др.), значение молярной массы близко к целым числам; для остальных элементов, в зависимости от количества и содержания изотопов, может принимать любые дробные значения, например 63,55 для Cu.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое моль?
2. Выразите 1 г в а. е. м. и наоборот.
3. Чему равна масса атома 12С в г?
4. Совпадают ли понятия атомная масса и массовое число?
5. Чему равны атомные номера и массовые числа нейтрона и позитрона?
6. Сколько атомов 12С содержится в 1 г изотопа?
7. Где больше атомов – в 1 моль изотопа 12С или в 1 моль природного С?
8. Где больше атомов – в 1 г изотопа 12С или в 1 г природного С?
9. Глядя в Периодическую систему элементов, найдите 2–3 элемента, находящиеся в природе преимущественно в виде одного изотопа, и 2–3, заведомо состоящие из нескольких изотопов.
10. Природный хлор состоит из 35Cl и 37Cl. Приняв атомные массы изотопов округленно за 35 и 37 г/моль, найдите примерное процентное содержание изотопов в природном хлоре.