Масса молекулы, массовая доля элемента, массовая доля в растворе
Относительная молекулярная масса и массовая доля атомов в молекуле
Ранее мы изучили строение атома и узнали, что основной вклад в массу атома вносят нейтроны и протоны. Их массы измеряют в особых атомных единицах массы (а.е.м.) или же Дальтонах (Да). В большинстве случаев удобно использовать относительные атомные массы атомов химических элементов (Ar), которые измерены относительно эталонного изотопа углерода ¹²C (начиная с 1960 года) и приведены в Периодической таблице им. Д.И. Менделеева.
А если несколько атомов образуют связи друг с другом, образуя например молекулу или другую структурную единицу? Логично, что тогда масса этой частицы будет равна сумме масс атомов, входящих в состав этой молекулы. При использовании относительных атомных масс элементов, их сумма называется относительной молекулярной массой (Mr), которая также измеряется в а.е.м.
Например:
Исходя из этих данных, атомы разных химических элементов вносят разный вклад в суммарную массу, что выражают в виде массовой доли элемента (ω - греческая буква, читается как "омега").
Задача 1.
Определите массовую долю всех элементов в молекуле нитрата бария.
Соотношение числа атомов в молекуле
Заметим, что в формуле массовой доли всегда в знаменателе относительная молекулярная масса всей молекулы. Тогда для молекулы вида AₓOᵧ можно найти соотношение числа атомов каждого элемента как:
Данный подход позволяет находит простейшие (эмпирические) формулы молекул из любого числа химических элементов по их массовым долям.
Задача 2.
Определите формулу молекулы кислородсодержащей соли, в которой массовые доли атомов натрия и серы соответственно равны 20,72% и 28,83%.
Массовые доли в растворах, сплавах и других смесях
Красота математики заключается в том, что она универсальна в описании многогранного окружающего мира. Поэтому ту же массовую долю широко используют для описания концентрации растворов:
Рассмотрим несколько типовых и базовых задач по массовым долям в растворах.
Задача 3.
Какую массу воды необходимо добавить к 20 г глюкозы для получения 10%-ого раствора глюкозы.
Задача 4.
Смешали 150 г 20%-ого и 50 г 10%-ого серной кислоты. Определите массовую долю серной кислоты в полученном растворе.
Достаточно часто учащиеся возражают мне, что такие записи избыточные и эту задачу можно решить за пару действий. И я согласен: когда мне надо самому решить эту задачу, я могу ничего не записывать и выполнить 2-3 вычисления на калькуляторе прежде чем дать ответ. Однако на любом экзамене и олимпиаде значительную роль играет именно умение представить правильно своё решение. Не надейтесь, что внезапно в стрессовой ситуации на экзамене вы начнёте всё оформлять правильно и без ошибок. Лучше потратить время в процессе подготовки, но довести до автоматизма умение описывать своё решение чётко и по пунктам.
Усложнение задач с массовыми долями заключается в использовании кристаллогидратов - тоже своего рода растворов в твёрдом виде. Для них не даются массовые доли вещества, но можно её вычислить на основе молекулярной массы по аналогии с массовой долей элемента.
Задача 5.
В 400 г воды растворили 4,98 г CuSO₄·5H₂O (медного купороса). Определите массовую долю CuSO₄ в образовавшемся растворе.
Итоги
Масса молекулы и массовая доля - одна из базовых величин в химии. Понимание придёт только с практикой, поэтому не ленитесь и решайте разные задачи, в том числе под моим авторством.