Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
В 1811 году итальянский ученый Авогадро заметил, что все становится на свои места, если ввести новое понятие — молекула. Это понятие стали применять к мельчайшим частицам вещества, способным к самостоятельному существованию. Различие точек зрения Дальтона и Авогадро заключалось в том, что последний допустил существование сложных молекул и у чистых элементов. Предположив далее, что в равных объемах газов содержится одинаковое число молекул, Авогадро легко объяснил и закон Гей-Люссака, и все известные газовые реакции. В дальнейшем оказалось, что ни в одной реакции из одного объема водорода не получается более двух объемов нового газообразного вещества. Значит, молекула водорода состоит именно из двух атомов. Аналогичный вывод можно было сделать и о молекулах хлора, кислорода и некоторых других элементарных газов. Для того чтобы подчеркнуть, что молекулы этих газов состоят из двух атомов, их стали обозначать символами химических элементов с цифрой 2 внизу: H2, Cl2, O2 и т. д.
Несмотря на то что гипотеза Авогадро объясняла все известные в то время факты, многие ученые по привычке придерживались старых взглядов. И только на химическом конгрессе в Карлсруэ 4 сентября 1860 года была принята резолюция, закрепляющая различие понятий атома и молекулы.
11
АТОМНЫЕ
И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАССЫ
Итак, к середине XIX века физики и химики не только получили убедительные доказательства существования атомов и молекул, но и научились сравнивать их массы. Самым легким оказался атом водорода; масса атома кислорода, как уже отмечалось, в 16 раз больше массы атома водорода, углерода — в 12 раз, хлора — в 35,5 раза, железа — в 56 раз и т. д. В дальнейшем было установлено, что отношения масс атомов лишь приблизительно выражаются целыми числами. При этом оказалось, что удобнее сравнивать массы атомов не с массой атома водорода, а с массой атома основного изотопа углерода *, приняв ее точно равной 12. Тем самым была введена специальная единица для выражения относительных масс атомов, равная 1/12 массы атома основного изотопа углерода; эту единицу назвали атомной единицей массы. Число, показывающее, во сколько раз масса атома больше этой единицы, называется атомной массой элемента А, а число, показывающее, во сколько раз масса молекулы того или иного соединения больше той же единицы, - молекулярной массой M этого соединения. Из предыдущего следует, что атомная масса углерода равна точно 12, атомная и молекулярная массы водорода составляют 1 и 2, атомная и молекулярная массы кислорода примерно равны 16 и 32 соответственно и т. д. Атомные массы всех элементов приведены в таблицах, а молекулярные массы любых веществ легко вычислить с помощью известных химических формул этих веществ.
Условимся понимать под количеством вещества в любом теле число содержащихся в нем молекул. Об измерении этого числа мы еще не говорили, и, следовательно, сказать, сколько содержится молекул, например, в стакане воды, мы пока не можем. Но мы можем выбрать какую-то массу определенного вещества и соответствующее число молекул или атомов принять за единицу количества вещества. В качестве такого эталона выбрали 12 г углерода и полученную единицу назвали молем. Итак, моль - это количество любого вещества, содержащее столько же молекул, сколько содержится атомов в 12 г углерода.
Теперь мы можем выразить количество вещества, соответствующее любой массе углерода, в числе молей v. Так, в 24 г
* Об изотопах речь пойдет в гл. 3.
12
углерода содержится два моля, в 12 кг углерода - 1000 молей (или 1 кмоль) и т. д. Далее, если мы возьмем равные количества различных веществ (т. е. куски разных веществ, содержащие одинаковое число молекул), то их массы (в граммах) будут пропорциональны молекулярным массам. Поэтому в 18 г воды должно содержаться столько же молекул, сколько в 12 г углерода, т. е. ровно 1 моль. Для дальнейших расчетов удобно ввести еще одно понятие. Будем называть молярной массой любого вещества д массу моля этого вещества. Из предыдущего следует, что для углерода д = 12 г, для водорода д = 2 г, для воды д = 18 г и т. д. Таким образом, молярная масса численно совпадает с молекулярной массой, но последняя является безразмерной величиной, тогда как молярная масса выражается в граммах (или в килограммах). Легко сообразить, что масса любого количества вещества т равна числу содержащихся в нем молей V, умноженному на массу одного моля, т. е. на молярную массу д:
т = vfi.
В этом соотношении легко можно измерить только одну величину т. Выше говорилось о том, как можно определить молекулярные (следовательно, и молярные) массы для газов. Для этой же цели существуют и другие приемы.
Согласно предположению Авогадро в разных газах, занимающих одинаковые объемы, содержится одинаковое число молекул, поэтому можно подобрать такой объем, в котором Ііри нормальных условиях — температуре 00C и давлении 1,01х х 105 Па* — помещается моль любого газа. Авогадро установил, что этот объем равен 0,0224 м3 (22,4 л). Теперь молярные массы газообразных веществ можно было измерять очень просто: для этого достаточно определить массу газа, занимающего объем 0,0224 м3. Масса такого количества одного из углеводородов - газа этана — составляет около 30 г, значит, молекулярная масса этана равна 30. Рассматривая химические реакции с участием этана по методу Дальтона, можно убедиться в том, что в этане на одну массовую часть водорода приходится четыре части углерода, но поскольку масса атома углерода в 12 раз больше массы атома водорода, в этане на каждый атом угле-
