ใครๆ ก็รู้ว่าร่างกายรอบตัวเราประกอบด้วยอะตอมและโมเลกุล มีรูปร่างและโครงสร้างต่างกัน ในการแก้ปัญหาด้านเคมีและฟิสิกส์ มักจำเป็นต้องหามวลของโมเลกุล ลองพิจารณาวิธีการเชิงทฤษฎีหลายวิธีในการแก้ปัญหานี้ในบทความนี้
ข้อมูลทั่วไป
ก่อนที่จะพิจารณาวิธีหามวลของโมเลกุล คุณควรทำความคุ้นเคยกับแนวคิดนี้เสียก่อน นี่คือตัวอย่างบางส่วน
โมเลกุลมักจะเรียกว่าชุดของอะตอมที่รวมกันเป็นหนึ่งหรืออีกประเภทหนึ่งของพันธะเคมี นอกจากนี้ควรและถือได้ว่าเป็นกระบวนการทั้งหมดในกระบวนการทางกายภาพและทางเคมีต่างๆ พันธะเหล่านี้อาจเป็นไอออนิก โควาเลนต์ เมทัลลิก หรือแวนเดอร์วาลส์
โมเลกุลน้ำที่รู้จักกันดีมีสูตรทางเคมี H2O. อะตอมของออกซิเจนในนั้นเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ที่มีขั้วกับไฮโดรเจนสองอะตอม โครงสร้างนี้กำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีหลายอย่างของน้ำของเหลว น้ำแข็ง และไอน้ำ
ก๊าซมีเทนจากธรรมชาติเป็นอีกหนึ่งตัวแทนที่สดใสของสารโมเลกุล อนุภาคของมันถูกสร้างขึ้นอะตอมของคาร์บอนและอะตอมของไฮโดรเจนสี่อะตอม (CH4) ในอวกาศ โมเลกุลจะมีรูปร่างเหมือนจัตุรมุขโดยมีคาร์บอนอยู่ตรงกลาง
อากาศเป็นส่วนผสมที่ซับซ้อนของก๊าซ ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยโมเลกุลออกซิเจน O2 และไนโตรเจน N2 ทั้งสองประเภทเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ที่ไม่มีขั้วแบบสองและสามชนิดที่แข็งแกร่ง ซึ่งทำให้พวกมันเฉื่อยทางเคมีสูง
การหามวลของโมเลกุลด้วยมวลโมลาร์ของมัน
ตารางธาตุขององค์ประกอบทางเคมีประกอบด้วยข้อมูลจำนวนมาก ซึ่งมีหน่วยมวลอะตอม (amu) ตัวอย่างเช่น อะตอมไฮโดรเจนมี amu เท่ากับ 1 และอะตอมออกซิเจนเท่ากับ 16 ตัวเลขแต่ละตัวระบุมวลเป็นกรัมที่ระบบที่มีอะตอมของธาตุที่เกี่ยวข้องกันจะมี 1 โมล จำได้ว่าหน่วยวัดปริมาณสาร 1 โมลคือจำนวนอนุภาคในระบบซึ่งสอดคล้องกับเลขอาโวกาโดร NA เท่ากับ 6.0210 23.
เมื่อพิจารณาโมเลกุล พวกเขาใช้แนวคิดไม่ใช่ของ amu แต่เกี่ยวกับน้ำหนักโมเลกุล อันหลังเป็นผลรวมง่ายๆ ของ am สำหรับอะตอมที่ประกอบเป็นโมเลกุล ตัวอย่างเช่น มวลโมลาร์สำหรับ H2O จะเท่ากับ 18 กรัม/โมล และสำหรับ O2 32 กรัม/โมล เมื่อมีแนวคิดทั่วไป ก็สามารถดำเนินการคำนวณได้
มวลโมลาร์ M นั้นง่ายต่อการคำนวณมวลของโมเลกุล m1 เมื่อต้องการทำสิ่งนี้ ให้ใช้สูตรง่ายๆ:
m1=M/NA.
ในบางงานสามารถให้มวลของระบบ m และปริมาณของสสารในระบบ n ได้ ในกรณีนี้ มวลของหนึ่งโมเลกุลจะถูกคำนวณดังนี้:
m1=m/(nNA).
แก๊สในอุดมคติ
แนวคิดนี้เรียกว่าก๊าซดังกล่าว โมเลกุลที่เคลื่อนที่แบบสุ่มในทิศทางต่างๆ ด้วยความเร็วสูง จะไม่โต้ตอบกัน ระยะห่างระหว่างพวกเขาไกลเกินขนาดของตัวเอง สำหรับโมเดลดังกล่าว นิพจน์ต่อไปนี้เป็นจริง:
PV=nRT.
เรียกว่ากฎหมาย Mendeleev-Clapeyron ดังที่คุณเห็น สมการเกี่ยวข้องกับความดัน P ปริมาตร V อุณหภูมิสัมบูรณ์ T และปริมาณของสาร n ในสูตร R คือค่าคงที่ของแก๊ส ตัวเลขเท่ากับ 8.314 กฎหมายที่เป็นลายลักษณ์อักษรเรียกว่าสากลเพราะไม่ขึ้นกับองค์ประกอบทางเคมีของระบบ
หากทราบพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์สามตัว - T, P, V และค่า m ของระบบ แสดงว่ามวลของโมเลกุลก๊าซในอุดมคติ m1 นั้นหาได้ไม่ยาก โดยสูตรต่อไปนี้:
m1=mRT/(NAPV).
นิพจน์นี้ยังสามารถเขียนในรูปของความหนาแน่นของก๊าซ ρ และค่าคงที่ Boltzmann kB:
m1=ρkBT/P.
ตัวอย่างปัญหา
เป็นที่ทราบกันดีว่าความหนาแน่นของก๊าซบางชนิดคือ 1.225 กก./ม.3ที่ความดันบรรยากาศ 101325 Pa และอุณหภูมิ 15 oC. มวลของโมเลกุลคืออะไร? คุณกำลังพูดถึงแก๊สอะไร
เพราะเราได้รับแรงกดดัน ความหนาแน่น และอุณหภูมิจากนั้นคุณสามารถใช้สูตรที่ได้รับในย่อหน้าก่อนหน้าเพื่อกำหนดมวลของหนึ่งโมเลกุล เรามี:
m1=ρkBT/P;
m1 =1, 2251, 3810-23288, 15/101325=4, 807 10-26 kg.
เพื่อตอบคำถามที่สองของปัญหา มาหามวลโมลาร์ M ของแก๊สกัน:
M=m1NA;
M=4.80710-266.021023=0.029 กก./โมล
ค่ามวลโมลาร์ที่ได้นั้นสอดคล้องกับอากาศก๊าซ
