Lezione 3
Massa atomica
I composti covalenti sono sostanze formate quando atomi non metallici si combinano chimicamente. La maggior parte dei composti ha una composizione atomica fissa. La formula di una sostanza specifica la sua composizione atomica. Per esempio, il glucosio, uno zucchero semplice, ha la formula C6H12O6. Questo significa che 6 atomi di carbonio sono legati a 12 atomi di idrogeno e 6 atomi di ossigeno, in ogni molecola di glucosio. In teoria, potremmo combinare gli elementi C, O e H nelle giuste proporzioni e fare una molecola di glucosio. Il carbonio, nel suo stato più comune, esiste come solido, la grafite. L’ossigeno esiste come molecola di gas biatomico, O2 e l’idrogeno esiste come gas biatomico, H2.
Il più piccolo granello rilevabile di grafite conterrebbe circa 1 x 1016 atomi di carbonio, quindi non saremo in grado di pesare un singolo atomo. Quello che è stato fatto, invece, è di assegnare un valore alla massa di un atomo di carbonio. Per definizione, la massa atomica di 12C (carbonio con 6 protoni e 6 neutroni) è stata fissata a 12 amu (unità di massa atomica). Tuttavia, quando si cerca la massa atomica del carbonio in una tabella, essa è indicata come 12,01 amu. Questo perché il carbonio esiste come un numero di isotopi diversi. Gli isotopi più comuni del carbonio sono 12C e 13C (6 protoni e 7 neutroni). L’amu del 13C è stato determinato in 13,00335 amu. È più pesante del 12C perché ha un neutrone in più e perché i neutroni hanno masse leggermente più alte dei protoni. Il 12C è più abbondante (98,9%) del13C (1,10%), ed è per questo che la massa elencata di C è più vicina a 12 (12,01) che a 13,00335. La massa atomica elencata rappresenta una massa atomica media del carbonio presente in natura. È stata calcolata come segue:
massa atomica media del C = (.9890)(12 amu) + (.01100)(13.00335) = 12.01 amu
Nessun atomo di carbonio reale ha una massa di 12.01 amu. La maggior parte degli atomi di carbonio ha una massa atomica di 12 amu e alcuni hanno una massa atomica di 13,00335 amu. La massa atomica di H è stata determinata in 1,0079 amu e quella di O in 15,9994 amu. Di nuovo, questi sono valori medi degli isotopi comuni di questi elementi.
Numero di Avogadro e massa molare
Ora abbiamo una misura delle masse relative degli elementi. Sarebbe di utilità pratica convertire in qualche modo gli amu in grammi, un’unità che possiamo effettivamente misurare. Anche il più piccolo campione di un elemento contiene un numero enorme di atomi. Pertanto, sarebbe conveniente avere un’unità speciale, che descrive un numero molto grande di atomi. Questa unità si chiama mole ed è l’unità di quantità del SI. La carta è venduta in risme (500 fogli), le uova sono vendute in dozzine (12), gli atomi e le molecole sono misurati in moli. Una mole è definita come il numero di atomi di 12C in esattamente 12grammi di 12C. Questo numero è stato determinato sperimentalmente in 6,022 x 1023 ed è chiamato numero di Avogadro, NA.
6.022 x 1023atomi 12C = 12 g 12C
1 atomo 12C= 12 amu
6.022 x 1023atomi = 1 mol atoms
Con questi fattori di conversione, possiamo determinare la massa di un singolo atomo di 12C.
12g 12C 6,022 x 1023 atomi =12 g/mol = massa molare del 12C
6,022 x 1023atomi 1 mol
Le masse atomiche di tutti gli elementi sono state calcolate in amu. Questo stesso numero è anche la massa molare, in g/mol, di ogni elemento.
Quindi, se pesassimo un campione di 12,01 g di carbonio, avremmo 6,022 x 1023 atomi di carbonio nel nostro campione. Guardando la nostra formula per il glucosio (C6H12O6) possiamo vedere che abbiamo bisogno del doppio degli atomi di H rispetto agli atomi di C. Il nostro campione di 12,01 g di carbonio contiene 1mole di atomi di carbonio. Avremo quindi bisogno di 2 moli di atomi di H. Quanti grammi di atomi di H sarebbero? Possiamo usare il fattore di conversione che mette in relazione gli amu con i grammi/molo di una sostanza.
2mol H 1,0079 g H = 2,0158 g H
mol H
Quanto ossigeno sarebbe necessario? La formula indica che per ogni mole di carbonio abbiamo bisogno di una mole di ossigeno. Quindi, avremo bisogno di 1 mole di atomi di O.
1 mol O 15.9994g O = 15.9994 g O
mol O
I nostri materiali di partenza peserebbero 12,01g + 2,0158g + 15,9994g = 30,03 g.
Questa sarebbe anche la massa del glucosio che si potrebbe ottenere da questi elementi. Quante moli e molecole di glucosio sarebbero?
La massa di una molecola di glucosio, C6H12O6, sarebbe la somma delle masse atomiche dei suoi elementi:
6 x 12,011 (amu di C) + 12 x 1,0079 (amu di H) + 6 x 15,9994(amu di O) = 180,157 amu
180,157 amu = 180.157 g/mol
30.03 g di glucosio 1 mol di glucosio = 0,1667 moli di glucosio
180.157 g di glucosio
0,1667moli di glucosio 6,022 x 1023molecole di glucosio = 1.004 x 1023 molecole di glucosio
mol glucosio
Composizione percentuale
Un altro modo di descrivere la composizione di una sostanza è in termini di composizione percentuale, la percentuale, in massa, degli elementi in quella sostanza. Questa è un’informazione ottenibile sperimentalmente, che può essere usata per ricavare la formula empirica di un composto, come sarà discusso in seguito. Per ora, definiamo cosa si intende per composizione percentuale bydeterminando la composizione percentuale di nitrito di sodio, NaNO2. Per prima cosa, calcoliamo la massa molare:
massa molare = 1 mol Na (22,99 g/mol)
+1 mol N (14,01 g/mol)
+2 mol O (16,00 g/mol)
69,00g/mol NaNO3
La composizione percentuale degli elementi è quindi:
% Na = 22.99g x 100% = 33,32%
69,00g
% N = 14,01g x 100% = 20,30%
69,00g
%O = 32,00g x 100% = 46,38%
69,00g
È possibile usare questo metodo per determinare la formula di una sostanza sconosciuta.
L’analisi di un composto sconosciuto mostra la seguente composizione percentuale:
40,92% carbonio, in peso
4,58% idrogeno, in peso
54.50% di ossigeno, in peso
Primo, supponiamo che tu abbia a che fare con una certa quantità di theunknown, diciamo, 100 grammi.
40,92 % = 0,4092 x 100 g = 40,92 g di C
4,58 % = 0,058 x 100 g = 4,58 g di H
54,50 % = 0,5450 x 100 g = 54.50 g di O
Siccome gli atomi si combinano su base molare, non in base alle masse, convertire questi grammi di elementi in moli dei diversi elementi.
40,95g C 1 mol C = 3,407 mol C
12,01 g C
4.58g H 1 mol H = 4.54 mol H
1.008 g H
54.5g O 1 mol O = 3.406 mol O
16.00 g O
Questi numeri indicano il numero relativo di moli di ciascuno dei tre elementi nel composto. Possiamo ora scrivere una formula basata su di essi:
C3.407 H4.54O3.40
Tuttavia, gli atomi interi si combinano per formare molecole, non atomi frazionati. Quindi, dividiamo ognuno di questi fattori per il fattore più piccolo, 3,406. Questo dà:
CH1.333O
C’è ancora un pedice frazionario. Trovate un fattore che converta 1,333 in un numero intero:
1,333 x 1 = 1,333
1,333 x 2 = 2,666
1,333 x 3 = 4,000
1,333 x 4 = 5.333
Ora moltiplica tutti i pedici per questo fattore:
C3H4O3
Questa è chiamata formula empirica, che ci dice il numero relativo di ogni tipo di atomo in questa molecola. Questo significa che la molecola potrebbe essere:
C3H4O3
C6H8O6
C9H12O9
in altre parole, (C3H4O3)n
La massa della formula empirica (C3H4O3) è: 3(12,01 g/mol C)
+4(1,008 g/mol H)
+3(16,00 g/mol O)
88,06 g/mol
Questo significa che la massa molecolare sarà un multiplo di questo valore. Se ci viene detto che la massa molecolare è 176,12 g/mol, possiamo determinare la formula molecolare.
(C3H4O3)n =176,12 g/mol
(C3H4O3) = 88,06g/mol
(88,06)n = 176,12
n = 2
Quindi, la formula molecolare sarebbe C6H8O6.
L’uso più comune di questi calcoli è quello di determinare la massa empirica per un composto nuovo o sconosciuto sulla base dei prodotti prodotti prodotti dalla combustione dell’ignoto (reazione di combustione). In questa reazione, tutto il carbonio del composto viene convertito in CO2, anidride carbonica. Tutto l’idrogeno del composto viene convertito in H2O, acqua. La massa del CO2 e dell’H2O sono accuratamente misurate, e poi usate per arrivare a una formula empirica.
11,5 g di un composto sconosciuto vengono bruciati, producendo 22,0 g di CO2 e 13,5 g di H2O. Qual è la formula empirica del composto?
Tutto il carbonio nel CO2 proviene dal campione. Quindi, prima calcola il numero di moli di carbonio nei 22,0 g di CO2.
22,0 g CO2 mol CO2 1 mol C = 0,500 moli C
44,01 g CO2 1 mol CO2
Tutto l’idrogeno nell’acqua proviene dall’incognita, quindi calcola il numero di moli di idrogeno nei 13.5 g di H2O.
13,5 g H2O 1 mol H2O 2 mol H = 1,50 moli H
18,03 g H2O 1 mol H2O
Dobbiamo anche determinare se l’ossigeno presente nel CO2 e nell’H2O proveniva dall’incognita, o se era ossigeno ambientale usato nella reazione di combustione. Per determinarlo, dobbiamo confrontare la massa dello sconosciuto con la massa dell’idrogeno e del carbonio che sappiamo provenire dallo sconosciuto.
massa sconosciuto = massa idrogeno + massa carbonio + massa ossigeno
massa idrogeno = 1,50 mol H 1,0079 g H = 1.51 g H
1 mol H
massacarbonio= 0,500 mol O 12,011 g C =6,00 g O
1 mol C
massaunknown = 11.5 g = 1,51 g + 6,00 g + massaossigeno
massa ossigeno = 4,0 g
Quindi, 4,0 g di ossigeno devono provenire dallo sconosciuto. Convertire questo in moli di ossigeno
4.0 g O 1 molO = 0.25 moli O
15.9994 g O
Ora possiamo determinare la formula empirica dell’incognita. Per prima cosa, sostituisci i numeri di moli calcolati nella formula: