Prelegerea 3
Masa atomică
Compușii covalenți sunt substanțe care se formează atunci când atomii nemetalici se combină chimic. Majoritatea compușilor au o compoziție atomică fixă. Formula unei substanțeprecizează compoziția sa atomică. De exemplu,glucoza, un zahăr simplu, are formula C6H12O6. Aceasta înseamnă că, în fiecare moleculă de glucoză, 6 atomi de carbon sunt legați de 12 atomi de hidrogen și 6 atomi de oxigen. Teoretic, am putea combina elementele C, Oși H în proporțiile corecte și am putea obține o moleculă de glucoză. Carbonul, în starea sa cea mai comună, există sub formă solidă, grafitul. Oxigenul există sub forma moleculei de gaz diatomic, O2, iar hidrogenul există sub forma gazului diatomic H2.
Cel mai mic grăunte detectabil de grafit ar conține aproximativ 1 x 1016 atomi de carbon, deci nu vom putea cântări un singur atom. Ceea ce s-a făcut, în schimb, este să se atribuie o valoare masei unui atom de carbon. Prin definiție, masa atomică a 12C (carbon cu 6 protoni și 6 neutroni) a fost stabilită la 12 amu (unități de masă atomică). Cu toate acestea, atunci când căutați masa atomică a carbonului într-un tabel, aceasta este afișată ca fiind de 12,01 amu. Acest lucru se datorează faptului că carbonul există sub formă de mai mulți izotopi diferiți. Cei mai comuni izotopi ai carbonului sunt 12C și 13C (6 protoni și 7 neutroni). Valoarea amu a 13C a fost determinată la 13,00335 amu. Este mai greu decât 12C pentru că are un neutron în plus și pentru că neutronii au mase ușor mai mari decât protonii. 12C este mai abundent (98,9%) decât 13C (1,10%), motiv pentru care masa indicată a C este mai apropiată de 12 (12,01) decât de 13,00335. Masa atomică listată reprezintă o masă atomică medie a carbonului natural. Ea a fost calculată după cum urmează:
masa atomică medie a C = (.9890)(12 amu) + (.01100)(13.00335) = 12.01 amu
Niciun atom real de carbon nu are o masă de 12.01 amu. Majoritatea atomilor de carbon au o masă atomică de 12 amu și câțiva au o masă atomică de 13,00335 amu. Masa atomică a lui H a fost determinată ca fiind de 1,0079amu, iar cea a lui O ca fiind de 15,9994 amu. Din nou, acestea sunt valori medii ale izotopilor comuni ai acestor elemente.
Numărul lui Avogadro și masa molară
Acum avem o măsură a maselor relative ale elementelor. Ar fi util din punct de vedere practic să convertim cumva amu în grame, o unitate pe care o putem măsura efectiv. Chiar și cea mai mică mostră a unui element conține un număr enorm de atomi. Prin urmare, ar fi convenabil să avem o unitate specială, care să descrie un număr foarte mare de atomi. Această unitate se numește mol și este unitatea de măsură SI. Hârtia se vinde la teancuri (500 de coli), ouăle se vând la duzină (12), atomii și moleculele se măsoară în moli. Un mol este definit ca fiind numărul de atomi de 12C din exact 12 grame de 12C. Acest număr a fost determinat, experimental, ca fiind 6,022 x 1023 și se numește numărul lui Avogadro, NA.
6,022 x 1023atomi 12C = 12 g 12C
1 atom 12C= 12 amu
6,022 x 1023atomi = 1 mol atomi
Cu acești factori de conversie, putem determina masa unui singur atom de 12C.
12g 12C 12C 6,022 x 1023 atomi =12 g/mol = masa molară a 12C
6,022 x 1023atomi 1 mol
Masele atomice pentru toate elementele au fostentabulate ca amu. Acest număruam este, de asemenea, masa molară, în g/mol, a fiecărui element.
Deci, dacă am cântărit o mostră de 12,01 g de carbon, am avea 6,022 x 1023 atomi de carbon în mostra noastră. Dacă ne uităm la formula noastră pentru glucoză (C6H12O6)putem vedea că avem nevoie de două ori mai mulți atomi de H decât atomi de C. Eșantionul nostru de 12,01 g de carbon conține 1 mol de atomi de carbon. Prin urmare, vom avea nevoie de 2 moli de atomi de H. Câte grame de atomi de H ar fi aceasta? Putem folosi factorul de conversie care leagă amu de grame/mol dintr-o substanță.
2mol H 1,0079 g H = 2,0158 g H
mol H
Cât oxigen ar fi necesar? Formula indică faptul că pentru fiecare mol de carbon avem nevoie de un mol de oxigen. Așadar, vom avea nevoie de 1 mol de atomi de O.
1 mol O 15,9994g O = 15.9994 g O
mol O
Materialele noastre de plecare ar cântări 12,01g + 2,0158g + 15,9994g = 30,03 g.
Aceasta ar fi și masa glucozei care ar putea fi obținută din aceste elemente. Câți moli și câte molecule de glucoză ar fi aceasta?
Masa unei molecule de glucoză, C6H12O6,ar fi suma maselor atomice ale elementelor sale:
6 x 12,011 (amu de C) + 12 x 1,0079 (amu de H) + 6 x 15,9994(amu de O) = 180,157 amu
180,157 amu = 180.157 g/mol
30.03 g glucoză 1 mol glucoză = 0,1667 moli de glucoză
180.157 g glucoză
0,1667moli de glucoză 6,022 x 1023molecule de glucoză = 1.004 x 1023 molecule de glucoză
mol glucoză
Compoziție procentuală
Un alt mod de a descrie compoziția unei substanțe este în termeni de compoziție procentuală, procentul, în masă, al elementelor din acea substanță. Aceasta este o informație care poate fi obținută în mod experimental și care poate fi utilizată pentru a obține formula empirică a unui compus, după cum se va discuta mai jos. Pentru moment, să definim ce se înțelege prin compoziție procentuală prin determinarea compoziției procentuale a nitritului de sodiu, NaNO2. Mai întâi, calculăm masa molară:
masă molară = 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
Compoziția procentuală a elementelor este atunci:
% 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
Este posibil să se utilizeze această metodă pentru a determina formula unei substanțe necunoscute.
Analiza unui compus necunoscut arată următoarea compoziție procentuală:
40,92% carbon, în greutate
4,58% hidrogen, în greutate
54.50 % oxigen, în greutate
În primul rând, să presupunem că avem de-a face cu o anumită cantitate de necunoscut, să zicem, 100 de grame.
40,92 % = 0,4092 x 100 g = 40,92 g de C
4,58 % = 0,058 x 100 g = 4,58 g de H
54,50 % = 0,5450 x 100 g = 54.50 g O
Din moment ce atomii se combină pe bază molară, nu după mase,convertiți aceste grame de elemente în moli de diferiteelemente.
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
Aceste numere indică numărul relativ de moli pentru fiecare dintre cele trei elemente din compus. Acum putem scrie o formulă bazată pe ele:
C3.407 H4.54O3.40
Cu toate acestea, atomii întregi se combină pentru a forma molecule, nu atomi fracționari. Deci, împărțiți fiecare dintre acești factori cu cel mai mic factor, 3,406. Acest lucru dă:
CH1.333O
Există încă un indice fracționar. Găsiți un factor, care va converti 1,333 în număr întreg:
1.333 x 1 = 1.333
1.333 x 2 = 2.666
1.333 x 3 = 4.000
1.333 x 4 = 5.333
Înmulțiți acum toate indicele cu acest factor:
C3H4O3
Aceasta se numește formula empirică, care ne spune numărul relativ al fiecărui tip de atom din această moleculă. Aceasta înseamnă că molecula ar putea fi:
C3H4O3
C6H8O6
C9H12O9
cu alte cuvinte, (C3H4O3)n
Formula empirică a masei (C3H4O3)este: 3(12,01 g/mol C)
+4(1,008 g/mol H)
+3(16,00 g/mol O)
88,06 g/mol
Acest lucru înseamnă că masa moleculară va fi un multiplu al acestei valori. Dacă ni se spune că masa moleculară este de 176,12 g/mol, putem determina formula moleculară.
(C3H4O3)n =176,12 g/mol
(C3H4O3) = 88,06g/mol
(88,06)n = 176,12
n = 2
Acum, formula moleculară ar fi C6H8O6.
Cea mai frecventă utilizare a acestor calcule este aceea de a determina masa empirică pentru un compus nou sau necunoscut pe baza produselor obținute prin arderea necunoscutei (reacție de combustie). În această reacție, tot carbonul din compus este transformat în CO2, dioxid de carbon. Tot hidrogenul din compus se transformă în H2O, apă. Masele de CO2 și H2O sunt măsurate cu atenție și apoi folosite pentru a obține o formulă empirică.
11,5 g dintr-un compus necunoscut sunt arse, producând 22,0 g de CO2 și 13,5 g de H2O. Care este formula empirică a compusului?
Toată cantitatea de carbon din CO2 provine din eșantion. Deci, mai întâi calculați numărul de moli de carbon din cele 22,0 g de CO2.
22,0 g CO2 mol CO2 1 mol C = 0,500 moli C
44,01 g CO2 1 mol CO2
Toată cantitatea de hidrogen din apă a provenit din necunoscută, deci calculați numărul de moli de hidrogen din cele 13.5 g de H2O.
13,5 g H2O 1 mol H2O 2 mol H = 1,50 moli H
18,03 g H2O 1 mol H2O
De asemenea, trebuie să determinăm dacă o parte din oxigenul din CO2 și H2O a provenit din necunoscută sau dacă a fost oxigenul din mediul înconjurător folosit în reacția de ardere. Pentru a determina acest lucru, trebuie să comparăm masa necunoscutei cu masa hidrogenului și a carbonului care știm că provin din necunoscută.
masa necunoscutei = masa hidrogenului +masa carbonului + masa oxigenului
masa hidrogenului = 1,50 mol H 1,0079 g H = 1.51 g H
1 mol H
masăcarbon= 0,500 mol O 12,011 g C =6,00 g O
1 mol C
masă necunoscută = 11.5 g = 1,51 g + 6,00 g + masăoxigen
masăoxigen = 4,0 g
Deci, 4,0 g de oxigen trebuie să fi provenit din necunoscut. Convertiți acest lucru în moli deoxigen
4,0 g O 1 molO = 0,25 moli O
15,9994 g O
Acum putem determina formula empirică a necunoscutei. Mai întâi,înlocuiți numerele calculate de moli în formula:
.