Химия - Учебное пособие (Монич Т.П.)

1.6. вычисление относительных атомных масс

   химических элементов

            Прошло немало лет, прежде чем было осуществлено точное вычисление относительных атомных масс химических элементов. Решающую роль в этом сыграли исследования Гей-Люссака и гипотеза Авогадро.

Французский химик и физик Ж. Гей-Люссак (1778-1850) провел в 1808 г. серию исследований с объемами реагирующих газов. Он обнаружил, что 2 объема водорода реагируют без остатка с 1 объемом кислорода. При этом образуется 2 объема водяного пара. Всегда с 1 объемом водорода реагирует 1 объем хлора с образованием 2 объемов хлороводорода. В опытах температура и давление газообразных веществ до и после реакции оставались неизменными, чтобы сравнивать объемы в одинаковых условиях.

Гей-Люссак был осторожным человеком, приверженцем идеи Бертолле о переменном составе химического соединения. Вероятно, по этой причине он не дал никаких комментариев к полученным им результатам.

В 1811 г. появилась работа итальянского физика Амедео Авогадро (1776-1856), который предположил, что равные объемы любых газов при одинаковой температуре и давлении содержат равное число молекул. Гипотеза Авогадро согласовывалась с опытами Гей-Люссака и давала основания утверждать, что такие газы, как водород, кислород, хлор представляют собой двухатомные молекулы (рис. 3).

Существование двухатомных молекул, состоящих из двух одинаковых атомов, никогда до этого не рассматривалось. Считалось, что между одинаковыми атомами должно быть отталкивание подобное тому, какое наблюдается между одинаковыми зарядами. Если однородные атомы соединяются в молекулы, то возникает вопрос: сколько атомов должно входить в такую молекулу? Сопоставление опытов Гей-Люссака с гипотезой Авогадро давало ответ на этот вопрос (рис. 3).

Рис. 3. Соответствие эксперимента и теории: а) 2 объема водорода и 1 объем кислорода образуют 2 объема газообразной воды (эксперимент); б) 1 объем водорода и 1 объем хлора образуют 2 объема хлороводорода (эксперимент). Реакции с таким соотношением объемов возможны только при условии, что в равных объемах газов содержится равное число молекул (теория) и исходные вещества - двухатомные молекулы

 

На соответствие теории (гипотезы Авогадро) и эксперимента (опыты Гей-Люссака) впервые обратил внимание итальянский химик Станислао Канниццаро (1826-1910). Он сделал доклад на 1 Международном конгрессе химиков в Германии (1860 г.). Его строгий метод нахождения атомных масс был связан с использованием давно забытой работы Авогадро, которая была опубликована еще в 1811 г.

Канниццаро приводил следующие аргументы:

Предположим, что атомная масса водорода равна 1, и газообразный водород состоит из двухатомных молекул Н2, как это следует из экспериментальных исследований Гей-Люссака.

Допустим, что Авогадро сделал правильное предположение о двухатомном строении кислорода О2 и, следовательно, вода должна иметь молекулярную формулу Н2О, а не НО, как это предлагал Дальтон. Поскольку на 1 г водорода приходится 8 г. кислорода (соединительные массы) в молекуле воды, то атомная масса кислорода должна быть равна 16,0; а молекулярная масса - 32,0.

Если в равных объемах всех газов содержится одинаковое число молекул, то молекулярная масса М любого газа оказывается пропорциональной его плотности: М = kD. Для определения коэффициента пропорциональности k можно воспользоваться данными об Н2 и О2.

            Предложенный Канниццаро логический ход рассуждений давал в руки исследователей метод определения атомных масс химических элементов и химических формул. Приведем пример вычисления относительной атомной массы углерода по экспериментальным значениям плотности газообразных химических соединений. Воспользуемся значениями k, вычисленными по плотности газа D и молекулярной массе M (табл. 1). Сколько бы соединений углерода не было проанализировано методом Канниццаро, масса углерода в расчете на 1 моль соединения всегда оказывалась равной 12, то же самое относилось и к другим элементам: масса хлора оказывалась равной 35,5, водорода - 1 и т.д.

 

Т а б л и ц а 1

Определение коэффициента k по плотности и молекулярной массе водорода и кислорода

 

Газ

 

Плотность D, г/л

при 00С (273 К)

Молекулярная

масса М, г/моль

Коэффициент k,*

л/моль

Н2

0,0894

2,0

22,37

О2

1,427

32,0

22,42

Среднее значение

22,4

           * Близкие значения k указывают на обоснованность предположений Канниццаро

 

            Завершился выдающийся этап научных исследований в химии. Он начинался количественными измерениями массы, объема и давления газов, выполненными еще Бойлем. Количественные измерения (взвешивание) позволили Лавуазье установить закон сохранения массы в химических реакциях. Пруст доказал постоянство состава химических соединений, опираясь на количественные измерения процентного содержания элементов в соединениях, а Дальтон установил закон кратных отношений и по праву признается создателем атомистического учения. Он не сомневался в существовании атомов и предложил метод определения относительной атомной массы по водороду.

            Перед химиками открылась возможность использования метода Канниццаро для точного вычисления относительных атомных масс элементов и химических формул газообразных химических соединений.

**Для  n моль газов справедливы:

Закон Бойля-Мариотта:   V~1/Р   (при постоянных Т и n)

Закон Гей-Люссака:        V~T       (при постоянных Р и n)

Закон Авогадро:             V~n        (при постоянных Р и Т)

            Следовательно, объем газа должен быть пропорционален произведению всех трех величин, от которых он зависит:

V~nT/P

Введем коэффициент пропорциональности R,тогда

PV=nRT

Получили хорошо известное уравнение состояния идеального газа, где R= 8,314 Дж/моль×К. Уравнение позволяет вычислить молярную массу (М) соединения, если известны объем V [м3], давление P [Па], температура T [К] и масса газа m [кг] (все размерности приведены в системе СИ):

M =mRT /PV/, где n=m/M

Подпись: 1 моль - это количество вещества, содержащее столько частиц, сколько атомов углерода со-держится в 0,012 кг атома 12С, n = N/NA, где N – число частиц, NA – число Авогадро.             Зная молярную массу, нетрудно ввести понятие «моль», которое является единицей измерения количества вещества.

 

**Была также преодолена проблема определения относительных атомных масс нелетучих веществ, прежде всего, металлов, которые трудно получить в газообразном состоянии из-за их низкой летучести (высокой температуры кипения).

Дюлонг и Пти установили, что молярные теплоемкости (С) твердых веществ, для которых были известны относительные атомные массы, имеют значения, близкие к 25 Дж/моль×град. (СМ = 25 Дж/моль×град). Вспомним, что теплоемкость – это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус; если 1 молем вещества – это молярная теплоемкость, если 1г вещества – удельная теплоемкость. Достаточно было определить удельную теплоемкость Cуд [Дж/г×град], например, чистого металла, чтобы затем вычислить относительную атомную массу металла (Аr) по уравнению:

СМ = 25 [Дж/моль×град] = Аr Cуд [Дж/г×град]

Пример. Измерения удельной теплоемкости серебра показали, что эта величина равна 0,233 Дж/г×град. Определить Аr серебра

Решение

Аr=25 [Дж/моль×град] /0,233 [Дж/г×град]= 107 [г/моль].

            Надежный метод определения относительных атомных масс позволил подойти к открытию периодического закона и составить периодическую систему химических элементов.