3.8: Pojęcia dotyczące masy i mola związków

Wzór na masę związków kowalencyjnych

Wzory chemiczne przedstawiają pierwiastkowy skład substancji. W przypadku związków kowalencyjnych, wzór przedstawia liczbę i rodzaje atomów tworzących pojedynczą cząsteczkę substancji; dlatego masa wzoru może być poprawnie określana jako masa cząsteczkowa. Wzór cząsteczkowy związku kowalencyjnego chloroform (CHCl3) wskazuje, że pojedyncza cząsteczka zawiera jeden atom węgla, jeden atom wodoru i trzy atomy chloru. Średnia masa cząsteczkowa cząsteczki chloroformu jest równa sumie średnich mas atomowych tych atomów:

Wzór na masę związków jonowych

Związki jonowe składają się z oderwanych kationów i anionów, których proporcje pozwalają uzyskać elektrycznie obojętną materię. Wzór na masę związku jonowego oblicza się w taki sam sposób, jak wzór na masę dla związków kowalencyjnych: poprzez zsumowanie średnich mas atomowych wszystkich atomów we wzorze związku. Wzór związku jonowego nie przedstawia jednak składu odrębnej cząsteczki, dlatego nie można go poprawnie nazwać „masą cząsteczkową”.

Na przykład zwykła sól kuchenna lub chlorek sodu (NaCl) to związek jonowy składający się z kationów sodu (Na+) i anionów chlorkowych (Cl-) połączonych w stosunku 1:1. Wzór na masę tego związku oblicza się poprzez dodanie średnich mas atomowych jego pierwiastków składowych:

Przy obliczaniu wzoru na masę związku jonowego stosowano średnie masy obojętnych atomów sodu i chloru, a nie masy kationów sodu i anionów chlorkowych. Chociaż kation sodu ma nieco mniejszą masę niż atom sodu (ponieważ brakuje mu elektronu), różnica ta zostanie zrównoważona przez to, że anion chlorkowy jest nieco bardziej masywny niż atom chloru (ze względu na dodatkowy elektron). Co więcej, masa elektronu jest zaniedbywalnie mała w porównaniu z masą typowego atomu.

Skład w procentach masowych

Skład pierwiastkowy związku określa jego tożsamość chemiczną, a wzory chemiczne są najbardziej zwięzłym sposobem przedstawienia tego składu pierwiastkowego. Procent masowy każdego pierwiastka w związku nazywany jest procentem masowym tego konkretnego pierwiastka. Skład procentowy można obliczyć, dzieląc masę każdego pierwiastka przez całkowitą masę związku, a następnie przeliczając go na procent.

Skład procentowy jest przydatny do oceny względnej obfitości danego pierwiastka w różnych związkach o znanych wzorach. O ile znany jest wzór cząsteczkowy lub empiryczny danego związku, skład procentowy można wyprowadzić z mas atomowych lub molowych pierwiastków związku.

Na przykład jedna cząsteczka kwasu azotowego (HNO3) zawiera jeden atom azotu o masie 14,01 u, jeden atom wodoru o masie 1,008 u i trzy atomy tlenu o masie (3 × 16,00 u) = 48,00 u. Wzór na masę kwasu azotowego wynosi zatem (14,01 u + 1,008 u + 48,00 u) = 63,02 u, a jego skład procentowy to:

Najmniejszą reprezentatywną jednostką związku jest cząsteczka (lub jednostka wzoru), przedstawiona wzorem chemicznym.

Masy atomowe wszystkich atomów we wzorze chemicznym, jeśli są dodane, dają masę cząsteczkową (lub masę wzoru) związku, mierzoną w jednostce masy atomowej.

Na przykład, aby znaleźć masę cząsteczkową sacharozy lub cukru stołowego, masę atomową każdego pierwiastka mnoży się przez liczbę atomów odpowiedniego pierwiastka. Suma całkowita daje masę cząsteczkową sacharozy.   

Masa wszystkich cząsteczek (lub jednostek wzoru) obecnych w jednym molu związku chemicznego nazywana jest jego masą molową, mierzoną w g/mol.

Masa molowa związku jest liczbowo równa jego masie cząsteczkowej (lub masie wzoru). Na przykład sacharoza o masie cząsteczkowej 342,3 amu będzie miała masę molową 342,3 g/mol.

Znajomość rzeczywistej liczby cząsteczek lub cząstek obecnych w substancji chemicznej ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia jej składu, interakcji i kombinacji. 

Jednak w danej próbce związku liczenie rzeczywistej liczby cząsteczek zwykłymi metodami jest niepraktyczne. Wykorzystując zależność między masą molową, molem i liczbą Avogadro, można obliczyć całkowitą ilość obecnych cząsteczek.

Zgodnie z tą koncepcją masa molowa związku jest równa jednemu molowi związku, stanowiącemu 6,022 × 10²³ cząstki. Dlatego 342,3 grama sacharozy zawiera 6,022 × 10²³ cząsteczki sacharozy.

Jeśli jednak próbka sacharozy waży na przykład 150 gramów, liczbę cząsteczek można określić za pomocą obliczeń przy użyciu metody mnożenia krzyżowego. Wynik pokazuje, że 150 gramów sacharozy stanowi 2,63 × 10²³ cząsteczki sacharozy.   

Zawartość procentową każdego pierwiastka w związku można wyrazić za pomocą wartości procentowej masy. Aby obliczyć, masa pierwiastka w jednym molu związku jest dzielona przez całkowitą masę jednego mola związku i przeliczana na procent.

W praktyce, aby obliczyć procent masowy wodoru w sacharozy, we wzorze uwzględniono całkowitą masę atomów wodoru i całkowitą masę cząsteczek sacharozy. Obliczona wartość pokazuje, że sacharoza zawiera 6,4 procenta masowego wodoru.