เกรด 10 · ทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล
อนุภาคและปริมาณสาร
มวลโมเลกุล โมล จำนวนอนุภาค และจำนวนอนุภาคต่อหน่วยปริมาตร
อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ
ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น
ตัวอย่างสองชนิดมีปริมาณชนิดละหนึ่งโมล แต่ตัวอย่างหนึ่งหนักกว่าอย่างชัดเจน แล้วสิ่งใดเท่ากัน? เราจะหาวิธีนับอนุภาคจากมวล โดยไม่ต้องนับโมเลกุลทีละตัว
นับจำนวนที่มหาศาล
ลูกเหล็กสิบลูกมีมวลมากกว่าลูกพลาสติกสิบลูก แม้มีจำนวนเท่ากัน สำหรับอะตอมและโมเลกุลก็สะดวกที่จะกำหนดหน่วยนับขนาดใหญ่ โมลเป็นหน่วยของปริมาณสารที่มีอนุภาคซึ่งระบุชนิดไว้เป็นจำนวนคงที่ ต้องบอกก่อนว่านับอะไร เช่น อะตอม โมเลกุล ไอออน หรือหน่วยอื่น โมเลกุลออกซิเจนหนึ่งโมลมีอะตอมออกซิเจนสองโมล เพราะแต่ละโมเลกุลมีสองอะตอม
ค่าคงตัวของอาโวกาโดร
ใช้ \nu แทนปริมาณสาร มีหน่วยเป็นโมล ตามนิยาม หนึ่งโมลมีอนุภาคชนิดที่ระบุจำนวนเท่ากับ 6{,}02214076\cdot10^{23} พอดี ค่าคงตัวอาโวกาโดร N_A เท่ากับจำนวนนี้ต่อโมล ในการคำนวณระดับโรงเรียนมักใช้ 6{,}02\cdot10^{23}\,\text{моль}^{-1} ค่านี้กำหนดขนาดของหน่วยนับ ไม่ใช่มวลอนุภาค ครึ่งโมลมีอนุภาคครึ่งหนึ่งของจำนวนนี้ ไม่ว่าอนุภาคจะเบาหรือหนัก
หนึ่งโมลกับหนึ่งอนุภาค
ชั่งมวลของอนุภาคชนิดที่กำหนดหนึ่งโมล แล้วเรียกมวลต่อหนึ่งโมลนี้ว่ามวลต่อโมล M มีหน่วย kg/mol ถ้าอนุภาคเหมือนกัน การหารมวลนี้ด้วยจำนวนอนุภาคจะให้มวลของหนึ่งอนุภาค m_0=M/N_A ในหน่วย kg อนุภาคที่หนักกว่ามีมวลต่อโมลมากกว่า สำหรับส่วนผสมไอโซโทปตามธรรมชาติ ค่า M ในตารางอ้างถึงองค์ประกอบเฉลี่ย และ m_0 ที่หาได้คือมวลเฉลี่ยของอนุภาคชนิดนั้นในตัวอย่าง
มวลสัมพัทธ์
มวลโมเลกุลในหน่วยกิโลกรัมมีค่าน้อยมากจนใช้งานไม่สะดวก จึงเปรียบเทียบกับหน่วยมวลอะตอม ซึ่งเท่ากับหนึ่งในสิบสองของมวลอะตอมคาร์บอน-12 อัตราส่วนของมวลโมเลกุลต่อหน่วยนี้เรียกว่ามวลโมเลกุลสัมพัทธ์ M_r และไม่มีมิติ ในการประมาณระดับโรงเรียน ให้รวมมวลสัมพัทธ์ของอะตอมที่ประกอบกัน สำหรับน้ำ ไฮโดรเจนสองอะตอมกับออกซิเจนหนึ่งอะตอมให้ค่าประมาณ 2\times1+16=18 จำนวน 18 นี้ไม่ได้หมายถึง 18 kg หรือ 18 mol
จากมวลสัมพัทธ์สู่มวลต่อโมล
จะเชื่อมมาตราส่วนสัมพัทธ์นี้กับปริมาณที่ชั่งได้อย่างไร? ที่ความแม่นยำระดับโรงเรียน ค่าตัวเลขของมวลต่อโมลในหน่วย g/mol เท่ากับ M_r นั่นคือ M\approx M_r\,\text{г/моль} สำหรับน้ำ M_r\approx18 จึงได้ M\approx18 g/mol = 0.018 kg/mol นี่เป็นความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณต่างชนิดโดยระบุหน่วยและการประมาณ ไม่ได้แปลว่าเป็นปริมาณเดียวกัน หากมวลตัวอย่างอยู่ในหน่วยกิโลกรัม แต่แทน 18 แทนที่จะเป็น 0.018 จะผิดไปหนึ่งพันเท่า
มวล โมล และอนุภาค
ตัวอย่างมีมวล m และมีอนุภาค N ตัว จะมีปริมาณสารกี่โมล? วิธีใช้มวลคือหารมวลตัวอย่างด้วยมวลต่อโมล \nu=m/M วิธีใช้จำนวนคือหารจำนวนอนุภาคด้วยจำนวนต่อโมล \nu=N/N_A รวมเป็นความสัมพันธ์ \nu=m/M=N/N_A หน่วยมวลใน m และ M ต้องตรงกัน เมื่อเพิ่มมวลของสารชนิดเดิมเป็นสองเท่า ปริมาณสารในหน่วยโมลก็เพิ่มเป็นสองเท่า
ตัวอย่างมีอนุภาคเท่าใด?
ตอนนี้เรานับอนุภาคที่มองไม่เห็นได้ด้วยการชั่งมวล N=\nu N_A=(m/M)N_A จำนวน N ไม่มีหน่วยทางกายภาพ สำหรับสารชนิดเดิม การเพิ่มมวลเป็นสองเท่าทำให้ N เพิ่มเป็นสองเท่า แต่เมื่อมวลคงเดิม มวลต่อโมลที่มากขึ้นหมายถึงจำนวนอนุภาคที่น้อยลง เช่นเดียวกับลูกบอล มวลรวมที่กำหนดจะมีลูกหนักได้น้อยกว่าลูกเบา ตัวอย่างที่มีมวลศูนย์ให้จำนวนอนุภาคศูนย์ตามที่ควรเป็น
อนุภาคต่อหน่วยปริมาตร
จำนวนอนุภาคเพียงอย่างเดียวไม่บอกว่าอนุภาคอยู่หนาแน่นเพียงใด ต้องหารจำนวนด้วยปริมาตรที่ครอบครอง จึงได้จำนวนอนุภาคต่อหน่วยปริมาตร n=N/V มีหน่วย m⁻³ เมื่อ V อยู่ในหน่วย m³ ถ้าอัดตัวอย่างที่ปิดสนิทให้เหลือครึ่งปริมาตรโดยไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี N จะเท่าเดิม แต่ n เพิ่มเป็นสองเท่า หากเพิ่มทั้งจำนวนอนุภาคและปริมาตรเป็นสองเท่า จำนวนอนุภาคต่อหน่วยปริมาตรจะไม่เปลี่ยน แยกให้ชัดว่า N คือจำนวน \nu คือปริมาณสารในหน่วยโมล และ n คือจำนวนต่อหน่วยปริมาตร
แบบจำลองแก๊สอุดมคติ
เราลดความซับซ้อนอะไรได้ในแก๊สที่เจือจางเพียงพอ? อนุภาคอยู่ห่างกันมากเมื่อเทียบกับขนาดของมัน และใช้เวลาส่วนใหญ่เคลื่อนที่ระหว่างการชน แบบจำลองแก๊สอุดมคติละเลยปริมาตรของอนุภาคเองและอันตรกิริยานอกช่วงการชนแบบยืดหยุ่น การอัดมากหรือภาวะใกล้ควบแน่นทำให้สมมติฐานเหล่านี้แม่นยำน้อยลง แบบจำลองยังคงจำนวนและการเคลื่อนที่ของอนุภาคไว้ เพื่อใช้อธิบายความดันและอุณหภูมิ
พิจารณาทีละขั้น
ตัวอย่างมีน้ำ 0.036 kg มวลต่อโมลของน้ำคือ 0.018 kg/mol ตัวอย่างมีโมเลกุลเท่าใด? ใช้ NA≈6.02·10²³ mol⁻¹
ลองดูตัวอย่าง · 1
เริ่มจากหาปริมาณสารจากมวล ν=m/M
ลองดูตัวอย่าง · 2
ν=0,036/0,018=2 моль.
ลองดูตัวอย่าง · 3
จำนวนโมเลกุลคือ N=νNA=2×6.02·10²³=1.204·10²⁴
ลองดูตัวอย่าง · 4
ตรวจสอบ: สองโมลต้องมีโมเลกุลเป็นสองเท่าของหนึ่งโมล
ตรวจสอบผลลัพธ์
ตัวอย่างมีโมเลกุลน้ำประมาณ 1.20·10²⁴ โมเลกุล มวล 36 g แบ่งได้เป็นสองส่วน ส่วนละ 18 g จึงมีสองโมล จำนวนอะตอมเป็นสามเท่าของจำนวนโมเลกุล เพราะน้ำแต่ละโมเลกุลมีสามอะตอม
ประเด็นสำคัญ · 1
โมลใช้บอกจำนวนอนุภาคที่ระบุ ส่วนมวลต่อโมลเชื่อมจำนวนนี้กับการชั่ง ปริมาณสารเท่ากันในหน่วยโมลไม่ได้หมายถึงมวลเท่ากัน
ประเด็นสำคัญ · 2
ลำดับ m → ν → N แยกมวลตัวอย่าง ปริมาณสาร และจำนวนอนุภาคออกจากกัน สำหรับ m/M หน่วยมวลต้องตรงกัน
ประเด็นสำคัญ · 3
การอัดโดยไม่มีการรั่วเพิ่มจำนวนอนุภาคต่อหน่วยปริมาตร n = N/V โดยไม่ได้สร้างอนุภาคใหม่ แบบจำลองแก๊สอุดมคติต้องใช้กับแก๊สที่เจือจางเพียงพอ
เรียนอะไรต่อ
ต่อไปจะใช้การเคลื่อนที่ของอนุภาคอธิบายความดันและอุณหภูมิของแก๊ส
แนวคิดพื้นฐาน
โมล
หน่วยเอสไอของปริมาณสาร หนึ่งโมลมีอนุภาคชนิดที่ระบุจำนวน 6.02214076·10²³ พอดี
โมลเป็นหน่วยนับอนุภาคขนาดเล็กที่สะดวก หาจำนวนอนุภาคได้โดยคูณปริมาณสารกับค่าคงตัวอาโวกาโดร
แก๊สอุดมคติ
แบบจำลองแก๊สที่ถือว่าอนุภาคเป็นจุดและมีอันตรกิริยากันเฉพาะในการชนแบบยืดหยุ่น
แบบจำลองนี้อธิบายแก๊สที่เจือจางเพียงพอได้ดี เมื่อละเลยปริมาตรของโมเลกุลเองและแรงดึงดูดระหว่างกันได้
ปริมาณทางฟิสิกส์
มวลของอนุภาคหนึ่ง
m_0มวลของโมเลกุลหรืออะตอมเดี่ยวๆ
หน่วย: กิโลกรัม · \mathrm{кг}
มวลต่อโมล
Mมวลของสารหนึ่งโมล
หน่วย: กิโลกรัมต่อโมล · \frac{\mathrm{кг}}{\mathrm{моль}}
มวลโมเลกุลสัมพัทธ์
M_rอัตราส่วนของมวลของโมเลกุลต่อหน่วยมวลอะตอม
หน่วย: ปริมาณไร้มิติ
ค่าคงตัวของอาโวกาโดร
N_Aอัตราส่วนของจำนวนอนุภาคชนิดที่ระบุต่อปริมาณสาร มีหน่วยเป็นส่วนกลับของโมล
หน่วย: ส่วนกลับของโมล · \frac{1}{\mathrm{моль}}
จำนวนอนุภาค
Nจำนวนอนุภาคในระบบที่อยู่ระหว่างการพิจารณา
หน่วย: ปริมาณไร้มิติ
ปริมาณสาร
\nuจำนวนโมลของสาร
หน่วย: โมล · \mathrm{моль}
จำนวนอนุภาคต่อหน่วยปริมาตร
nจำนวนอนุภาคต่อหน่วยปริมาตร
หน่วย: ส่วนกลับของลูกบาศก์เมตร · \frac{1}{\mathrm{м}^3}
สูตรบทเรียน
มวลของอนุภาคหนึ่ง
m_0=\frac{M}{N_A}มวลของอนุภาคหนึ่งมีค่าเท่ากับมวลต่อโมลหารด้วยค่าคงตัวอาโวกาโดร
มวลต่อโมลและมวลสัมพัทธ์
M\approx M_r\,\frac{\mathrm{г}}{\mathrm{моль}}ที่ความแม่นยำระดับโรงเรียน ค่าตัวเลขของมวลต่อโมลในหน่วยกรัมต่อโมลเท่ากับมวลโมเลกุลสัมพัทธ์
จำนวนอนุภาค
N=\frac{m}{M}N_A=\nu N_Aจำนวนอนุภาคถูกกำหนดโดยมวลหรือปริมาณของสาร
ปริมาณสาร
\nu=\frac{m}{M}=\frac{N}{N_A}ปริมาณของสารสามารถหาได้จากมวลหรือจำนวนอนุภาค
จำนวนอนุภาคต่อหน่วยปริมาตร
n=\frac{N}{V}จำนวนอนุภาคต่อหน่วยปริมาตรคือจำนวนอนุภาคต่อหน่วยปริมาตร
ค่าคงตัวของอาโวกาโดร
N_A\approx6{,}02\cdot10^{23}\,\mathrm{моль}^{-1}ใช้ค่าปัดเศษในการคำนวณ ค่าคงตัวอาโวกาโดรที่แน่นอนคือ 6.02214076·10²³ mol⁻¹
สูตรที่เกี่ยวข้อง
สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย
โจทย์ในหัวข้อนี้
โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ