Как найти молярную массу стали

Steel, a common material in modern machinery and consumer goods used for its strength and resistance to corrosion, is an alloy of iron and several other elements, such as carbon or silicon. Although all steel alloys contain iron, the proportion of other elements to iron depends on the type of steel. As a result, the molar mass — a chemical measurement used to state the mass of a defined number of molecules of an element or compound — of steel varies widely depending on the type of steel in question.

Molar Mass in Compounds

Molar mass is a measure of the mass of one mole of any element or compound. Defined by Avogadro’s number, one mole is roughly equivalent to 6.02 x 10 raised to the 23rd, a huge number used to make the infinitesimal mass of a molecule a more practical value in applied chemistry. The molar mass of carbon, for example, would be the mass of 6.02 x 10 raised to the 23rd molecules of carbon. Molar masses are listed on the periodic table of elements under each element, and the molar masses of compounds derived from numerous elements, such as NaCl, can be calculated by adding the molar masses of the two molecules in the compound and multiplying the result by Avogadro’s number.

Molar Mass in Mixtures and Alloys

Strictly speaking, chemical mixtures or alloys, because they involve the physical mixing of elements or compounds without bonding the parts at a molecular level, do not have a molar mass. That being said, all of the chemically discrete constituent parts of a mixture or alloy do have a corresponding molar mass, which can be calculated and used to approximate molar mass for applied calculations in fields such as engineering. As an alloy, steel does not have its own chemical equation, but each variety of steel is made of different percentages of elements. The molar mass of each of these elements, multiplied by the percentage of each element in the alloy and added together to account for 100 percent of the sample, can give you a general idea of what the molar mass of steel would be for theoretical consideration.

The Diversity of Steel

Given its wide range of uses, steel has a significant number of variations, each with its own distinct mixture of iron and other elements. Electrical (silicon) steel, for example, is an alloy containing about 97.6 percent steel, 2 percent silicon and 0.4 percent carbon. All types of steel, however, are predominantly made of iron, with almost all alloys containing over 75 percent iron and the vast majority containing over 90 percent of the element by weight. The varieties of steel used for structural building supports are usually over 99 percent iron. This diversity means physical attributes such as mass vary across types of steel, even though some generalizations are possible.

General Approximation: Molar Mass of Iron

Due to the large percentage of iron contained in all types of steel, the molar mass of iron can provide a general approximation for the mass of steel as a hypothetical compound. According to the periodic table, the molar mass of iron is 55.845 grams/mole. In steel alloys containing less than 1 percent of other elements by weight, this measurement almost will provide the hypothetical molar mass of steel. In cases in which other elements play a larger role in the alloy, the numbers can be adjusted to reflect a certain percentage of other molar masses.

Для того чтобы разобраться с понятием «молярная масса», необходимо вспомнить важный химический термин «моль». Моль тесно связан с химической константой – числом Авогадро и химическим элементом углерод (С), который взят за основу при определении количества вещества, равного 1 молю. Помнить наизусть его значение необязательно, любой электронный или бумажный справочник легко напомнит нам, что число Авогадро (оно обозначается NА) составляет 6,02х10²³. Это число частиц вещества (количество молекул или атомов), которое содержится в одном его моле. Принято считать, что в 1 моле любого химического соединения содержится такое количество вещества, которое содержат 12 г атома углерода.

Простыми словами молярную массу можно идентифицировать как «вес 1 моля химического вещества».

В международной системе единиц СИ в соответствии с принятыми стандартами молярную массу определяют в граммах на моль (г/моль). В определенных случаях ее также указывают в кг/моль, если так удобнее производить расчеты. В процессе решения задач по химии молярную массу обозначают большой буквой «М».

Молярную массу не надо путать с весом молекулы, атома и иона, эти понятия отнюдь не тождественны, хотя их числовые величины могут и совпадать. Далеко не для всех химических веществ молярная масса и молекулярный вес равны друг другу. Молярная и молекулярная массы соединений имеют одинаковые значения для химических веществ, состоящих из атомов.

Рассмотрим это на примере галогена из 7-й группы таблицы Менделеева – хлора (CL):
• атом хлора Cl «весит» 35,5;
• ион хлора Cl^— – 35,5;
• молекула хлора Cl² – 71.
Отличаются между собой эти значения и для другого газа – азота (N₂):
• молекула азота, состоящая из 2 атомов, имеет массу 28;
• атом элемента N – 14.

Вывод напрашивается сам по себе – молярные массы элемента, иона и вещества могут существенно различаться.

Как вычислить молярную массу

Чтобы рассчитать значение молярной массы химического вещества, целесообразно придерживаться следующего алгоритма:

1. Подготовить таблицу Менделеева (она может понадобиться для определения валентности и атомных масс химических элементов).
2. Правильно составить химическую формулу вещества, пользуясь знаниями об основных классах неорганических соединений и их свойствах и сведениями, почерпнутыми из таблицы Менделеева, например:

• углекислый газ – СО₂;
• серная кислота – Н₂SO₄;
• хлорид кальция CaCL₂;
• гидроксид алюминия Al(OH)₃.

Прежде всего при составлении формул соединений необходимо помнить о валентности элементов, из которых они состоят.

1. Определяем молекулярный вес и молярную массу каждого из вышеуказанных химических соединений (вес атомов опять берем в ячейке химического элемента в таблице Менделеева):

• СО₂ – 1 атом углерода (12) + 2 атома кислорода (32) = 44;
• Н₂SO₄ – 2 атома водорода (2) + 1 атом серы (32) + 4 атома кислорода (64) = 98;
• CaCL₂ – 1 атом кальция (40) + 2 атома хлора (71) = 111;
• Al(OH)₃ – 1 атом алюминия (27) + 3 атома водорода (3) + 3 атома кислорода (48) = 78.

Как видно из приведенных примеров, для выполнения необходимых вычислений достаточно сложить значения атомных масс элементов, находящихся в составе сложных веществ. Для простых веществ следует взять этот показатель, относящийся к соответствующему элементу, из таблицы Менделеева, принимая во внимание количество атомов в одной молекуле вещества (индекс в его формуле).

1. Определяем массу одной молекулы каждого из этих неорганических соединений с помощью числа Авогадро:

• m(СО₂) = Мr(СО₂) : NA= 44:6,02·10²³ = 7,3·10²³ г;
• m(H₂SO₄) = Мr(H₂SO₄) : NA= 98:6,02·10²³ = 16,28·10²³ г;
• m(CaCL₂) = Мr(CaCL₂) : NA= 111:6,02·10²³ = 18,5·10²³ г;
• m(Al(OH)₃) = Мr(Al(OH)₃) : NA= 78:6,02·10²³ = 13,0·10²³ г.

Практическое значение молярной массы вещества

Термин «молярная масса» широко используется в таких научных дисциплинах, как химия и физика. Значения молярных масс соединений часто требуется вычислять в химической промышленности при разработке полимерных комплексов и в ряде других ситуаций. Современную фармакологию также трудно представить без проведения расчетов этой величины.

Молярная масса – одно из ключевых понятий при проведении биохимических исследований.

Таким образом, молярную массу необходимо уметь вычислять не только ученым-химикам и сотрудникам химических лабораторий, но и специалистам из ряда других областей науки, фармакологам и работникам ряда отраслей промышленного производства.

Тест по теме “Молярная масса”

Молярная, молекулярная и атомная массы

Молярная масса (для обозначения в формулах используется буква М) — характеристика вещества, отражающая количество граммов, которое содержится в одном его моле. Измеряется эта величина в г/моль. Интересно, что в Международной системе единиц указано, что параметр должен выражаться в кг/моль. Но г/моль является более удобной единицей измерения, поэтому именно она обычно используется на практике.

Эту величину иногда путают с относительной молекулярной массой. Численно они равны, но суть у последней другая. Молекулярная масса показывает, во сколько раз молекула вещества тяжелее атомной единицы массы (а. е. м.). Относительной она называется потому, что в химии вообще не используется понятие абсолютной по причине её чрезвычайной малости. К примеру, абсолютная масса атома водорода — 1,7*10^-24 г, этот параметр просто показывает, во сколько раз молекула тяжелее 1/12 углерода.

За единицу отсчёта атом элемента был взят за нейтральность и широкую распространённость в природе его изотопа. Но учёные не сразу ориентировались на углерод. Сначала были попытки создания водородной шкалы исходя из того, что водород наиболее лёгкий элемент, потом — кислородной. Но когда оказалось, что в природе это вещество является смесью изотопов с массой от 16 до 18, единица стала неприемлемой, поэтому её заменили углеродной.

С массой атомной молярная тоже может быть одинаковой, если простое вещество состоит из одного атома. Для каждого элемента её легко определить по таблице Менделеева — вместе с порядковым номером она указана в ячейке.

Определение атомной массы для каждого химического элемента было непростой задачей. Для этого учёные взвешивали все существующие в земной коре изотопы и вычисляли их среднее значение с учётом процентной распространённости в природе. Что касается синтетических элементов, то их определяли по наиболее стабильному изотопу.

Определение в сложных веществах

Для простых веществ, состоящих из одного атома, параметр считается так же, как для элемента. Молярная масса углерода всегда равна 12. Этот показатель справедлив и для натрия. Как простое вещество, этот мягкий серебристо-белый металл содержит в себе 23 г/моль, а купрум (так на латинском обозначается медь) — 63,5 г/моль. Газ также может состоять из одного элемента, например, гелий, искомый параметр которого 4 г/моль.

Но существуют и газы, которые образованы двумя молекулами (водород, азот, кислород, хлор, фтор и другие) или тремя (озон). Для них нужно не забывать умножать атомную массу на число молекул. Для сложных веществ параметр можно рассчитать аналогичным образом:

1. В H2O содержится два атома водорода и один кислорода, результат считается как 2 * 1 + 16. Итоговое значение молярной массы воды равно 18. Этот параметр для углекислого газа CO2 равен 44 (сумма массы углерода 12 и двух атомов кислорода 32), а для сернистого газа SO2 — 64 г/моль.
2. Органическое вещество метан, формула которого CH4, состоит из одного атома углерода и четырёх водорода, следовательно, ему свойственно значение 16. А у этана, содержащего на одну группу CH2 больше, масса равняется 30 г/моль.
3. В аммиаке NH3 — 17 г/моль.
4. В соляной кислоте HCl содержится 36,5 г/моль (обычно атомную массу хлора считают как 35,5, тогда как для многих других элементов её чаще округляют до целого значения). В хорошо известной калиевой щёлочи KOH — 56 г/моль.
5. В натриевой соли серной кислоты Na2SO4, как следует из химической формулы, находится 142 г/моль, а в алюминиевой (Al2 (SO4)3) — 342 г/моль. В азотнокислом серебре AgNO3 — 170 г/моль, в хлориде калия KCl — 74,5 г/моль.
6. В молекуле сахара, как в быту называют сахарозу, содержится 12 атомов углерода, 22 водорода и 11 кислорода, а это значит, что его масса равна 342 г/моль. В глюкозе 6, 12 и 6 атомов углерода, водорода и кислорода соответственно, а параметр равен 180 г/моль.

Исходя из этого, формулу молярной массы можно вывести следующим образом: М (XxYy) = М (Хx) + М (Yy) = x * М (Х) + y * М (Y). Таким образом, вычислить этот параметр для любого органического или неорганического вещества совсем несложно.

Главное, иметь под рукой таблицу Менделеева, тогда никакие онлайн-калькуляторы не потребуются.

Расчёты в смеси

Задачу можно усложнить, попробовав посчитать этот показатель в смеси, где в разных пропорциях входят различные соединения. Идеальным примером для этого является воздух. В нем можно выделить следующие составляющие:

• 23% кислорода;
• 76% азота;
• 1% аргона.

Искомый параметр будет вычисляться следующим образом: 0,23*32+0,76*28+0,01*40. Результат равен 29,04 г/моль (можно округлить до 29).

Конечно, в воздухе содержатся и другие вещества (углекислый и инертные газы, водород и т. д. ), но их масса составляет менее десятой процента, поэтому для простоты их допускается не учитывать.

Применение в химических задачах

С этим параметром связано множество других формул. Зная его, можно вычислить количество вещества (n). Для этого нужно разделить его фактическую массу на молярную (n = m / M). Чтобы узнать число частиц в нём (N), полученное значение n нужно умножить на константу Авогадро (N A). Получается 6,02*10²³ (N = n * N A) Именно столько структурных единиц содержится в одном моле любого соединения или простого вещества. С другой стороны, зная показатель n, можно найти m по формуле n * M. В итоге получается ещё одна формула: M = m / n.

В учебнике может ждать такая задача: «Найдите массу 0,75 моль азота N2». Начать нужно с нахождения массы одного атома азота. По таблице Менделеева она равняется 14 г. Молекула состоит из двух атомов, следовательно, масса одного моля азота как простого вещества будет иметь значение 28, а масса 0,75 моль — 21 грамм.

Не менее распространена в мире химии физическая величина под названием молярный объём (V m). Её получают как отношение молярной массы к плотности вещества (M /ρ). Размерность этой величины — м³/моль или л/моль (кубический метр или литр на моль). В стандартных условиях для идеального газа её значение принимается за 22,41. Конечно, в реальных условиях наблюдаются отклонения от этого значения, но для решения задач ими можно пренебречь, поскольку они минимальны.

Величину для газа можно найти по формуле M = V m * ρ. Но более правильным будет вычислять её с учётом всех условий по уравнению Менделеева — Клайперона. Оно выглядит следующим образом: p * V = m * R * T / M, где p — давление, V — объём, m — масса, R — константа, равная 8,314, T — температура, M — молярная масса.

Иногда требуется найти параметр для эквивалента (MЭ). Он будет напрямую зависеть от класса соединения и его формулы. Для кислот эквивалентное число (z) соответствует количеству атомов водорода в составе (один для HCl, два для H2SO4, три для H3PO4), для щелочей — групп OH (одна для KOH, две для Ca (OH)2). Для веществ, эквивалент которых равен единице, результат не меняется, для всех остальных МЭ находится как М/ z. Исходя из этого:

• МЭ для HCl равно 36,5 г/моль (один атом водорода), для H2SO4 — 49 г/моль (два атома водорода, следовательно, массу нужно разделить на 2);
• МЭ для KOH равно 51 г/моль, для Ca (OH) 2 — 37 г/моль.

Химия может быть понятной и доступной только для тех, кто последовательно подходит к её изучению и уделяет внимание каждой теме, читая учебники или просматривая видеоуроки. Но старания стоят того, ведь эта наука невероятно важная и интересная, она может дать объяснение составу и строению любого объекта окружающей среды, а на основе этих данных можно узнать практически всё о его свойствах и научиться волшебству превращения одних веществ в другие.