Масса и размер атомов и молекул являются фундаментальными характеристиками, которые важны для понимания их физико-химических свойств.
## Масса и размеры атомов
### Масса атомов
Масса атомов определяется в атомных единицах массы (а.е.м.), где 1 а.е.м. = 1/12 массы атома углерода-12. Типичные массы атомов колеблются от около 1 а.е.м. (в случае водорода) до нескольких сотен а.е.м. для самых тяжелых элементов. Для примера:
— Водород (H): ~1 а.е.м.
— Углерод (C): ~12 а.е.м.
— Кислород (O): ~16 а.е.м.
— Железо (Fe): ~56 а.е.м.
— Свинец (Pb): ~207 а.е.м.
### Размеры атомов
Размеры атомов измеряются в пикометрах (пм) или ангстремах (Å), где 1 Å = 100 пм. Радиус атома может варьировать в зависимости от элемента и химической среды, но обычно составляет около 30-300 пм (0.3-3 Å). Например:
— Радиус водорода: ~53 пм
— Радиус углерода: ~70 пм
— Радиус кислорода: ~60 пм
— Радиус железа: ~140 пм
## Масса и размеры молекул
### Масса молекул
Масса молекул вычисляется как сумма масс всех атомов, входящих в состав молекулы. Например:
— Масса молекулы воды (H₂O): ~18 а.е.м. (2 × 1 а.е.м. для водорода + 16 а.е.м. для кислорода).
— Масса молекулы углекислого газа (CO₂): ~44 а.е.м. (12 а.е.м. для углерода + 2 × 16 а.е.м. для кислорода).
— Масса молекулы сахара (глюкозы, C₆H₁₂O₆): ~180 а.е.м. (6 × 12 а.е.м. для углерода + 12 × 1 а.е.м. для водорода + 6 × 16 а.е.м. для кислорода).
### Размеры молекул
Размеры молекул зависят от их структуры и могут значительно варьировать. Молекулы часто измеряются в нанометрах (нм), где 1 нм = 10 Å. Например:
— Молекула воды (H₂O): Диаметр около 0.275 нм.
— Молекула метана (CH₄): Диаметр около 0.38 нм.
— ДНК (двойная спираль): Диаметр около 2.0 нм, длина молекулы может достигать нескольких сантиметров.
### Примеры крупных биомолекул
— Белки: могут быть весьма крупными, например, гемоглобин имеет размеры около 5.5 нм.
— Вирусы: например, вирус гепатита В имеет диаметр около 42 нм.
## Заключение
Размеры и масса атомов и молекул являются ключевыми характеристиками, которые влияют на их поведение и взаимодействия. Эти характеристики важны для понимания множества процессов в химии, физике и биологии, и их изучение помогает нам лучше понимать природу материи.
### Домашнее задание по теме: «Масса и размеры атомов и молекул»
#### Часть 1. Масса атомов
1. Определите атомные массы следующих элементов:
— Водород (H)
— Углерод (C)
— Кислород (O)
— Натрий (Na)
— Хлор (Cl)
2. Рассчитайте среднюю массу атомов следующих молекул:
— Метан (CH₄)
— Этанол (C₂H₅OH)
— Диоксид углерода (CO₂)
— Хлористый натрий (NaCl)
3. Почему атомная масса углерода-12 (¹²C) используется в качестве эталона для определения атомных единиц массы (а.е.м.)?
#### Часть 2. Размеры атомов
4. Найдите атомные радиусы следующих элементов в пикометрах (пм):
— Литий (Li)
— Азот (N)
— Сера (S)
— Йод (I)
#### Часть 3. Масса и размеры молекул
6. Используя известные атомные массы, вычислите молекулярные массы следующих соединений:
— Вода (H₂O)
— Глюкоза (C₆H₁₂O₆)
— Пропан (C₃H₈)
— Уксусная кислота (CH₃COOH)
—
### Ответы
#### Часть 1. Масса атомов
1. Атомные массы:
— Водород (H): ~1 а.е.м.
— Углерод (C): ~12 а.е.м.
— Кислород (O): ~16 а.е.м.
— Натрий (Na): ~23 а.е.м.
— Хлор (Cl): ~35.5 а.е.м.
2. Вычисления:
— Метан (CH₄): 12 (C) + 4×1 (H) = 16 а.е.м.
— Этанол (C₂H₅OH): 2×12 (C) + 6×1 (H) + 16 (O) = 46 а.е.м.
— Диоксид углерода (CO₂): 12 (C) + 2×16 (O) = 44 а.е.м.
— Хлористый натрий (NaCl): 23 (Na) + 35.5 (Cl) = 58.5 а.е.м.
3. Углерод-12 используется как эталон, так как это стабильный и распространённый изотоп углерода, что делает его удобной и рациональной точкой отсчета.
#### Часть 2. Размеры атомов
4. Атомные радиусы:
— Литий (Li): ~152 пм
— Азот (N): ~56 пм
— Сера (S): ~100 пм
— Йод (I): ~133 пм
5. В группе размер атома увеличивается сверху вниз, а в периоде уменьшается слева направо. Примеры:
— Группа: Li (152 пм) → Na (186 пм)
— Период: C (77 пм) → N (56 пм)
#### Часть 3. Масса и размеры молекул
6. Вычисления:
— Вода (H₂O): 2×1 (H) + 16 (O) = 18 а.е.м.
— Глюкоза (C₆H₁₂O₆): 6×12 (C) + 12×1 (H) + 6×16 (O) = 180 а.е.м.
— Пропан (C₃H₈): 3×12 (C) + 8×1 (H) = 44 а.е.м.
— Уксусная кислота (CH₃COOH): 2×12 (C) + 4×1 (H) + 2×16 (O) = 60 а.е.м.
