Pojęcie masy cząsteczkowej podobnie jak masy molowej, masy atomowej czy poznanie budowy atomu, jest kolejnym podstawowym elementem, który należy opanować, aby móc właściwie rozumieć świat chemii. Cząsteczki związków chemicznych mają niezwykle małą masę. Badanie struktury i właściwości pierwiastków oraz związków chemicznych nie należy do łatwych zadań. Znajomość masy cząsteczkowej nie tylko daje nam informacje ile waży dany związek, ale na podstawie jej wartości możemy także wyznaczać stosunki masowe pierwiastków w związkach czy określać ich procentową zawartość.
Czym jest masa cząsteczkowa?
Masa cząsteczkowa danego związku chemicznego jest sumą mas atomowych wchodzących w skład pierwiastków. To, jaką masę cząsteczkową będzie posiadać pojedyncza cząsteczka danego związku chemicznego, zależy od tego ile i jakie atomy wschodzą w jej skład.
Masy cząsteczkowe pierwiastków oraz związków chemicznych wyraża się za pomocą unitów (u). Bezwzględne masy atomów są niezwykle małe, rzędu 10-24g. Dlatego, aby ułatwić podawanie wartości mas cząsteczkowych oraz zapobiec operowaniu mało wygodnymi jednostkami, wprowadzono nową jednostkę masy atomowej, u (unit), która jest 1/12 części masy nuklidu izotopu węgla 12C.
Masa atomowa
Aby poprawnie wyznaczyć masę cząsteczkową danego związku chemicznego, należy najpierw znać masę atomową pierwiastków wchodzących w jego skład.
Masę pierwiastków chemicznych zazwyczaj wyraża się w atomowych jednostkach masy – unitach. Co ważne, większość pierwiastków chemicznych występujących na Ziemi jest mieszaniną kilku izotopów. Izotopami nazywa się odmiany tego samego pierwiastka chemicznego, które mają stałą liczbę atomową (zawierają taką samą ilość protonów w jądrze), ale różnią się liczbą masową (posiadają różne ilości neutronów). Ustalając masę atomową pojedynczego pierwiastka chemicznego, należy zatem brać pod uwagę zawartość procentową izotopów danego pierwiastka.
Masa atomowa jest niepowtarzalną cechą pierwiastka. Co ważne, nie ma dwóch pierwiastków chemicznych, które posiadałyby taką samą masę atomową. Z tego względu właściwość tą można stosować do identyfikacji pierwiastków. Masę atomową poszczególnych pierwiastków można odczytać z układu okresowego.
Masa cząsteczkowa pierwiastków
Niektóre z pierwiastków chemicznych , takie jak azot, wodór, tlen, fluor, brom, jod czy chlor występują w postaci cząsteczek dwuatomowych. Nie występują one jako pojedyncze atomy. Wtedy właściwe jest stosowanie pojęcia masa cząsteczkowa pierwiastka.
W jaki sposób wyznaczyć masę cząsteczkową pierwiastków oraz związków chemicznych?
Aby poprawnie ustalić masę cząsteczkową zarówno pierwiastków jak i związków chemicznych, przede wszystkich niezbędna jest znajomość wzoru sumarycznego molekuły. Wykorzystując masę cząsteczkową oraz wzór chemiczny można następnie np. ustalić udział poszczególnych pierwiastków w masie całej cząsteczki.
W przypadku, gdy mamy do czynienia z pierwiastkami dwuatomowymi, wyznaczenie ich masy cząsteczkowej opiera się na znajomości masy atomowej pojedynczego atomu danego pierwiastka. Wartość tą następnie mnoży się przez dwa. Na przykład masa cząsteczkowa gazu, jakim jest azot o wzorze N2 to 28 unitów, ponieważ jeden atom azotu posiada masę 14 unitów.
Podobnie należy postępować w przypadku związków chemicznych. Jak ustalić ich masę cząsteczkową?
- wyznaczyć wzór chemiczny związku, dla którego chcemy określić masę cząsteczkową,
- wyszczególnić pierwiastki wchodzące w skład związku oraz podać ilość każdego z nich,
- ustalić masy atomowe dla każdego z pierwiastków,
- jeżeli w cząsteczce jest więcej niż jeden atom danego pierwiastka, jego masę atomową należy przemnożyć przez tą wartość,
- zsumować masy atomowe wszystkich pierwiastków.
Masa cząsteczkowa, a masa molowa
W podobny sposób jak masę cząsteczkową związków chemicznych, oblicza się ich masę molową. Jest ona powszechnie stosowana w obliczeniach stechiometrycznych, ponieważ stosowanie moli jako jednostki pozwala przenieść proces do skali makro.
Mol jest jednostką liczności materii – podstawową jednostką układu SI. Jeden mol to 6,022141*1023 elementów (elementami mogą być atomy, jony lub cząsteczki).
Masa molowa to masa jednego mola określonej substancji. Ma taką samą wartość liczbową jak masa cząsteczkowa, ale należy pamiętać, że posiada zupełnie inną jednostkę. Podczas, gdy masę cząsteczkową wyraża się w unitach (u), to masę molową związku w gramach na mol (g/mol). Ponadto masa cząsteczkowa odnosi się do masy pojedynczej cząsteczki. W przypadku masy molowej sytuacja jest inna. Masa molowa również wyraża masę, ale w odniesieniu do jednego mola (6,022141*1023 elementów).
Do czego potrzebna jest znajomość masy cząsteczkowej?
Masa cząsteczkowa danego związku chemicznego pozwala na:
- poznanie masy określonego związku chemicznego. Wartość w unitach można przeliczyć na gramy znając następująca zależność: 1 u = 1,66 * 10-24 g;
- wyznaczenie stosunku masowego poszczególnych pierwiastków, z których składa się związek chemiczny. Stosunek masowy jest określany jako stosunek mas atomów pierwiastków tworzących związek;
- obliczenie udziału masowego, czyli zawartości procentowej pierwiastków w związku chemicznym. Oblicza się go ze stosunku masy atomów w najmniejszej strukturze związku chemicznego do masy cząsteczkowej związku pomnożonego przez 100%.