Закон постоянства состава. Относительные массы

В теме 1.1 мы видели, что в сульфиде железа на 7 г железа всегда приходится 4 г серы, а в смеси железа с серой соотношение может быть любым. Почему сложное вещество так строго соблюдает пропорцию? Ответ дают две вещи, которые мы уже знаем: формула вещества постоянна, а атомы каждого элемента имеют определённую массу.

Закон постоянства состава

Этот закон был установлен в самом начале XIX века. Закон постоянства состава: каждое чистое вещество молекулярного строения, независимо от способа получения, имеет постоянный качественный и количественный состав. Воду можно получить сжиганием водорода, растопить из ледника или выделить перегонкой из морской воды, и в любом случае на 1 г водорода в ней приходится 8 г кислорода. Каждая молекула воды построена одинаково, из двух атомов водорода и одного атома кислорода, поэтому и отношение масс элементов у всех образцов одно и то же.

Атомная единица массы

Масса атома ничтожно мала. Атом водорода весит около \(1{,}67 \cdot 10^{-24}\) г, атом углерода — около \(2 \cdot 10^{-23}\) г. Выражать такие массы в граммах неудобно, поэтому химики выбрали для атомов свою единицу. Атомная единица массы (сокращённо а. е. м.) равна \(1/12\) массы атома углерода-12, то есть примерно \(1{,}66 \cdot 10^{-24}\) г. Почему именно углерод-12 и что означает число 12 в его названии, станет ясно в теме 2.2.

Относительная атомная масса

Относительная атомная масса \(A_r\) показывает, во сколько раз масса атома больше \(1/12\) массы атома углерода-12. Например, \(A_r(\ce{O}) = 16\): атом кислорода в 16 раз тяжелее атомной единицы массы. Относительная атомная масса — безразмерная величина, её значения указаны в Периодической системе. В расчётах на ОГЭ их округляют до целых, и только у хлора берут 35,5.

Почему у хлора дробное значение? В природе встречаются атомы хлора двух видов, с массами около 35 и около 37, и в Периодической системе указано их среднее значение с учётом того, каких атомов больше. Такие разновидности атомов одного элемента называют изотопами (тема 2.2).

Относительная молекулярная масса

Масса молекулы складывается из масс её атомов. Относительная молекулярная масса \(M_r\) равна сумме относительных атомных масс всех атомов в формуле с учётом индексов:

\[ M_r(\ce{H2O}) = 2 \cdot 1 + 16 = 18, \qquad M_r(\ce{H2SO4}) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 98. \]

Для веществ немолекулярного строения, например солей, так же считают массу формульной единицы и тоже обозначают её \(M_r\). Если в формуле есть скобки, сначала находят массу группы в скобках и умножают её на индекс за скобкой: \(M_r(\ce{Ca(OH)2}) = 40 + 2 \cdot (16 + 1) = 74\). Для кристаллогидрата, в формуле которого стоит точка, массы частей складывают: \(M_r(\ce{CuSO4.5H2O}) = 160 + 5 \cdot 18 = 250\).