محاسبه جرم مولی هوا

آیا می‌دانید که تحت شرایط نرمال در میان همه‌ی ترکیبات، مولکول هیدروژن پایین‌ترین جرم مولی را دارا می‌باشد.
 
وزن یک اتم یا یک مولکول بسیار پایین می‌باشد، بنابراین اندازه گیری آن مشکل است. به همین دلیل، آن‌ها را گروه بندی کرده، به طوری‌که اعداد به دست آمده برای محاسبات عملی مورد استفاده قرار گیرد. هنگامی‌که مولکول‌ها با هم گروه بندی می‌شوند، تشکیل یک مول می‌دهند.
 
جرم مولی یک مشخصه فیزیکی از ماده است و با نماد M نشان داده می‌شود. جرم مولی می‌تواند به عنوان وزن یک مول از ماده در گرم یا کیلوگرم نیز تعریف شود که برابر با جرم 10 × 022/6 اتم از آن ماده می‌باشد. این مقدار به عنوان عدد آووگادرو شناخته می‌شود. جرم‌های اتمی با استفاده از طیف سنج جرمی معین می‌شود. بر اساس سیستم بین المللی واحدها، واحد جرم مولی کیلوگرم بر کیلو مول بوده که معمولا به عنوان گرم بر مول بیان می‌شود. در این قسمت مقایسه‌ای بین مقدار ماده و جرم آن انجام می‌دهیم.بنابراین، طبق تعریف، جرم مولی برابر با جرم ماده تقسیم بر مقدار ماده می‌باشد.

جرم مولی ترکیبات

پس نحوه محاسبه جرم مولی هوا که از گازهای مختلف در نسبت‌های متفاوت تشکیل شده، به چه شکل می‌باشد؟ هوا یک ترکیب می‌باشد و فرمول دستیابی به متوسط جرم مولی یک ترکیب به صورت زیر می‌باشد:
M = ∑ai × Yi
در این‌جا،
M= جرم مولی
ai = کسر مولفه‌ی i
Yi= جرم مولی مولفه‌ی i

هوا حاوی حدود 7808/0 بخش یا 08/78 درصد نیتروژن، 2905/0 بخش یا 05/29 درصد اکسیژن، 00933/0 بخش یا 933/0 درصد آرگون و حدود 003/0 بخش یا 03/0 درصد دی اکسید کربن می‌باشد. بقیه عناصر دارای تاثیر نسبتا کمی بر محاسبه جرم مولی می‌باشند. این عناصر شامل 000018/0 بخش یا 0018/0 درصد نئون، 000005/0 بخش یا 0005/0 درصد هلیوم، 000001/0 بخش یا 0001/0 درصد کریپتون، 0000005/0 بخش یا 00005/0 درصد هیدروزن و 10 × 9 بخش یا 10 × 9 درصد زنون می‌باشد.

مراحل محاسبه جرم مولی یک عنصر در این‌جا ارائه شده است. جرم مولی عناصر تشکیل دهنده‌ به صورت زیر می‌باشد:

نیتروژن: 28 گرم بر مول
اکسیژن: 32 گرم بر مول
آرگون: 40 گرم بر مول
دی اکسید کربن: 44 گرم بر مول
نئون: 20 گرم بر مول
هلیوم: 4 گرم بر مول
کریپتون: 8/83 گرم بر مول
هیدروژن: 2 گرم بر مول
زنون: 29/131 گرم بر مول

با جایگزینی مقادیر بخش اجزاء موجود در هوا همراه با جرم مولی آن‌ها جرم مولی هوا برابر با 96/28 خواهد بود.

بنابراین، جرم مولی هوای خشک برابر با 96/28 گرم بر مول می‌باشد.
 
در واحدهای انگلیسی، واحد استاندارد اندازه گیری جرم مولکولی هوا برابر با پوند – جرم / پوند – مول می‌باشد. مقدار واقعی جرم مولی هوا همان مقدار اجزاء آن بوده که در محاسبات در نظر گرفته می‌شود. بنابراین، جرم مولی هوا در واحدهای انگلیسی برابر با 96/28 پوند – جرم / پوند – مول می‌باشد.

دید کلی

به طور کلی باید گفت اتمها ذرات بسیار کوچکی هستند که تک تک آنها را نمی‌توان وزن کرد. یک جنبه بسیار مهم از کار "دالتون"، کوشش او برای تعیین جرمهای نسبی اتمها بود. دالتون سیستم سنجش خود را برمبنای اتم هیدروژن گذاشت و جرم همه اتمهای دیگر را با جرم اتم هیدروژن مقایسه کرد.
 

دالتون و تعیین جرم اتمی اکسیژن از آب

آب، ماده مرکبی است که از لحاظ جرمی % 88.8 هیدروژن و % 11.2 اکسیژن دارد. دالتون بطور نادرست پذیرفته بود که آب از یک اتم اکسیژن با یک اتم هیدروژن ترکیب شده است. براین مبنا ، نسبت جرم یک اتم اکسیژن تنها به یک اتم هیدروژن تنها ، 88.8 یعنی تقریبا 8 به 1 می‌شد. با تخصیص جرم اختیاری 1 به اتم هیدروژن ، جرم نسبی 8 برای اتم اکسیژن به دست می‌آید.


فرمولی را که دالتون برای آب بکار گرفته بود، نادرست بود. در واقع یک اتم اکسیژن با دو اتم هیدروژن ترکیب می‌شود. بنابراین جرم یک اتم اکسیژن تقریبا 8 برابر جرم دو اتم هیدروژن است. اگر به یک اتم هیدروژن جرم 1اختصاص داده شود، جرم دو اتم هیدروژن 2 خواهد شد و بر این مقیاس جرم نسبی یک اتم اکسیژن 8 برابر 2 یعنی 16 می‌شود.
 

وزن اتمی

گرچه دالتون در تعیین جرمهای نسبی اشتباه کرده بود، اما اعتبار معرفی این مفهوم و تشخیص اهمیت آن را باید از آن دالتون بدانیم. این مقادیر را وزنهای اتمی نامیده‌اند. این واژه از لحاظ معنی درست نیست، زیرا باید جرم ارجاع شود نه وزن، اما بر اثر کاربرد طولانی مجاز شمره می‌شود.

واحد جرم اتمی

هر گونه مقیاس برای جرم اتمی نسبی باید بنابر مقداری اختیاری باشد که به یک اتم انتخابی استاندارد نسبت داده می‌شود. دالتون اتم هیدروژن را به‌عنوان اتم استاندارد انتخاب کرد و مقدار یک را به آن نسبت داد. در سالهای بعد شیمیدانان ، اکسیژن طبیعی را به عنوان استاندارد انتخاب کردند و وزن اتمی آن را دقیقا 16 در نظر گرفتند.

استانداردی که امروزه به کار می‌رود، اتم C است. واحد جرم اتمی ( که نماد SI آن U است) به عنوان یک دوازدهم جرم اتم C تعریف می‌شود. بنابراین با این مقیاس جرم اتم C دقیقا 12U است. اما جرم یک اتم را نمی‌توان با این مقادیر محاسبه کرد. به استثنای H (که هسته آن تنها یک پروتون دارد) ، حاصل جمع جرمهای ذراتی که یک هسته را می‌سازند، همواره بیشتر از جرم واقعی هسته است.
 

انرژی اتصال هسته

"انیشتین" نشان داد که جرم و انرژی هم‌ارز هستند. این تفاوت‌های جرمی ، برحسب انرژی ، آنچه را که انرژی اتصال هسته نامیده می‌شود، توجیه می‌کند. اگر جدا کردن اجزای هسته ممکن باشد، انرژی اتصال ، انرژی لازمه برای چنین کاری است. عکس این فرایند یعنی متمرکز شدن نوکلئونها در یک هسته ، موجب آزاد شدن انرژی اتصال می‌شود که همراه با کاهش جرم است.
 

تعیین جرمهای اتمی با استفاده از طیف‌سنج جرمی

جرم‌های اتمی با استفاده از طیف سنج جرمی معین می‌شود. غالبا عناصر موجود در طبیعت مخلوطی از ایزوتوپها هستند. در این موارد ، با طیف سنج جرمی می‌توان مقدارنسبی هر ایزوتوپ موجود در عنصر و همچنین جرم اتمی هر ایزوتوپ را معین کرد. داده‌های آزمایشی در مورد کلر نشان می‌دهد که این عنصر مرکب از % 75.77 اتمهای Cl ( باجرم 34.969 u) و % 24.23 اتمهای Cl (با جرم 36.266 u ) است. هر نمونه از کلر که از یک منبع طبیعی به دست آمده باشد، شامل این دو ایزوتوپ با همین نسبت است.
 

منبع: Anup Patwardhan – ساینس استراک