Πόσα μόρια και άτομα σε μια σταγόνα νερού;

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ πόσα μόρια ή άτομα υπάρχουν σε μια σταγόνα νερού; Αυτό είναι ένα κοινό πρόβλημα χημείας που επιλύουν οι μαθητές επειδή ασχολείται με πολλές σημαντικές έννοιες, όπως χημικούς τύπους, μετατροπές μονάδων, όγκο, μάζα, πυκνότητα, χρησιμοποιώντας τον περιοδικό πίνακα, το mol και τον αριθμό του Avogadro. Ακολουθεί ένας βήμα προς βήμα οδηγός για τον υπολογισμό.

1. Χρησιμοποιήστε τον χημικό τύπο του νερού για να βρείτε τη μάζα ενός mole νερού.
2. Χρησιμοποιήστε την πυκνότητα του νερού για να βρείτε τη μάζα ανά μονάδα όγκου.
3. Πολλαπλασιάστε τη μάζα ανά μονάδα όγκου με τον όγκο μιας σταγόνας νερού για να βρείτε τη μάζα ανά σταγόνα.
4. Μετατρέψτε από γραμμάρια σε μολύβια για να λάβετε γραμμομόρια νερού ανά σταγόνα.
5. Χρησιμοποιήστε τον αριθμό του Avogadro για να βρείτε τον αριθμό των μορίων νερού ανά σταγόνα.
6. Πολλαπλασιάστε τον αριθμό των μορίων επί τον αριθμό των ατόμων ανά μόριο για να βρείτε τον αριθμό των ατόμων σε μια σταγόνα νερού.

Η μέση σταγόνα νερού είναι 0,05 mL όγκου. Υπάρχουν πάνω από 1,5 δισεκατομμύριο (10) μόρια σε μια σταγόνα νερού και πάνω από 5 εξάξιο εκατομμύρια άτομα στη σταγόνα.

Πόσο μεγάλη είναι μια σταγόνα νερού;

Ο καθορισμός του όγκου μιας σταγόνας νερού είναι το πρώτο μέρος του προβλήματος. Τα σταγονίδια νερού ποικίλλουν δραματικά σε μέγεθος. Η ιατρική και η επιστημονική κοινότητα ορίζουν συνήθως τον μέσο όγκο μιας σταγόνας νερού ως ακριβώς 0,05 mL, που σημαίνει ότι υπάρχουν 20 σταγόνες νερού ανά χιλιοστόλιτρο. Αυτό είναι ένα καλό σημείο εκκίνησης για τον υπολογισμό των μορίων και των ατόμων σε μια σταγόνα νερού.

Χημικός τύπος νερού

Χρησιμοποιήστε τον χημικό τύπο του νερού για να προσδιορίσετε τη μάζα ενός μόνο μορίου. Ο τύπος του νερού είναι H₂ O, που σημαίνει ότι υπάρχουν δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου σε κάθε μόριο νερού. Κάθε μόριο νερού περιέχει συνολικά 3 άτομα.

Μοριακή μάζα νερού

Βρείτε τη μοριακή μάζα του νερού. Κάντε αυτό κοιτάζοντας τις ατομικές μάζες υδρογόνου και οξυγόνου που δίνονται στον περιοδικό πίνακα. Στη συνέχεια, προσθέστε τη μάζα των ατόμων υδρογόνου και των ατόμων οξυγόνου σε ένα μόριο νερού. Η μάζα του υδρογόνου είναι 1,008 g/mol και η μάζα του οξυγόνου είναι 16,00 g/mol. Η μάζα ενός mol νερού είναι:

μάζα νερού =2 x μάζα υδρογόνο + μάζα οξυγόνου
μάζα νερού =2 x 1,008 + 16,00
μάζα νερού =18,016 g/mol

Η μάζα ενός mole νερού είναι 18,016 γραμμάρια.

Πυκνότητα νερού

Χρησιμοποιήστε την πυκνότητα του νερού για να βρείτε τη μάζα του νερού ανά μονάδα όγκου. Η τιμή για την πυκνότητα του νερού εξαρτάται από τη θερμοκρασία του (το κρύο νερό είναι πιο πυκνό από το ζεστό), αλλά μια τυπική τιμή είναι 1,00 γραμμάρια ανά χιλιοστόλιτρο (1 g/mL). Ένα χιλιοστόλιτρο νερού έχει μάζα 1 γραμμάριο, αλλά μια σταγόνα νερού είναι μικρότερος όγκος από ένα χιλιοστόλιτρο. Πολλαπλασιάστε τη μάζα ανά μονάδα όγκου με τον όγκο μιας σταγόνας για να βρείτε τη μάζα μιας σταγόνας:

μάζα σταγόνας νερού =1 g/mL x 0,05 mL
μάζα σταγόνας νερού =0,05 γραμμάρια

Στη συνέχεια, βρείτε τον αριθμό των γραμμομορίων νερού σε μια σταγόνα. Αυτή είναι μια βασική μετατροπή μονάδων από γραμμάρια σε γραμμομόρια χρησιμοποιώντας τη μοριακή μάζα του νερού:

moles in water drop =0,05 γραμμάρια x (1 mole / 18,016 γραμμάρια)
moles in water drop =0,002775 moles

Μια σταγόνα νερού είναι 0,002775 moles νερού.

Χρήση του αριθμού του Avogadro

Ο αριθμός του Avogadro είναι ο αριθμός των μορίων σε ένα mole. Υπάρχουν 6.022 x 10 μόρια νερού ανά mole νερού. Χρησιμοποιήστε τον αριθμό του Avogadro για να βρείτε τον αριθμό των μορίων σε μια σταγόνα νερού. Πολλαπλασιάστε τον αριθμό του Avogadro με τον αριθμό των κρεατοελιών σε μια σταγόνα νερού:

μόρια σε μια σταγόνα νερού =(6,022 x 10 μόρια/mole) x 0,002275 moles
μόρια σε μια σταγόνα νερού =1,67 x 10 μόρια νερού

Υπάρχουν 1,67 x 10 ή 1,67 δισεκατομμύρια μόρια νερού σε μια σταγόνα νερού.

Υπάρχουν τρία άτομα ανά μόριο νερού. Βρείτε τον αριθμό των ατόμων σε μια σταγόνα νερού πολλαπλασιάζοντας αυτόν τον αριθμό μορίων επί 3.

άτομα σε μια σταγόνα νερού =3 άτομα/μόριο x 1,67 x 10 μόρια
άτομα σε μια σταγόνα νερού =5,01 x 10 άτομα

Υπάρχουν 5,01 x 10 ή περίπου 5 δισεκατομμύρια άτομα σε μια σταγόνα νερού.

Σταγόνες νερού στον ωκεανό

Μια παραλλαγή αυτού του προβλήματος είναι να βρούμε αν υπάρχουν περισσότερα άτομα σε μια σταγόνα νερού από ό,τι σταγόνες νερού στον ωκεανό. Υπάρχουν διαφορετικές εκτιμήσεις για τον όγκο των ωκεανών της Γης, που κυμαίνονται μεταξύ 1,3 δισεκατομμυρίων km και 1,5 km. Το Γεωλογικό Ινστιτούτο των Ηνωμένων Πολιτειών χρησιμοποιεί μια αξία 1,338 δισεκατομμυρίων km, που είναι 1,338 x 10 λίτρα θαλασσινού νερού.

Για να απαντήσετε στην ερώτηση, διαιρέστε αυτόν τον αριθμό με τον όγκο μιας σταγόνας για να λάβετε τον αριθμό των σταγόνων νερού στη θάλασσα.

αριθμός σταγόνων νερού στον ωκεανό =1,338 x 10 λίτρα συνολικός όγκος / 5,0 x 10 λίτρα ανά σταγόνα
αριθμός σταγόνων νερού στον ωκεανό =2.676 x 10 σταγόνες

Δεδομένου ότι το 10 είναι μεγαλύτερο από το 10 υπάρχουν περισσότερες σταγόνες νερού στον ωκεανό από όσες υπάρχουν μόρια ή άτομα σε μια σταγόνα νερού . Το μέγεθος της σταγόνας κάνει τη διαφορά, αλλά υπάρχουν μεταξύ 1.000 και 100.000 περισσότερες σταγόνες νερού στον ωκεανό από άτομα σε μια σταγόνα νερού.

Αναφορά

• Gleick, P.H. (28 Αυγούστου 2006). «Πού είναι το νερό της Γης». Η κατανομή του νερού της Γης . Γεωλογικό Ινστιτούτο ΗΠΑ.