Молекулярная масса веществ — это базовое понятие химии, без которого невозможно уверенно решать задачи по стехиометрии, газовым законам, растворам и аналитической химии. В школьном и вузовском курсе различают несколько близких терминов. Масса одной молекулы — это физическая величина в килограммах или граммах, чрезвычайно малая. Относительная молекулярная масса (Mr) — безразмерное число, показывающее, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода-12. А молярная масса (M) — это масса одного моля вещества, выражаемая в г/моль. На практике при расчетах по формуле вещества чаще всего находят именно Mr (суммируя относительные атомные массы элементов с учетом индексов), а затем при необходимости переходят к M по правилу: M (г/моль) ≈ Mr (численно равны при выборе единиц). Для ионных кристаллов, которые не образуют отдельных молекул (NaCl, CaCO3, Al2O3), корректно говорить о формульной массе и молярной массе; методика расчета та же, что и для молекул.

Чтобы понимать порядок величин, полезно вспомнить шкалу масс. Единица а.е.м. (u), или дальтон (Da), равна 1/12 массы атома 12C. Относительные атомные массы Ar в Периодической системе — это средневзвешенные по изотопному составу значения, поэтому они не всегда целые: у хлора Ar(Cl) ≈ 35.45 из-за смеси изотопов 35Cl и 37Cl, у меди Ar(Cu) ≈ 63.55, у кислорода часто берут 16.00, у водорода — 1.008, у углерода — 12.01, у азота — 14.01, у серы — 32.06, у натрия — 22.99, у кальция — 40.08, у железа — 55.85. Эти уточненные значения позволяют уменьшить накопление погрешности при суммировании. Если требуется масса одной молекулы, ее находят по формуле m(1 мол.) = M/NA, где NA — число Авогадро (примерно 6.022·10^23 моль⁻¹). Так, у воды M ≈ 18 г/моль, следовательно, масса одной молекулы около 2.99·10^-23 г.

Алгоритм расчета относительной молекулярной массы по химической формуле всегда один и тот же. Для систематичности удобно действовать по шагам:

1. Записать химическую формулу и выписать список элементов, входящих в нее.
2. Определить число атомов каждого элемента, учитывая индексы, скобки и коэффициенты при группах. Для кристаллогидратов учитывать «точку» (например, ⋅5H2O).
3. Найти по Периодической системе относительные атомные массы Ar каждого элемента (лучше с двумя знаками после запятой при учебных расчетах).
4. Перемножить Ar каждого элемента на число его атомов в формуле, результаты сложить.
5. Сделать разумное округление (с учетом точности исходных Ar) и, если нужно, перевести Mr в молярную массу M в г/моль.

Разберем типичные примеры, в которых встречаются все «подводные камни»: скобки, гидраты, повторяющиеся группы и сложные формулы.

• Вода H2O. Ar(H) = 1.008, Ar(O) = 16.00. Mr = 2·1.008 + 16.00 = 18.016 ≈ 18.02. Молярная масса M ≈ 18.02 г/моль. Массовые доли: ω(H) = 2.016/18.016 ≈ 0.112, ω(O) ≈ 0.888.
• Кальций гидроксид Ca(OH)2. Ar(Ca) = 40.08, Ar(O) = 16.00, Ar(H) = 1.008. В формуле 1 Ca, 2 O, 2 H. Mr = 40.08 + 2·16.00 + 2·1.008 = 74.096 ≈ 74.10. Важно заметить, что индекс 2 относится ко всей группе (OH).
• Медный купорос пентагидрат CuSO4·5H2O. Считаем отдельно «безводную» часть и воду кристаллизации. Ar(Cu) = 63.55, S = 32.06, O = 16.00, H = 1.008. CuSO4: 63.55 + 32.06 + 4·16.00 = 159.61. Пять молекул воды: 5·(2·1.008 + 16.00) = 5·18.016 = 90.08. Итого Mr ≈ 249.69, M ≈ 249.69 г/моль.
• Глюкоза C6H12O6. Ar(C) = 12.01, H = 1.008, O = 16.00. Mr = 6·12.01 + 12·1.008 + 6·16.00 = 72.06 + 12.096 + 96.00 = 180.156 ≈ 180.16.
• Алюминий сульфат Al2(SO4)3. Ar(Al) = 26.98, S = 32.06, O = 16.00. Два атома Al, три группы SO4 (то есть 3 S и 12 O). Mr = 2·26.98 + 3·32.06 + 12·16.00 = 53.96 + 96.18 + 192.00 = 342.14.

Как использовать молярную массу в задачах? Она связывает массу вещества m, количество вещества n и число частиц N. Базовые соотношения: n = m/M, m = n·M, N = n·NA. Например, сколько молекул содержит 18 г воды? Сначала n = 18 г / 18.02 г/моль ≈ 0.999 моль, затем N ≈ 0.999·6.022·10^23 ≈ 6.02·10^23 молекул. Или задача обратного типа: какое количество вещества содержится в 11.2 л азота при нормальных условиях? Приближенно 1 моль газа занимает 22.4 л, значит n ≈ 11.2/22.4 = 0.5 моль. Масса m = n·M(N2) = 0.5·28.02 ≈ 14.01 г. Если известна плотность газа d (в г/л) при условиях T и p, применяют формулу M = d·R·T / p, где R — универсальная газовая постоянная в согласованных единицах. Так, при нормальных условиях газ с d ≈ 1.25 г/л имеет M ≈ 1.25·22.4 ≈ 28 г/моль, что указывает на азот N2 или смесь с близкой молярной массой.

Нередко требуется перейти от анализа состава к формуле вещества. Здесь удобен маршрут «процентный состав → эмпирическая формула → молекулярная формула (по известной M)». Алгоритм таков:

1. Считаем, что у нас 100 г вещества; тогда проценты превращаются в граммы каждого элемента.
2. Переводим граммы в количество вещества каждого элемента: n = m/Ar.
3. Делим все полученные количества на наименьшее из них, чтобы получить соотношение индексов.
4. Если получились нецелые числа (например, 1.5), домножаем все на общий множитель (в данном примере на 2), чтобы получить целые индексы.
5. Если известна молярная масса вещества, сравниваем ее с Mr эмпирической формулы и определяем, во сколько раз молекулярная формула «крупнее» эмпирической.

Пример 1. Вещество содержит 40.0% C, 6.7% H и 53.3% O. На 100 г: C — 40.0 г, H — 6.7 г, O — 53.3 г. Переводим в моли: n(C) = 40.0/12.01 ≈ 3.33; n(H) = 6.7/1.008 ≈ 6.65; n(O) = 53.3/16.00 ≈ 3.33. Делим на 3.33: C — 1.00, H — 2.00, O — 1.00. Эмпирическая формула: CH2O, Mr(emp) ≈ 30.02. Если экспериментально установлено, что молярная масса вещества около 180 г/моль, то 180/30 ≈ 6, следовательно молекулярная формула — C6H12O6 (глюкоза). Пример 2. Имеется оксид железа с массовыми долями: 69.9% Fe и 30.1% O. На 100 г: Fe — 69.9 г, O — 30.1 г. Моли: n(Fe) = 69.9/55.85 ≈ 1.25; n(O) = 30.1/16.00 ≈ 1.88. Делим на 1.25: Fe — 1.00, O — 1.50. Домножаем на 2 для целых индексов: получаем Fe2O3. Отсюда Mr ≈ 159.7, M ≈ 159.7 г/моль.

На практике знание молекулярной (молярной) массы применяют в самых разных задачах. В растворах она связывает молярность с граммовыми концентрациями: чтобы приготовить 0.500 л 0.20 М раствора NaCl, берут m = n·M = (0.5·0.20)·58.44 ≈ 5.84 г соли. Разность температур кипения и замерзания раствора относительно чистого растворителя зависит от моляльной концентрации, а потому через криоскопию и эбуллиоскопию можно определить молярную массу неизвестного неэлектролита. В газовой фазе по измеренной плотности и уравнению состояния идеального газа находят M и, сопоставляя с возможными формулами, идентифицируют вещество. В аналитической химии точные значения молярных масс нужны для пересчёта титров стандартных растворов.

Чем определяется значение относительной атомной массы элемента? Это средневзвешенное по природному изотопному составу значение. Поэтому Ar(Cl) = 35.45, хотя изотопов два — 35 и 37. В высокоточных задачах органической и биохимической масс-спектрометрии различают среднюю молекулярную массу (по средним Ar) и мономерную/моноизотопную массу (сумма масс наиболее распространенных изотопов, например 12C, 1H, 16O). В школьных задачах почти всегда используют средние Ar из таблицы Менделеева, но важно понимать, откуда берутся дробные значения и почему при грубом округлении до целых могут накапливаться ощутимые ошибки.

Несколько практических советов и типичных ошибок:

• Не путайте коэффициенты в уравнении реакции с индексами в формуле. Коэффициенты отражают стехиометрию реакции и не влияют на молекулярную массу вещества. Например, в 2H2 + O2 → 2H2O молярная масса воды все равно 18.02 г/моль.
• Внимательно обрабатывайте скобки и кристаллизационную воду. В Al2(SO4)3 три группы SO4; в CuSO4·5H2O пятая часть массы — это вода.
• Выбирайте разумную точность. Округляйте Ar с двумя знаками после запятой, суммируйте, а итог округляйте до сотых. Избегайте раннего грубого округления до целых.
• Отличайте Mr и M. Mr — безразмерная величина, M — в г/моль. Численно они совпадают, но запись должна отражать размерность, особенно в расчетах.
• Ионные соединения не образуют молекул — корректно говорить о «формульной массе» или просто «молярной массе вещества».
• Проверяйте результат оценочно. Для углеводородов примерно M ≈ 12x + y (для CxHy). Если получили очевидно неверное значение, пересмотрите индексы.
• В смесях молярная масса считается по мольным долям: Mсмеси = Σ yi·Mi. Например, у воздуха M ≈ 0.78·28.02 (N2) + 0.21·32.00 (O2) + 0.01·40.00 (Ar) ≈ 28.97 г/моль.

Для закрепления приведу еще пару коротких задач-разминок, где ключевую роль играет корректный расчет молекулярной или молярной массы.

• Задача: Определите массовую долю кислорода в серной кислоте H2SO4. Решение: Mr = 2·1.008 + 32.06 + 4·16.00 = 98.076. Масса кислорода — 64.00. Массовая доля ω(O) = 64.00/98.076 ≈ 0.652, то есть 65.2%.
• Задача: Сколько граммов CaCO3 содержится в 0.250 моль вещества? Решение: M(CaCO3) = 40.08 + 12.01 + 3·16.00 = 100.09 г/моль. Масса m = n·M = 0.250·100.09 ≈ 25.02 г.
• Задача: Газ имеет плотность 1.83 г/л при 0 °C и 1 атм. Найдите молярную массу. Решение: M ≈ d·22.4 ≈ 1.83·22.4 ≈ 41.0 г/моль. Это близко к пропану C3H8 (44.10 г/моль) или смеси с подобной M. Для точного вывода нужны дополнительные данные.

Наконец, немного о методах экспериментального определения молекулярной массы. В лабораториях используют масс-спектрометрию (определяет массу и структуру ионов), криоскопию и эбуллиоскопию (по изменению температур фазовых переходов раствора), осмометрию (по осмотическому давлению), вискозиметрию для полимеров. Для высокомолекулярных соединений характерно наличие распределения масс; тогда говорят о числовой среднечисленной (Mn) и средневесовой (Mw) молекулярных массах и об индексе полидисперсности (Mw/Mn). Хотя эти детали выходят за рамки школьного курса, полезно знать, что у полимеров «одной» молекулярной массы нет — важны статистические характеристики.

Подведем итог. Молекулярная масса — это сумма вкладов атомов, входящих в состав молекулы, а молярная масса — масса одного моля данного вещества. Умение быстро и безошибочно находить Mr и M по формуле — ключ к решению большинства расчетных задач в химии: от перевода массы в количество вещества и обратно до анализа составов, расчета концентраций растворов и работы с газами. Пользуйтесь точными значениями атомных масс, аккуратно обращайтесь со скобками и гидратами, проверяйте разумность результата и помните о связи с реальными измерениями — тогда тема «молекулярная масса веществ» станет для вас надежным инструментом, а не источником ошибок.