جرم مولکولی اسید کلریدریک و محاسبه آن

مقدمه

اسید هیدروکلریک (HCl) که با نام اسید کلریدریک نیز شناخته می شود، یک ترکیب شیمیایی شناخته شده است و درک جرم مولکولی آن در شیمی امری بنیادی است. جرم مولکولی یک ماده نشان دهنده جرم یک مولکول نسبت به مقیاس یکای جرم اتمی است. برای اسید هیدروکلریک که از اتم های هیدروژن و کلر تشکیل شده است، جرم مولکولی را می توان با جمع کردن جرم های اتمی این اجزای تشکیل دهنده تعیین کرد. این مقدار در محاسبات گوناگون از آماده سازی های آزمایشگاهی گرفته تا کاربردهای صنعتی نقش مهمی دارد. در این بررسی جامع، به این می پردازیم که جرم مولکولی اسید هیدروکلریک چقدر است، چگونه محاسبه می شود و چرا اهمیت دارد. همچنین جرم مولکولی HCl را با ترکیبات دیگر مقایسه خواهیم کرد و مفاهیم مرتبط مانند جرم مولی، تغییرات ایزوتوپی و درصد ترکیب جرمی را بررسی می کنیم. در همین راستا، برای کاربردهای صنعتی که نیازمند حجم‌ های بالا و دقت در ترکیب هستند، انجام خرید اسید کلریدریک کلر پارس تبریز بشکه 220 لیتری به‌ عنوان یکی از گزینه‌ های مطمئن تأمین، اهمیت بیشتری پیدا می‌ کند؛ زیرا درک درست جرم مولکولی این ماده نقش مهمی در کنترل کیفیت و کارایی آن دارد. در پایان درک روشنی از جرم مولکولی اسید هیدروکلریک و نحوه محاسبه آن خواهید داشت و خواهید دید که چگونه این عدد به ظاهر ساده نقش مهمی در زمینه های علمی و عملی ایفا می کند.

درک جرم مولکولی

جرم مولکولی معیاری برای جرم کل یک مولکول منفرد است. این کمیت از حاصل جمع جرم تمامی اتم های موجود در آن مولکول به دست می آید. شیمیدان ها معمولاً برای مولکول های منفرد از یکای جرم اتمی (amu) یا دالتون استفاده می کنند؛ به طوری که یک amu برابر با یک دوازدهم جرم اتم کربن ۱۲ تعریف شده است. در عمل، جرم مولکولی زمانی که به صورت جرم نسبی (نسبت به کربن ۱۲) بیان شود یک کمیت بدون واحد است، اما برای راحتی اغلب آن را بر حسب یکای جرم اتمی یکپارچه (u) بیان می کنند. برای مثال، اگر جرم مولکولی یک مولکول برابر ۱۸ u باشد، یعنی جرم آن مولکول ۱۸ برابر یک دوازدهم جرم یک اتم کربن ۱۲ است. درک جرم مولکولی مهم است زیرا مبنای محاسبه جرم مولی (جرم یک مول مولکول ها بر حسب گرم) را تشکیل می دهد. به بیان ساده، جرم مولکولی به ما می گوید که یک مولکول در مقایسه با یک استاندارد چه قدر سنگین است و این امکان را به شیمیدان ها می دهد که با وزن کردن نمونه ها تعداد ذرات را تعیین کنند؛ مفهومی بنیادی در استوکیومتری و واکنش های شیمیایی.

مروری بر اسید هیدروکلریک (HCl)

اسید هیدروکلریک با فرمول شیمیایی HCl یک مولکول دو اتمی ساده است که از یک اتم هیدروژن و یک اتم کلر تشکیل شده است. این ترکیب در شکل خالص خود گازی به نام هیدروژن کلرید است و هنگام حل شدن در آب اسید هیدروکلریک را تشکیل می دهد که یک اسید خورنده قوی است. HCl یکی از پرکاربردترین اسیدها در محیط های آزمایشگاهی و صنعتی است. این اسید به طور طبیعی در شیره معده انسان یافت می شوند و به هضم غذا کمک می کند و به صورت صنعتی برای کاربردهایی مانند سنتزهای شیمیایی، تصفیه فلزات و تولید ترکیبات معدنی تولید می شود. از دیدگاه مولکولی، اسید هیدروکلریک به خاطر ساختار ساده و واکنش پذیری بالا حائز اهمیت است. پیوند میان اتم های H و Cl در مولکول HCl یک پیوند کووالانسی قطبی است و اتم کلر بسیار الکترونگاتیوتر از هیدروژن می باشد. این قطبیت به انحلال پذیری بالای HCl در آب و رفتار آن به عنوان یک اسید قوی کمک می کند به طوری که در محلول به طور کامل به یون های H^+ و Cl^- تفکیک می شود. پیش از پرداختن به محاسبه جرم مولکولی آن، مهم است که HCl را یک گونه شیمیایی بنیادی بدانیم؛ یک اسید نمونه که مفاهیم کلیدی شیمی مانند محاسبه جرم مولکولی و ارتباط ترکیب ماده با واکنش پذیری آن را نیز نشان می دهد.

فرمول شیمیایی و ترکیب HCl

فرمول شیمیایی اسید هیدروکلریک HCl است که نشان می دهد هر مولکول از یک اتم هیدروژن (H) و یک اتم کلر (Cl) تشکیل شده است. این نسبت یک به یک اتمی باعث می شود HCl از نظر ترکیب یک مولکول بسیار ساده باشد. هیدروژن سبک ترین عنصر است، در حالی که کلر یک عنصر هالوژن سنگین تر است. ترکیب این دو یک مولکول با اندازه مولکولی متوسط ایجاد می کند. در فرمول HCl اندیس هر عنصر ۱ در نظر گرفته می شود که معمولاً نوشته نمی شود. این فرمول ساده همچنین بدان معنا است که محاسبه هر کمیت وابسته به فرمول، مانند جرم مولکولی، نسبتاً آسان است زیرا تنها حاصل جمع جرم یک اتم هیدروژن و یک اتم کلر می باشد. ترکیب از نظر تعداد اتم ها یک اتم H و یک اتم Cl مستقیماً به ترکیب جرمی تبدیل می شود که شدیداً به سمت کلر متمایل است، زیرا اتم های کلر به مراتب سنگین تر از اتم های هیدروژن هستند. به همین دلیل در بسیاری از منابع علمی، بخش‌ هایی مانند فرمول شیمیایی اسید کلریدریک (HCL) و اجزای آن به‌ عنوان نقطه آغاز تحلیل مطرح می‌ شود، زیرا درک همین ساختار ساده مقدمه‌ ای برای تعیین دقیق جرم مولکولی و بررسی نقش هر اتم در جرم کلی مولکول است.

جرم اتمی هیدروژن در HCl

هیدروژن با نماد H اولین عنصر در جدول تناوبی است و عدد اتمی آن ۱ است. این عنصر سبک ترین عنصر می باشد و جرم اتمی آن تقریباً 1.008 واحد جرم اتمی (amu) است. این جرم اتمی در واقع یک میانگین وزنی است که فراوانی ایزوتوپ های طبیعی هیدروژن را لحاظ می کند. در محاسبه جرم مولکولی اسید هیدروکلریک، اتم هیدروژن حدود 1.008 واحد به جرم کل مولکول کمک می کند. از آنجا که جرم اتمی هیدروژن بسیار کم است، معمولاً در ترکیب هایی که هیدروژن به عناصر سنگین تر متصل است تنها تأثیر اندکی بر جرم کلی ترکیب دارد. در HCl جرم اتم هیدروژن بخش بسیار کوچکی از جرم کل مولکول را تشکیل می دهد. با این حال حضور آن برای هویت و شیمی HCl حیاتی است بدون آن هیدروژن، عملاً با یک مولکول یا اتم کلر تنها روبرو بودیم. در محاسبات، از جرم اتمی هیدروژن (1.008) به عنوان یکی از اجزای مجموع استفاده می کنیم.

جرم اتمی کلر در HCl

کلر با نماد Cl یک عنصر هالوژن با عدد اتمی 17 است و جرم اتمی آن بسیار بیشتر از هیدروژن می باشد. جرم اتمی کلر حدود 35.45 واحد جرم اتمی است. این مقدار غیر صحیح به این دلیل است که کلر طبیعی مخلوطی از دو ایزوتوپ پایدار است: کلر 35 و کلر 37. ایزوتوپ کلر 35 فراوانی طبیعی حدود 75٪ دارد و ایزوتوپ کلر 37 تقریباً 25٪ باقی مانده را شامل می شود. این نسبت ایزوتوپی به میانگین جرم اتمی تقریباً 35.45 amu منجر می شود که در جدول تناوبی آمده است. در محاسبات مربوط به HCl از همین جرم اتمی میانگین استفاده می کنیم، زیرا در اغلب نمونه های HCl اتم های کلر به همان نسبت طبیعی حضور دارند. جرم اتم کلر بخش عمده ای از جرم مولکولی HCl را تشکیل می دهد بسیار بیشتر از سهم اتم هیدروژن. در واقع حدود 97٪ جرم یک مولکول HCl تنها مربوط به اتم کلر است. هنگام محاسبه جرم مولکولی HCl، استفاده از جرم اتمی کلر (35.45) برای دستیابی به نتیجه دقیق ضروری است. شایان ذکر است که گاهی برای سادگی (مثلاً در محیط آموزشی) جرم کلر را 35.5 در نظر می گیرند که نتیجه تقریبی (36.5 g/mol) به دست می دهد، اما مقدار دقیق تر 36.46 g/mol تأثیر ایزوتوپ ها را نشان می دهد.

محاسبه جرم مولکولی HCl

محاسبه جرم مولکولی اسید هیدروکلریک به خاطر ترکیب ساده آن سرراست است. برای یافتن جرم مولکولی، جرم اتمی هیدروژن و جرم اتمی کلر را جمع می کنیم، زیرا در یک مولکول HCl از هر کدام یک اتم وجود دارد. با استفاده از جرم های اتمی استاندارد جدول تناوبی: هیدروژن حدود 1.008 واحد و کلر حدود 35.45 واحد جرم به مولکول می افزایند. با جمع کردن این مقادیر به عدد تقریبی 36.46 واحد (amu) برای یک مولکول HCl می رسیم. این همان جرم مولکولی نسبی (وزن مولکولی) HCl است. اگر این مقدار را به صورت جرم مولی (گرم بر مول) بیان کنیم، برای HCl برابر با 36.46 گرم بر مول خواهد بود. توجه شود که در بسیاری از موارد آموزشی ممکن است برای سادگی جرم های اتمی گرد شده مانند H ≈ 1 و Cl ≈ 35.5 به کار روند که جرم مولکولی تقریبی 36.5 گرم بر مول را برای HCl نتیجه می دهد. این تقریب هرچند نزدیک به مقدار واقعی است و استفاده از آن راحت می باشد، اما مقدار دقیق تر (36.46 گرم بر مول) بهتر است زیرا دقیق تر است. این محاسبه به روشنی نشان می دهد که جرم اتم کلر بخش غالب جرم کل مولکول است. با تعیین جرم مولکولی، شیمیدان ها می توانند از آن به عنوان عامل تبدیلی بین جرم HCl و تعداد مولکول ها یا مول های نمونه استفاده کنند.

درصد ترکیب HCl بر حسب جرم

درصد ترکیب جرمی، درصد جرم هر عنصر در یک ترکیب را نشان می دهد. برای اسید هیدروکلریک، درصد جرمی ترکیب را می توان از جرم مولکولی آن و سهم هر اتم در آن به دست آورد. همان طور که محاسبه شد، جرم مولکولی HCl حدود 36.46 واحد است که اتم هیدروژن حدود 1.008 واحد و اتم کلر حدود 35.45 واحد از آن را تشکیل می دهند. برای یافتن درصد جرمی هیدروژن در HCl، (جرم هیدروژن / جرم کل مولکول) × 100% را محاسبه می کنیم. نتیجه این محاسبه حدود 2.76% می شود؛ یعنی هیدروژن تنها حدود 2.76% از جرم یک مولکول HCl را تشکیل می دهد. به همین ترتیب، می توان درصد جرمی کلر را حساب کرد که تقریباً 97.24% خواهد بود. این درصدها تأیید می کنند که کلر به مراتب بخش سنگین تر مولکول است. تفاوت زیاد در سهم جرمی هیدروژن و کلر نشان می دهد که چگونه یک عنصر سنگین تر می تواند بر جرم یک ترکیب غالب باشد. دانستن درصد ترکیب جرمی برای تحلیل فرمول های شیمیایی و درک توزیع جرم در یک مولکول مفید است. با وجود سهم جرمی اندک هیدروژن، حضور آن از نظر شیمیایی بسیار مهم است زیرا این اتم هیدروژن است که خاصیت اسیدی را به HCl می دهد با آزاد شدن به صورت پروتون H^+ در محلول.

جرم مولکولی و جرم مولی HCl

تمایز بین جرم مولکولی و جرم مولی مهم است، زیرا این دو اصطلاح مرتبط اما یکسان نیستند. جرم مولکولی (که گاهی وزن مولکولی نیز نامیده می شود) به جرم یک مولکول منفرد از یک ماده اشاره دارد. در مورد HCl، جرم مولکولی یک مولکول تقریباً 36.46 واحد جرم اتمی است. از سوی دیگر، جرم مولی به جرم یک مول از آن ماده اشاره دارد که معمولاً بر حسب گرم بر مول (g/mol) بیان می شود. برای HCl، جرم مولی 36.46 گرم بر مول است. قابل توجه است که جرم مولکولی HCl بر حسب amu برابر است با عدد جرمی بر حسب گرم در یک مول HCl (36.46)، که این از نحوه تعریف یکاها ناشی می شود. با این حال زمینه کاربرد آنها متفاوت است: جرم مولکولی درباره جرم یک مولکول صحبت می کند، در حالی که جرم مولی درباره جرم عدد آووگادرو مولکول ها صحبت می کند. برای HCl، 36.46 واحد جرم اتمی در هر مولکول متناظر با 36.46 گرم در هر مول است؛ عدد یکی است ولی مقیاس و واحد متفاوتند.

اهمیت جرم مولکولی در محاسبات شیمیایی

دانستن جرم مولکولی ترکیبی مانند اسید هیدروکلریک برای انواع محاسبات شیمیایی ضروری است. یکی از رایج ترین کاربرد تبدیل بین جرم و مول یک ماده است. برای مثال، اگر شیمیدانی مقدار معینی HCl داشته باشد و بخواهد تعداد مول های آن را محاسبه کند، از جرم مولی HCl به عنوان عامل تبدیل استفاده می کند. از آنجا که 36.46 گرم HCl برابر با یک مول است، نمونه ای با نیمی از این جرم (مثلاً 18.23 گرم) 0.5 مول خواهد بود و به همین ترتیب. مثلاً برای خنثی کردن مقدار معینی باز توسط HCl، باید بدانیم چند گرم HCl (با توجه به جرم مولی آن) معادل مول های مورد نیاز است. علاوه بر این، برای تهیه محلول های اسیدی با مولاریته مشخص، دانستن جرم دقیق HCl مورد نیاز (بر اساس جرم مولکولی آن) ضروری است.

استفاده از جرم مولکولی HCl در آزمایشگاه

در شرایط عملی آزمایشگاهی و صنعتی، هر زمان که بخواهیم مقدار معینی از HCl را اندازه گیری یا آماده کنیم، از جرم مولکولی (یا جرم مولی) اسید هیدروکلریک استفاده می شود. برای مثال، تهیه یک لیتر محلول 1.0 مولار HCl را در نظر بگیرید. اگر پژوهشگری به چنین محلولی نیاز داشته باشد، یک مول مولکول HCl لازم خواهد داشت. با استفاده از جرم مولی HCl (حدود 36.46 گرم بر مول)، شیمیدان می تواند محاسبه کند که برای داشتن یک مول، حدود 36.46 گرم HCl لازم هستند. البته HCl معمولاً به صورت محلول آبی غلیظ (مثلاً با خلوص حدود 37%) یا به صورت گاز عرضه می شود، بنابراین شاید نیازی به وزن کردن مستقیم گاز HCl نباشد. در عوض، محاسبات مبتنی بر جرم مولکولی کمک می کنند تعیین کنیم چه مقدار از اسید غلیظ را باید رقیق کنیم تا مقدار مورد نظر HCl به دست آید. به همین ترتیب، در تیتر کردن یا سایر واکنش ها نیز جرم مولی کمک می کند مشخص شود چند گرم HCl معادل مول های لازم برای واکنش است. در فرآیندهای صنعتی همین اصول در مقیاس بزرگ تر به کار می روند و از جرم مولکولی برای تبدیل مول های مورد نیاز HCl به جرم های (یا حجم های) قابل اندازه گیری استفاده می شود. بنابراین جرم مولکولی HCl حقیقتاً یک مقدار کلیدی برای کار دقیق با این ماده است.

مقایسه جرم مولکولی HCl با ترکیبات دیگر

جرم مولکولی اسید هیدروکلریک را می توان با مقایسه آن با جرم مولکولی چند ترکیب ساده دیگر که حاوی هیدروژن هستند بهتر درک کرد. در زیر مقایسه ای میان HCl و چند ترکیب از این دست ارائه شده است؛ از مولکول سبکی مانند متان گرفته تا هیدروهالیدهای سنگین تر:

همان طور که در جدول مشاهده می شود، جرم مولی HCl (معادل 36.46 گرم بر مول) بیشتر از مولکول هایی مانند آب یا آمونیاک است اما بسیار کمتر از جرم مولی اسید هیدروبرومیک و اسید هیدرویدیک می باشد. داده ها به روشنی نشان می دهند که هرچه عنصر دیگر سنگین تر باشد، درصد جرمی هیدروژن کم تر است. در مورد HCl، هیدروژن تنها حدود 2.8% از جرم را تشکیل می دهد و این امر تأیید می کند که کلر بر جرم مولکول غلبه دارد.

تغییرات ایزوتوپی و جرم مولکولی HCl

جرم مولکولی که ما برای HCl در نظر می گیریم (حدود 36.46) بر اساس جرم های اتمی میانگین است، اما مولکول های منفرد HCl می توانند بسته به ایزوتوپ های اتم هایشان اندکی اختلاف جرم داشته باشند. به طور طبیعی، هیدروژن در HCl تقریباً کاملاً پروتیوم (^1H) با جرم اتمی حدود 1.008 است، بنابراین تقریباً همه مولکول های HCl هیدروژن یکسانی دارند. فقط در موارد نادری مثلاً با جایگزینی دوتریوم ^2H هیدروژن متفاوت خواهد بود که جرم مولکول را کمی افزایش می دهد جرم DCl حدود 37.46 خواهد بود. کلر دارای دو ایزوتوپ رایج است: ^35Cl و ^37Cl و یک مولکول HCl ممکن است شامل هر کدام از آن ها باشد. مولکولی که اتم کلر آن ^35Cl باشد جرمی در حدود 36 واحد دارد، در حالی که با ^37Cl جرمی نزدیک 38 واحد خواهد داشت. در یک نمونه طبیعی HCl، حدود 75% مولکول ها دارای کلر 35 و حدود 25% دارای کلر 37 هستند که این ارقام منعکس کننده فراوانی طبیعی آن ها است. جرم مولکولی استاندارد 36.46 میانگین وزنی این تغییرات طبیعی است. این تفاوت های ایزوتوپی در اغلب موارد بر شیمی HCl تأثیر محسوسی ندارند اگرچه DCl به دلیل اثر ایزوتوپی ممکن است کمی کندتر واکنش دهد. برای محاسبات معمول از همان جرم های اتمی میانگین استفاده می کنیم، یعنی هیچ مولکول منفرد HCl دقیقاً 36.46 واحد جرم ندارد. هر مولکول یا اندکی سبک تر (با کلر 35) یا اندکی سنگین تر (با کلر 37) از مقدار میانگین 36.46 است. در مجموع، درک ایزوتوپ ها نشان می دهد که مقدار ذکر شده برای جرم مولکولی HCl یک میانگین است که تغییرات طبیعی جزئی را پنهان می کند.

جرم مولکولی و خواص فیزیکی HCl

جرم مولکولی ترکیبی مانند HCl می تواند بر برخی خواص فیزیکی آن اثر بگذارد، به ویژه خواصی که به رفتار گازها و حرکت مولکول ها مربوط می شوند. یکی از نتایج مستقیم جرم مولکولی HCl (36.46 گرم بر مول) چگالی بخار آن نسبت به هوا است. هوا جرم مولی متوسطی در حدود 29 گرم بر مول دارد، بنابراین گاز HCl از هوا سنگین تر است. این بدان معنا است که وقتی گاز HCl آزاد شود، به سمت پایین حرکت می کند و در نواحی پایین تجمع می یابد و بالا نمی رود. این مسئله هنگام کار با گاز HCl یک نکته ایمنی مهم است، زیرا در صورت نبود تهویه مناسب می تواند در محیط باقی بماند. مولکول های گاز سبک تر در یک دمای مشخص سریع تر از مولکول های سنگین تر منتشر می شوند. برای مثال، آمونیاک NH₃ با جرم مولی حدود 17 گرم بر مول سریع تر از HCl پخش می شود. جرم مولکولی HCl به همراه نیروهای بین مولکولی متوسط آن نیروهای دوقطبی و پراکندگی چرا که HCl مولکولی قطبی است اما پیوند هیدروژنی میان مولکول هایش ندارد باعث می شود نقطه جوش آن حدود C° -85 باشد. به طور کلی، جرم مولکولی بالاتر HCl نسبت به بسیاری از گازهای معمول، توضیح دهنده برخی رفتارهای متمایز آن است (مانند چگالی بیشتر و سرعت پخش کمتر).