Χημεία (A΄ Λυκείου) - Βιβλίο Μαθητή (Εμπλουτισμένο)

1.2. Γνωρίσματα της ύλης (μάζα, όγκος, πυκνότητα)
Μετρήσεις και μονάδες

Μετρήσεις - Μονάδες μέτρησης

Πολλά από τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της ύλης είναι μετρήσιμα. Οι μετρήσεις αυτές γίνονται με τη βοήθεια ειδικών οργάνων. Έτσι για το μήκος έχουμε το μέτρο, για τη μάζα το ζυγό (ζυγαριά), για τον όγκο τον ογκομετρικό κύλινδρο, για τη θερμοκρασία το θερμόμετρο κλπ.
Η ποσοτική έκφραση ενός μεγέθους γίνεται με τη χρήση ενός αριθμού (αριθμητική τιμή) π.χ. 5 και μιας μονάδας μέτρησης π.χ. kg. Δηλαδή ένα υλικό σώμα έχει μάζα m=5kg.
ΣΧΗΜΑ 1.1 α. Θερμόμετρο β. Ογκομετρικός κύλινδρος, για τη μέτρηση της θερμοκρασίας και του όγκου ενός υγρού, αντίστοιχα.
ΣΧΗΜΑ 1.1 α. Θερμόμετρο β. Ογκομετρικός κύλινδρος, για τη μέτρηση της θερμοκρασίας και του όγκου ενός υγρού, αντίστοιχα.

To Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI)

Το μετρικό σύστημα καθορίστηκε στη Γαλλία στα τέλη του 18ου αιώνα και χρησιμοποιήθηκε ως σύστημα μέτρησης στις περισσότερες χώρες του κόσμου. Το 1960 καθορίστηκε μετά από διεθνή συμφωνία, το Διεθνές Σύστημα Μονάδων: SI (από τα αρχικά των γαλλικών λέξεων Système International d' Unités). Το σύστημα SI περιέχει 7 θεμελιώδη μεγέθη με τις χαρακτηριστικές μονάδες τους (ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1). Όλα τα άλλα μεγέθη που χρησιμοποιούνται είναι παράγωγα των θεμελιωδών αυτών μεγεθών. Παρά την προσπάθεια των επιστημόνων για την πλήρη επικράτηση του Διεθνούς Συστήματος Μονάδων εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σήμερα και άλλες μονάδες, π.χ. η πίεση ενός αερίου εκφράζεται συνήθως σε atm και όχι σε pascal - Pa (N/m2 , όπου Ν= Kg.m/s2).
ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ
ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1: Θεμελιώδη μεγέθη – Μονάδες
Μέγεθος Σύμβολο μεγέθους Ονομασία μονάδας Σύμβολο
μονάδας
μήκος l μέτρο m
μάζα m χιλιόγραμμο kg
χρόνος t Δευτερόλεπτο s
θερμοκρασία Τ κέλβιν Κ
ποσότητα ύλης η μολ mol
ένταση ηλεκτρικού ρεύματος I αμπέρ A
φωτεινή ένταση Iu καντέλα cd
Πολλές φορές χρησιμοποιούμε πολλαπλάσια και υποπολλαπλάσια των θεμελιωδών μονάδων (εύχρηστες μονάδες).


ΠΙΝΑΚΑΣ 1.2: Πολλαπλάσια - Υποπολλαπλάσια μονάδων
Πρόθεμα Σύμβολο Σχέση με τη βασική μονάδα Παράδειγμα
μεγα (mega) Μ 106 1 Mm = 106m
χιλιο (kilo) k 103 1 km = 103m
δέκατο (deci) d 10-1 1dm = 10-1m
εκατοστο (centi) c

10-2

 

 1 cm= 10-2m
χιλιοστο (milli) m 10-3 1 mm = 10-3 m
μικρό (micro) μ 10-6 1 μm = 10-6m
νανο (nano) n 10-9 1 nm = 10-9 m
πικο (pico) p 10-12 1 pm = 10-12 m
Οι μετρήσεις που συχνότατα χρησιμοποιούμε στη χημεία περιλαμβάνουν τα μεγέθη μάζα, όγκος, πυκνότητα και θερμοκρασία.
• Μονάδες πίεσης:
1Pa = 1N/m2(SI)
1atm = 101325 Pa= 760 mmHg

• Μονάδες θερμοκρασίας:
°C, Κ (SI)
Τ (Κ) = θ(°C) + 273
• Άλλη μονάδα μήκους :
1 Å = 10-8cm = 10-10,
χρησιμοποιείται συνήθως για την έκφραση της ατομικής ακτίνας, του μήκους του δεσμού κ.λ.π.
Παράδειγμα 1.1

Το όριο ταχύτητας σ' έναν αυτοκινητόδρομο είναι 110 km/h. Να εκφράσετε την ταχύτητα αυτή σε μονάδες SI.

ΛΥΣΗ
Γνωρίζουμε ότι 1 km = 103 m και 1 h = 3600 s. Άρα το όριο της ταχύτητας είναι 110 km/h = 110·103 m / 3600 s =
= 30,56 m s-1.

Παράδειγμα 1.2
Η διάμετρος του ατόμου του υδρογόνου (Η) είναι 0,212 nm. Να υπολογίσετε τη διάμετρο του ατόμου σε m και σε Å.

ΛΥΣΗ
Αφού το lnm = 10-9m, η διάμετρος θα είναι 0,212 ·10-9m, και καθώς

1Å=10-10m, δηλαδή 1m=1010Å, θα έχουμε 0,212 ·10-9m=
0,212 ·10-91010Å, δηλαδή 0,212 ·10 Å=2,12 Å

Γνωρίσματα της ύλης

Μάζα και Βάρος

Τα μεγέθη μάζα και βάρος είναι διαφορετικά. Ένα σώμα έχει την ίδια μάζα σ' όλα τα μέρη της γης, έχει όμως διαφορετικό βάρος από τόπο σε τόπο. Το βάρος είναι συνάρτηση του γεωγραφικού πλάτους και της απόστασης του σώματος από την επιφάνεια της θάλασσας.
ΣΧΗΜΑ 1.2 Το βάρος του αστροναύτη στη σελήνη είναι το 1/ 6 αυτού που έχει στη γη, λόγω διαφοράς ανάμεσα στο πεδίο βαρύτητας (g) της σελήνης και γης. Αντίθετα, ο αστροναύτης έχει την ίδια μάζα στη γη και στη σελήνη.
ΣΧΗΜΑ 1.2  Το βάρος του αστροναύτη στη σελήνη είναι το 1/ 6 αυτού που έχει στη γη, λόγω διαφοράς ανάμεσα στο πεδίο βαρύτητας (g) της σελήνης και γης. Αντίθετα, ο αστροναύτης έχει την ίδια μάζα στη γη και στη σελήνη.
• Βάρος είναι η ελκτική δύναμη που ασκείται στο σώμα από το πεδίο βαρύτητας της γης
ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

Μάζα (m)

  • Μάζα είναι το μέτρο της αντίστασης που παρουσιάζει ένα σώμα ως προς τη μεταβολή της ταχύτητάς του και εκφράζει το ποσό της ύλης που περιέχεται σε μία ουσία.
Η μάζα είναι κυρίαρχο μέγεθος στη χημεία και η μέτρησή της γίνεται με τη βοήθεια ζυγών. Παρ' όλο που η μονάδα μέτρησης στο SI είναι το χιλιόγραμμο (Kg), πολύ συχνά χρησιμοποιούνται υποπολλαπλάσιά της όπως το γραμμάριο (g) και χιλιοστόγραμμο (mg).

ΣΧΗΜΑ 1.3 Εργαστηριακός ζυγός ενός δίσκου με βερνιέρο και σύγχρονοι ηλεκτρονικοί ζυγοί ακριβείας για τη μέτρηση μάζας.
ΣΧΗΜΑ 1.3 Εργαστηριακός ζυγός ενός δίσκου με βερνιέρο και σύγχρονοι ηλεκτρονικοί ζυγοί ακριβείας για τη μέτρηση μάζας.

Όγκος (V)

  • Όγκος είναι ο χώρος που καταλαμβάνει ένα σώμα.
Στο σύστημα SI θεμελιώδες μέγεθος είναι το μήκος, με μονάδα το μέτρο (m), και παράγωγο αυτού μέγεθος είναι ο όγκος, εκφρασμένος σε κυβικά μέτρα (m3). Στο χημικό εργαστήριο συνήθως χρησιμοποιούνται μικρότερες μονάδες, όπως είναι το κυβικό δεκατόμετρο (dm3), που είναι περίπου ίσο με το λίτρο (L), και το κυβικό εκατοστόμετρο (cm3), που είναι περίπου ίσο με το χιλιοστόλιτρο (mL).

ΣΧΗΜΑ 1.4 Ο ορισμός των μονάδων όγκου m3, dm3, cm3 και η μεταξύ τους σχέση.
ΣΧΗΜΑ 1.4 Ο ορισμός των μονάδων όγκου m3, dm3, cm3 και η μεταξύ τους σχέση.
• 1 Kg = 103 g = 1000 g
1g = 103mg = 1000 mg
Eικόνα
To δυναμόμετρο είναι όργανο μέτρησης βάρους.

 

 

• 1 L = 1000 mL
1 cm3 = 1 mL
1 L = 1 dm3

 

• To λίτρο (L) ορίζεται ως ο όγκος που καταλαμβάνει 1 kg νερού στους 4 °C. Λόγω της μικρής τους διαφοράς το mL και cm3 μπορούν να χρησιμοποιηθούν αδιάκριτα. Για εκπαιδευτικούς λόγους πολλές φορές προτείνεται το cm3 να χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των αερίων όγκων και το mL για τους όγκους των υγρών. Με την ίδια λογική μπορούμε να διακρίνουμε το L από το dm3.

Η μέτρηση του όγκου στο χημικό εργαστήριο γίνεται με τη βοήθεια ογκομετρικών οργάνων όπως είναι η προχοΐδα, το σιφώνιο (πιπέτα), ο ογκομετρικός κύλινδρος, η ογκομετρική φιάλη κ.λ.π.
ΣΧΗΜΑ 1.5 Από τα πιο συνηθισμένα όργανα για τη μέτρηση του όγκου ενός υγρούείναι: 1.η προχοΐδα : 2. το σιφώνιο εκροής 3.ο ογκομετρικός κύλινδρος και 4. η ογκομετρική φιάλη
ΣΧΗΜΑ 1.5 Από τα πιο συνηθισμένα όργανα για τη μέτρηση του όγκου ενός υγρού είναι: 1.η προχοΐδα : 2. το σιφώνιο εκροής 3.ο ογκομετρικός κύλινδρος και 4. η ογκομετρική φιάλη

 

Παράδειγμα 1.3

Το «ύψος» της βροχής μιας μέρας ήταν σ' ένα τόπο 10 mm. Να υπολογίσετε τον όγκο του νερού που κάλυψε επιφάνεια 1 km2.

ΛΥΣΗ
Ο όγκος του νερού ισούται με το γινόμενο της επιφάνειας επί το ύψος. Δηλαδή V = s h.
s=1 km2 = l-106m2 = 106m2
h= 10mm= 10-10-3m= 10-2m
Άρα V = sh= 106m2·10-2m ή V= 104m3 = 10000 m3

Πυκνότητα (ρ)

  • Η πυκνότητα ορίζεται ως το πηλίκο της μάζας προς τον αντίστοιχο όγκο σε σταθερές συνθήκες πίεσης (όταν πρόκειται για αέριο) και θερμοκρασίας.
ρ=m/V
Η μονάδα της πυκνότητας (παράγωγο μέγεθος) στο SI είναι το Kg /m3.
• Η πυκνότητα πολλές φορές στην Ελληνική και διεθνή βιβλιογραφία συμβολίζεται με d. Στο παρόν βιβλίο υιοθετείται η πρόταση της IUPAC και συμβολίζεται με ρ.
ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ
Εύχρηστες όμως μονάδες είναι το g/mL (ή g/cm3). Ειδικά στα αέρια, όπου έχουμε μικρές πυκνότητες, συνήθως χρησιμοποιούμε το g/L.

 

Παράδειγμα 1.4

Το αργίλιο (Αl) είναι ένα πολύ εύχρηστο μέταλλο. Ένας κύβος από αργίλιο έχει ακμή 2 cm. Με τη βοήθεια του ζυγού η μάζα του βρέθηκε 21,6 g. Ποια είναι η πυκνότητα του Αl;

ΛΥΣΗ
V = (2 cm)3 ή V = 8 cm3
ρ = m / V = 21,6 g / 8 cm3 ή ρ = 2,7 g/cm3.

Παράδειγμα 1.5

Η πυκνότητα του νερού στη θερμοκρασία δωματίου θεωρείται περίπου ίση με 1 g /mL. Να εκφράσετε την πυκνότητα αυτή σε kg/m3 και σε g/L.

ΛΥΣΗ
Είναι ρ = 1 g/mL = 10-3kg/10-6m3 = 103 kg/m3 = 1000 kg/m3.
Δηλαδή 1m3 νερού ζυγίζει 1 (μετρικό) τόνο.
Επίσης έχουμε ρ = 1 g /mL = 1 g/10-3L = 1000 g/L.
Δηλαδή 1L νερού ζυγίζει 1 kg.