Το mol και η σταθερά Avogadro
Το mol γεφυρώνει δύο κλίμακες: οι αντιδράσεις συμβαίνουν ανάμεσα σε άτομα, μόρια ή ιόντα, ενώ στο εργαστήριο μετράμε γραμμάρια και όγκους. Η ποσότητα ουσίας n επιτρέπει να μετατρέπουμε με σαφήνεια μια μακροσκοπική μέτρηση σε αριθμό καθορισμένων σωματιδίων.
Οπτικό μοντέλο
Διαδραστικό μοντέλο
Ορισμός της ποσότητας ουσίας
Το mol είναι η μονάδα SI της ποσότητας ουσίας. Ένα mol περιέχει ακριβώς N_A = 6,02214076 × 10²³ καθορισμένες στοιχειώδεις οντότητες. Από το 2019 η σταθερά Avogadro έχει ακριβή αριθμητική τιμή και ο ορισμός του mol δεν βασίζεται πλέον σε 12 g άνθρακα-12.
Η ποσότητα ουσίας δεν είναι μάζα ούτε όγκος. Ένα mol ατόμων Fe και ένα mol μορίων H₂O περιέχουν ίδιο αριθμό οντοτήτων αλλά έχουν διαφορετική μάζα και διαφορετικό όγκο. Η οντότητα πρέπει πάντα να δηλώνεται: άτομο, μόριο, ιόν, ηλεκτρόνιο ή μονάδα τύπου.
Μετατροπή σωματιδίων και mol
Οι δύο βασικές σχέσεις είναι n = N/N_A και N = nN_A. Η πρώτη μετατρέπει έναν αριθμό μικροσκοπικών οντοτήτων σε ποσότητα ουσίας και η δεύτερη κάνει το αντίστροφο. Οι μονάδες βοηθούν: N_A έχει μονάδα mol⁻¹.
Ένα mol O₂ περιέχει N_A μόρια O₂ αλλά 2 mol ατόμων O. Ένα mol NaCl σε ιοντικό στερεό αντιστοιχεί σε ένα mol μονάδων τύπου, ένα mol Na⁺ και ένα mol Cl⁻. Στο CaCl₂, ένα mol μονάδων τύπου αντιστοιχεί σε ένα mol Ca²⁺ και δύο mol Cl⁻.
Μοριακή μάζα και περιοδικός πίνακας
Η γραμμομοριακή μάζα M συνδέει μάζα και ποσότητα: M = m/n, άρα n = m/M και m = nM. Για ένωση, προσθέτουμε τις ατομικές μάζες σύμφωνα με τον χημικό τύπο. Για H₂O η M είναι περίπου 18,015 g mol⁻¹.
Η αριθμητική ομοιότητα ανάμεσα σε ατομική μάζα σε u και γραμμομοριακή μάζα σε g mol⁻¹ δεν είναι σύμπτωση· προκύπτει από τον ορισμό της ατομικής μονάδας μάζας και της σταθεράς Avogadro. Οι μονάδες όμως παραμένουν διαφορετικές και δεν πρέπει να συγχέονται.
Στοιχειομετρία ως λόγος mol
Οι συντελεστές μιας εξισορροπημένης χημικής εξίσωσης δίνουν λόγους mol. Στην 2H₂ + O₂ → 2H₂O, δύο mol H₂ αντιδρούν στοιχειομετρικά με ένα mol O₂ και σχηματίζουν δύο mol H₂O. Δεν δηλώνουν γραμμάρια.
Για πρόβλημα μάζας ακολουθούμε διαδρομή m → n → στοιχειομετρικός λόγος → n → m. Αυτή η διαδρομή κρατά ξεχωριστές τις έννοιες και αποτρέπει το συχνό λάθος να συγκρίνονται απευθείας μάζες αντιδρώντων χωρίς μετατροπή σε mol.
Συγκέντρωση, αέρια και πειραματικές μετρήσεις
Σε διάλυμα η μοριακή συγκέντρωση c = n/V συνδέει ποσότητα ουσίας και όγκο. Στα αέρια, η ποσότητα μπορεί να συνδεθεί με P, V και T μέσω κατάλληλης καταστατικής εξίσωσης, όπως PV = nRT για ιδανικό αέριο. Δεν υπάρχει ένα παγκόσμιο «γραμμομοριακό όγκο» ανεξάρτητο από θερμοκρασία και πίεση.
Η ακριβής μέτρηση ξεκινά με σαφή οντότητα και μονάδες. Ένας αριθμός όπως 0,50 mol χωρίς να δηλώνεται «τι» είναι ελλιπής σε επίπεδο μοντέλου. Το mol είναι γέφυρα καταμέτρησης, όχι υλικό σωματίδιο που βρίσκεται μέσα στο δοχείο.
Ασκήσεις
Άσκηση 1
Πόσα μόρια υπάρχουν σε 0,250 mol H₂O;
Λύση: N = 0,250×6,02214076×10²³ ≈ 1,51×10²³ μόρια.
Άσκηση 2
Πόσα mol περιέχονται σε 36,03 g H₂O με M = 18,015 g mol⁻¹;
Λύση: n = m/M = 36,03/18,015 = 2,000 mol.
Άσκηση 3
Στην 2H₂ + O₂ → 2H₂O, πόσα mol H₂O μπορούν να σχηματιστούν από 3,0 mol O₂ με περίσσεια H₂;
Λύση: Ο λόγος O₂:H₂O είναι 1:2, άρα σχηματίζονται 6,0 mol H₂O.