Моль и постоянная Авогадро
Моль — единица количества вещества в СИ, связывающая микроскопическое число частиц с измеряемой в лаборатории массой. Один моль содержит точно 6,02214076 × 10²³ указанных элементарных объектов. При расчёте важно назвать объект: атом, молекулу, ион, электрон или формульную единицу.
Наглядная модель
Интерактивная модель
Постоянная Авогадро определена точно
N_A = 6,02214076 × 10²³ моль⁻¹ имеет в СИ точное значение. Соотношение N = nN_A переводит количество вещества n в число объектов N, а n = N/N_A выполняет обратное преобразование.
Моль не означает обязательно молекулы. Один моль кристалла NaCl — это один моль формульных единиц NaCl, содержащий один моль Na⁺ и один моль Cl⁻. Один моль He — один моль атомов гелия.
От массы к количеству вещества
В лаборатории количество вещества часто находят по формуле n = m/M, где m — масса образца, а M — молярная масса. Если m выражена в граммах, удобно использовать M в г·моль⁻¹, чтобы единицы сократились до молей.
18,015 г воды при M(H₂O) ≈ 18,015 г·моль⁻¹ соответствует примерно 1 молю молекул H₂O. В таком количестве содержатся 2 моля атомов H и 1 моль атомов O.
Коэффициенты уравнения задают мольные отношения
Коэффициенты сбалансированного уравнения дают отношения как числа частиц, так и молей. В 2H₂ + O₂ → 2H₂O на два моля H₂ требуется один моль O₂ и может образоваться два моля H₂O.
Коэффициенты нельзя путать с нижними индексами. Индекс ₂ в H₂ описывает состав одной молекулы, а коэффициент 2 перед H₂ — число молекул или количество молей молекул.
Газы и растворы
Для идеального газа количество вещества связано с давлением, объёмом и температурой уравнением PV = nRT. Фиксированный «молярный объём» справедлив только при конкретно указанных температуре и давлении.
Для растворов используется c = n/V. Если 0,250 моль вещества находится в 0,500 л раствора, c = 0,500 моль·л⁻¹. При разбавлении число молей растворённого вещества может оставаться постоянным, хотя концентрация уменьшается.
Точность и масштаб
N_A определена точно, но измеренные масса и молярная масса могут иметь неопределённость. Большое число цифр на калькуляторе не делает результат физически точнее исходных данных; значащие цифры должны отражать качество измерений.
Число Авогадро огромно: даже 1 ммоль содержит около 6,022 × 10²⁰ объектов. Поэтому моль — удобный мост между атомным масштабом и макроскопическим количеством вещества в лаборатории.
Задачи
Вода
Сколько молей в 36,03 г воды при M=18,015 г·моль⁻¹?
Решение: n = 36,03/18,015 = 2,000 моль.
Число молекул
Сколько молекул в 0,500 моль CO₂?
Решение: N = 0,500·6,02214076×10²³ ≈ 3,011×10²³ молекул.
NaCl
Что означает 1 моль NaCl с точки зрения ионов?
Решение: Он содержит 1 моль Na⁺ и 1 моль Cl⁻, то есть всего 2 моля ионов.