โมลและค่าคงที่อาโวกาโดร

ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นระหว่างอะตอม โมเลกุล และไอออน แต่ในห้องปฏิบัติการเราวัดมวล ปริมาตร และความเข้มข้น โมลจึงเป็นสะพานเชิงปริมาณระหว่างระดับอนุภาคกับระดับที่ชั่งตวงได้

นิยามของโมล

โมลเป็นหน่วย SI ของปริมาณสาร หนึ่งโมลมีองค์ประกอบพื้นฐานที่ระบุไว้จำนวนเท่ากับ 6.02214076 × 10²³ อย่างแน่นอน ค่านี้คือค่าคงที่อาโวกาโดร N_A หน่วย mol⁻¹ คำว่าองค์ประกอบพื้นฐานต้องระบุให้ชัดว่าเป็นอะตอม โมเลกุล ไอออน อิเล็กตรอน หรือหน่วยสูตรของของแข็งไอออนิก

สมการ n = N/N_A และ N = เอ็นเอ็น_A เชื่อมจำนวนอนุภาคกับปริมาณสาร โมลไม่ใช่มวล 1 mol Fe และ 1 mol H₂O มีจำนวนหน่วยที่นับเท่ากันตามนิยาม แต่มีมวลต่างกันมาก

มวลโมลาร์เชื่อมกรัมกับโมล

มวลโมลาร์ M = m/n ดังนั้น n = m/M น้ำมี M ≈ 18.015 g mol⁻¹ ถ้ามีน้ำ 9.00 g จะได้ n ≈ 0.4996 mol H₂O และ N ≈ 3.01 × 10²³ โมเลกุล

สูตรเคมีก็เป็นส่วนหนึ่งของการนับ 1 mol H₂O มี 2 mol ของอะตอม H และ 1 mol ของอะตอม O ส่วน 1 mol CaCl₂ มี 1 mol Ca²⁺ และ 2 mol Cl⁻

สัมประสิทธิ์สมการให้สัดส่วนโมล

ใน 2H₂ + O₂ → 2H₂O สัมประสิทธิ์บอกว่า H₂ 2 mol ทำปฏิกิริยากับ O₂ 1 mol ให้ H₂O 2 mol ดังนั้นโจทย์มวลต่อมวลควรเดินตามเส้นทาง มวล → โมล → อัตราส่วนสโตอิชิโอเมทรี → โมล → มวล

สารละลาย แก๊ส และประจุไฟฟ้า

สารละลายใช้ c = n/V เพื่อหาปริมาณสาร สำหรับแก๊ส ค่า 22.4 L mol⁻¹ ใช้ได้เฉพาะเงื่อนไขบางอย่าง เพราะปริมาตรโมลาร์ขึ้นกับอุณหภูมิและความดัน ความสัมพันธ์ทั่วไปคือ PV = เอ็นอาร์ที ส่วนอิเล็กตรอน 1 mol มีประจุประมาณ 96 485 C

N_A เป็นค่าที่กำหนดแน่นอน แต่ถ้ามวลวัดได้เพียงสามเลขนัยสำคัญ คำตอบสุดท้ายก็ไม่ควรอ้างความแม่นยำเกินข้อมูลทดลอง

ตรวจหน่วยและระบุสิ่งที่นับ

การวิเคราะห์หน่วยช่วยตรวจความถูกต้องได้ทันที เช่น g หารด้วย g mol⁻¹ ต้องเหลือ mol และ mol คูณ mol⁻¹ ต้องเหลือจำนวนที่ไม่มีหน่วย ถ้าหน่วยสุดท้ายไม่ตรงกับสิ่งที่โจทย์ถาม แสดงว่าเส้นทางการแปลงมีปัญหา

อย่าละคำที่ระบุสิ่งที่นับ 1 mol H₂O โมเลกุล ไม่ใช่สิ่งเดียวกับ 1 mol H อะตอม ตัวอย่าง 1.00 mmol = 1.00 × 10⁻³ mol ยังเท่ากับประมาณ 6.02 × 10²⁰ หน่วยพื้นฐาน ซึ่งเป็นจำนวนมหาศาลแม้ปริมาณในห้องปฏิบัติการจะเล็กมาก

มวลของอนุภาคกับมวลโมลาร์

มวลของอนุภาคหนึ่งหน่วยใน u และมวลโมลาร์ใน g mol⁻¹ เป็นคนละปริมาณ แม้ค่าตัวเลขจะใกล้เคียงกัน ความสอดคล้องเชิงตัวเลขนี้ทำให้ค่ามวลอะตอมในตารางธาตุใช้คำนวณมวลของสารในระดับโมลได้สะดวก

จากอนุภาคกลับสู่ข้อมูลมหภาค

โจทย์ไม่ได้เดินทางจากมวลไปหาอนุภาคเท่านั้น ถ้าทราบจำนวนโมเลกุลจากแบบจำลองหรือการวัดเชิงสเปกโทรสโกปี ก็ใช้ n = N/N_A เพื่อย้อนกลับเป็น mol แล้วเชื่อมกับมวล ความเข้มข้น หรือปริมาตรแก๊สได้ เส้นทางเดียวกันจึงใช้ได้สองทิศ

ในสารประกอบที่มีสูตรซับซ้อน ควรเขียนหน่วยที่นับทุกขั้น เช่น mol SO₄²⁻ หรือ mol O อะตอม เพราะจำนวนอะตอมต่อหนึ่งหน่วยสูตรอาจทำให้คำตอบต่างกันหลายเท่าโดยที่ตัวเลขกลางดูสมเหตุผล

แบบฝึกหัด

NaCl เป็นกี่หน่วยสูตร

NaCl 11.7 g, M = 58.44 g mol⁻¹

เฉลย: n ≈ 0.200 mol จึงมีประมาณ 1.20 × 10²³ หน่วยสูตร

ไอออน Na⁺ ในสารละลาย

NaCl 0.150 mol L⁻¹ ปริมาตร 100.0 mL

เฉลย: n = ประวัติย่อ = 0.0150 mol และอัตราส่วน NaCl:Na⁺ = 1:1 จึงมี Na⁺ 0.0150 mol

O₂ ให้ H₂O

O₂ 0.50 mol และ H₂ มากเกินพอ

เฉลย: 1 mol O₂ ให้ 2 mol H₂O ดังนั้นได้ H₂O 1.00 mol