stringtranslate.com

Моль (единица)

Моль (символ моль ) — единица измерения , основная единица в Международной системе единиц (СИ) количества вещества , величина, пропорциональная числу элементарных единиц вещества. Один моль содержит ровно6,022 140 76 × 10 23 элементарных сущностей (приблизительно 602 секстиллиона или 602 миллиарда раз по триллиону), которые могут быть атомами, молекулами, ионами, ионными парами или другими частицами . Число частиц в моле — это число Авогадро (символ N 0 ) и численное значение постоянной Авогадро (символ N A ), выраженное в моль -1 . [1] Значение было выбрано на основе исторического определения моля как количества вещества, соответствующего числу атомов в 12  граммах 12 C , [ 1 ] что сделало массу моля соединения, выраженную в граммах, численно равной средней молекулярной массе или формульной массе соединения, выраженной в дальтонах . С пересмотром СИ 2019 года численная эквивалентность теперь является лишь приблизительной, но может предполагаться для всех практических целей.

Моль широко используется в химии как удобный способ выражения количества реагентов и количества продуктов химических реакций . Например, химическое уравнение 2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O можно интерпретировать так, что для каждых 2 моль молекулярного водорода (H 2 ) и 1 моль молекулярного кислорода (O 2 ), которые реагируют, образуется 2 моль воды (H 2 O). Концентрация раствора обычно выражается его молярной концентрацией , определяемой как количество растворенного вещества в единице объема раствора, для которой обычно используется единица моль на литр (моль/л).

Концепции

Связь с постоянной Авогадро

Число сущностей (символ N ) в одномольном образце равно числу Авогадро (символ N 0 ), безразмерной величине . [1] Исторически N 0 приблизительно соответствует числу нуклонов ( протонов или нейтронов ) в одном грамме обычного вещества . Постоянная Авогадро (символ N A = N 0 /моль ) имеет числовой множитель, заданный числом Авогадро с единицей, обратной моль (моль −1 ). [2] Отношение n = N / N A является мерой количества вещества (с единицей моль). [2] [3] [4]

Природа субъектов

В зависимости от природы вещества элементарная сущность может быть атомом , молекулой , ионом , ионной парой или субатомной частицей , такой как протон . Например, 10 моль воды ( химическое соединение ) и 10 моль ртути ( химический элемент ) содержат одинаковое количество вещества, с одним атомом ртути на каждую молекулу воды, несмотря на то, что эти два количества имеют разные объемы и разные массы.

Моль соответствует заданному количеству сущностей. [5] Обычно подсчитываемые сущности химически идентичны и индивидуально различимы. Например, раствор может содержать определенное количество растворенных молекул, которые более или менее независимы друг от друга. Однако составляющие сущности в твердом теле зафиксированы и связаны в решетчатой ​​структуре, но их можно разделить, не теряя при этом своей химической идентичности. Таким образом, твердое тело состоит из определенного количества молей таких сущностей. В других случаях, таких как алмаз , где весь кристалл по сути является одной молекулой, моль по-прежнему используется для выражения количества связанных вместе атомов, а не количества молекул. Таким образом, к определению составляющих сущностей вещества применяются общие химические соглашения, в других случаях могут быть указаны точные определения. Масса вещества равна его относительной атомной (или молекулярной) массе , умноженной на молярную массовую константу , которая составляет почти точно 1 г/моль.

История

Авогадро , который вдохновил на создание постоянной Авогадро

История моля тесно связана с историей единиц молекулярной массы и постоянной Авогадро .

Первая таблица стандартного атомного веса была опубликована Джоном Дальтоном (1766–1844) в 1805 году, на основе системы, в которой относительная атомная масса водорода была определена как 1. Эти относительные атомные массы основывались на стехиометрических пропорциях химических реакций и соединений, что значительно способствовало их принятию: химику не обязательно было подписываться под атомной теорией (недоказанной гипотезой в то время), чтобы практическое использование таблиц. Это привело бы к некоторой путанице между атомными массами (продвигаемыми сторонниками атомной теории) и эквивалентными весами (продвигаемыми ее противниками и которые иногда отличались от относительных атомных масс на целый множитель), которая сохранялась на протяжении большей части девятнадцатого века.

Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) сыграл важную роль в определении относительных атомных масс с постоянно растущей точностью. Он также был первым химиком, использовавшим кислород в качестве стандарта, к которому относились другие массы. Кислород является полезным стандартом, поскольку, в отличие от водорода, он образует соединения с большинством других элементов, особенно металлами . Однако он решил зафиксировать атомную массу кислорода как 100, что не прижилось.

Шарль Фредерик Герхардт (1816–56), Анри Виктор Реньо (1810–78) и Станислао Канниццаро ​​(1826–1910) расширили работы Берцелиуса, разрешив многие проблемы неизвестной стехиометрии соединений, а использование атомных масс привлекло большой консенсус ко времени Карлсруэского конгресса (1860). Соглашение вернулось к определению атомной массы водорода как 1, хотя на уровне точности измерений в то время — относительная неопределенность около 1% — это было численно эквивалентно более позднему стандарту кислорода = 16. Однако химическое удобство использования кислорода в качестве основного стандарта атомной массы становилось все более очевидным с достижениями в аналитической химии и потребностью во все более точных определениях атомной массы.

Название «моль» является переводом немецкой единицы измерения «моль» , придуманной химиком Вильгельмом Оствальдом в 1897 году из немецкого слова «Molekül» ( молекула ). [6] [7] [8] Связанное с этим понятие эквивалентной массы использовалось по крайней мере столетием ранее. [9]

Стандартизация

Развитие масс-спектрометрии привело к принятию кислорода-16 в качестве стандартного вещества вместо природного кислорода. [10]

Определение кислорода-16 было заменено на определение, основанное на углероде-12, в 1960-х годах. Международное бюро мер и весов определило моль как «количество вещества системы, содержащей столько же элементарных единиц, сколько атомов содержится в 0,012 килограмма углерода-12». Таким образом, по этому определению, один моль чистого 12C имел массу ровно 12  г. [11] [5] Четыре различных определения были эквивалентны с точностью до 1%.

Поскольку дальтон , единица, обычно используемая для измерения атомной массы , составляет ровно 1/12 массы атома углерода-12, это определение моля подразумевало, что масса одного моля соединения или элемента в граммах численно равна средней массе одной молекулы или атома вещества в дальтонах, и что число дальтонов в грамме равно числу элементарных сущностей в моле. Поскольку масса нуклона ( т. е. протона или нейтрона ) составляет приблизительно 1 дальтон, а нуклоны в ядре атома составляют подавляющее большинство его массы, это определение также подразумевало, что масса одного моля вещества примерно эквивалентна числу нуклонов в одном атоме или молекуле этого вещества.

Поскольку определение грамма не было математически связано с определением дальтона, число молекул на моль N A (постоянная Авогадро) должно было быть определено экспериментально. Экспериментальное значение, принятое CODATA в 2010 году, равно N A =6,022 141 29 (27) × 10 23  моль −1 . [12] В 2011 году измерение было уточнено до6,022 140 78 (18) × 10 23  моль −1 . [13]

В 1971 году 14-я ГКМВ сделала моль седьмой базовой единицей системы СИ . [14]

Пересмотр СИ 2019 года

До пересмотра СИ в 2019 году моль определялся как количество вещества системы, содержащей столько же элементарных объектов, сколько атомов содержится в 12 граммах углерода -12 (наиболее распространенного изотопа углерода ). [15] Термин грамм-молекула ранее использовался для обозначения одного моля молекул, а грамм-атом — для одного моля атомов. [11] Например, 1 моль MgBr2 равен 1 грамм-молекуле MgBr2 , но 3 грамм-атомам MgBr2 . [ 16] [17]

В 2011 году 24-е заседание Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) согласовало план возможного пересмотра определений основных единиц СИ в неопределенную дату.

16 ноября 2018 года после встречи ученых из более чем 60 стран в CGPM в Версале, Франция, все основные единицы СИ были определены в терминах физических констант. Это означало, что каждая единица СИ, включая моль, не будет определяться в терминах каких-либо физических объектов, а будет определяться физическими константами , которые по своей природе являются точными. [3]

Такие изменения официально вступили в силу 20 мая 2019 года. После этих изменений «один моль» вещества был переопределен как содержащий «ровно6,022 140 76 × 10 23 элементарных единиц» этой субстанции. [18] [19]

Критика

С момента принятия моля в Международную систему единиц в 1971 году возникло множество критических замечаний относительно концепции моля как единицы, подобной метру или секунде :

В химии, начиная с закона Пруста о постоянстве пропорций (1794) , было известно , что знание массы каждого из компонентов в химической системе недостаточно для определения системы. Количество вещества можно описать как массу, деленную на «постоянство пропорций» Пруста, и оно содержит информацию, которая отсутствует при измерении только массы. Как показывает закон Дальтона о парциальном давлении (1803), измерение массы даже не обязательно для измерения количества вещества (хотя на практике это обычное дело). Существует много физических соотношений между количеством вещества и другими физическими величинами, наиболее заметным из которых является закон идеального газа (где это соотношение было впервые продемонстрировано в 1857 году). Термин «моль» был впервые использован в учебнике, описывающем эти коллигативные свойства . [24]

Похожие единицы

Как и химики, химики-технологи широко используют единицу моль, но для промышленного использования могут быть более подходящими другие кратные единицы. Например, единицей СИ для объема является кубический метр, гораздо большая единица, чем обычно используемый в химической лаборатории литр. Когда количество вещества также выражается в кмоль (1000 моль) в промышленных масштабах, численное значение молярности остается тем же, как . Химики-технологи когда-то использовали килограмм-моль (обозначение кг-моль ), который определяется как количество объектов в 12 кг 12 C, и часто называют моль грамм-моль (обозначение г-моль ), затем определяемый как количество объектов в 12 г 12 C, при работе с лабораторными данными. [25]

В конце 20-го века в химической инженерии стали использовать киломоль (кмоль), который был численно идентичен килограмм-молю (до пересмотра СИ в 2019 году , который переопределил моль, зафиксировав значение постоянной Авогадро, сделав его почти эквивалентным, но уже не точно равным грамм-молю), но чье название и символ принимают соглашение СИ для стандартных кратных метрических единиц - таким образом, кмоль означает 1000 моль. Это эквивалентно использованию кг вместо г. Использование кмоль не только для «удобства величины», но и делает уравнения, используемые для моделирования систем химической инженерии, когерентными . Например, преобразование расхода кг/с в кмоль/с требует только деления на молярную массу в г/моль (как ) без умножения на 1000, если только не использовалась основная единица СИ моль/с, что в противном случае потребовало бы преобразования молярной массы в кг/моль.

Для удобства избежания преобразований в имперские (или общепринятые в США единицы ) некоторые инженеры приняли фунт-моль (обозначение фунт-моль или фнмоль ), который определяется как количество единиц в 12 фунтах 12 С. Один фунт-моль равен453,592 37  г‑моль , [25] что является тем же числовым значением, что и количество граммов в международном фунте эвердьюпойса .

Освещение растений в теплицах и камерах роста иногда выражается в микромолях на квадратный метр в секунду, где 1 моль фотонов ≈6,02 × 1023 фотонов . [26] Устаревшая единица Эйнштейн по-разному определяется как энергия в одном моле фотонов, а также просто как один моль фотонов.

Производные единицы и кратные СИ

Единственная производная единица СИ со специальным названием, полученным из моля, — это катал , определяемый как один моль в секунду каталитической активности . Как и другие единицы СИ, моль также можно модифицировать, добавив метрическую приставку , которая умножает его на степень 10 :

Один фемтомоль равен ровно 602 214 076 молекулам; аттомоль и меньшие количества не могут быть точно реализованы. Йоктомоль, равный примерно 0,6 отдельной молекулы, появился в научных журналах в год официального введения приставки йокто-. [27]

День крота

23 октября, обозначенное в США как 10/23, некоторые признают Днем крота . [28] Это неофициальный праздник в честь единицы среди химиков. Дата получена из числа Авогадро, которое приблизительно равно6,022 × 10 23 . Он начинается в 6:02 утра и заканчивается в 6:02 вечера. В качестве альтернативы некоторые химики отмечают 2 июня ( 06/02 ), 22 июня ( 6/22 ) или 6 февраля ( 06.02 ), ссылаясь на часть константы 6,02 или 6,022. [29] [30] [31]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Международная система единиц (PDF) (9-е изд.), Международное бюро мер и весов, декабрь 2022 г., ISBN 978-92-822-2272-0
  2. ^ ab IUPAC Gold Book. IUPAC – моль (M03980). Международный союз теоретической и прикладной химии . doi :10.1351/goldbook.M03980. S2CID  241546445.
  3. ^ ab «О пересмотре Международной системы единиц – Международный союз теоретической и прикладной химии». Международный союз теоретической и прикладной химии. 16 ноября 2018 г. Получено 1 марта 2021 г.
  4. ^ BIPM (20 мая 2019 г.). «Mise en pratique для определения моля в системе СИ». BIPM.org . Получено 18 февраля 2022 г. .
  5. ^ abc de Bièvre, Paul; Peiser, H. Steffen (1992). «Атомный вес» — название, его история, определение и единицы измерения» (PDF) . Pure and Applied Chemistry . 64 (10): 1535–43. doi :10.1351/pac199264101535.
  6. ^ Хельм, Георг (1897). Принципы математической химии: Энергетика химических явлений. перевод Ливингстона, Дж.; Моргана, Р. Нью-Йорк: Wiley. стр. 6.
  7. ↑ Некоторые источники датируют первое использование термина в английском языке 1902 годом. Merriam–Webster предлагает этимологию от Molekulärgewicht ( молекулярный вес ). Архивировано 2 ноября 2011 г. на Wayback Machine.
  8. ^ Оствальд, Вильгельм (1893). Hand- und Hilfsbuch zur Ausführung Physiko-Chemischer Messungen [ Справочник и вспомогательная книга для проведения физико-химических измерений ]. Лейпциг, Германия: Вильгельм Энгельманн. п. 119.Из стр. 119: «Nennen wir allgemein das Gewicht in Grammen, welches dem Molekulargewicht eines gegebenen Stoffes numerisch gleich ist, ein Mol, so...» (Если называть вообще вес в граммах, который численно равен молекулярному весу данное вещество, "моль", то...)
  9. ^ моль , н. 8 , Оксфордский словарь английского языка , черновик редакции, декабрь 2008 г.
  10. ^ Буш, Кеннет (2 мая 2003 г.). "Единицы измерения в масс-спектрометрии" (PDF) . Современные тенденции в масс-спектрометрии . 18 (5S): S32-S34 [S33] . Получено 29 апреля 2023 г.
  11. ^ ab Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), стр. 114–15, ISBN 92-822-2213-6, заархивировано (PDF) из оригинала 2021-06-04 , извлечено 2021-12-16
  12. ^ physics.nist.gov/ Архивировано 29.06.2015 в Wayback Machine Фундаментальные физические константы: Постоянная Авогадро
  13. ^ Андреас, Бирк и др. (2011). «Определение постоянной Авогадро путем подсчета атомов в кристалле 28 Si». Physical Review Letters . 106 (3): 30801. arXiv : 1010.2317 . Bibcode : 2011PhRvL.106c0801A. doi : 10.1103/PhysRevLett.106.030801. PMID  21405263. S2CID  18291648.
  14. ^ "BIPM – Resolution 3 of the 14th CGPM". www.bipm.org . Архивировано из оригинала 9 октября 2017 г. . Получено 1 мая 2018 г. .
  15. ^ Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), ISBN 92-822-2213-6, заархивировано (PDF) из оригинала 2021-06-04 , извлечено 2021-12-16
  16. ^ Ван, Юйсин; Буке, Фредерик; Шейкин, Илья; Тулемонд, Пьер; Реваз, Бернар; Эйстерер, Михаэль; Вебер, Харальд В.; Хиндерер, Йорг; Жюно, Ален; и др. (2003). "Удельная теплоемкость MgB2 после облучения". Journal of Physics: Condensed Matter . 15 (6): 883–893. arXiv : cond-mat/0208169 . Bibcode : 2003JPCM...15..883W. doi : 10.1088/0953-8984/15/6/315. S2CID  16981008.
  17. ^ Лорц, Р.; Ванг, И.; Абэ, С.; Мейнгаст, К.; Падерно, Ю.; Филиппов, В.; Жюно, А.; и др. (2005). "Удельная теплоемкость, магнитная восприимчивость, сопротивление и тепловое расширение сверхпроводника ZrB 12 ". Phys. Rev. B . 72 (2): 024547. arXiv : cond-mat/0502193 . Bibcode :2005PhRvB..72b4547L. doi :10.1103/PhysRevB.72.024547. S2CID  38571250.
  18. ^ Отчет CIPM 106-го заседания. Архивировано 27 января 2018 г. на Wayback Machine. Получено 7 апреля 2018 г.
  19. ^ "Redefining the Mole". NIST . 2018-10-23 . Получено 24 октября 2018 г.
  20. ^ Бараньски, Анджей (2012). «Атомная единица массы, постоянная Авогадро и моль: путь к пониманию». Журнал химического образования . 89 (1): 97–102. Bibcode : 2012JChEd..89...97B. doi : 10.1021/ed2001957.
  21. ^ Прайс, Гэри (2010). «Неудачи глобальной системы измерений. Часть 1: случай химии». Аккредитация и обеспечение качества . 15 (7): 421–427. doi :10.1007/s00769-010-0655-z. S2CID  95388009.
  22. ^ Йоханссон, Ингвар (2010). «Метрологическое мышление нуждается в понятиях параметрических величин, единиц и измерений». Metrologia . 47 (3): 219–230. Bibcode : 2010Metro..47..219J. doi : 10.1088/0026-1394/47/3/012. S2CID  122242959.
  23. ^ Купер, Г.; Хамфри, С. (2010). «Онтологическое различие между единицами и сущностями». Synthese . 187 (2): 393–401. doi :10.1007/s11229-010-9832-1. S2CID  46532636.
  24. ^ Научные основы аналитической химии: Элементарное изложение. Macmillan and co., limited. 1900. OL  7204743M.
  25. ^ ab Himmelblau, David (1996). Основные принципы и расчеты в химической инженерии (6-е изд.). Prentice Hall PTR. стр. 17–20. ISBN 978-0-13-305798-0.
  26. ^ "Преобразование светового излучения". Архивировано из оригинала 11 марта 2016 г. Получено 10 марта 2016 г.
  27. ^ Чен, Да Йонг и др. (1991). «Недорогое, высокочувствительное лазерно-индуцированное флуоресцентное обнаружение для секвенирования ДНК методом капиллярного гель-электрофореза». Журнал хроматографии . 559 (1–2): 237–246. doi :10.1016/0021-9673(91)80074-Q. PMID  1761625.
  28. ↑ История Национального фонда дня крота, Inc. Архивировано 23 октября 2010 г. на Wayback Machine .
  29. ^ С Днем Крота! Архивировано 29 июля 2014 г. в Wayback Machine , Мэри Бигелоу. Блог SciLinks, Национальная ассоциация преподавателей естественных наук. 17 октября 2013 г.
  30. ^ Что такое День крота? – Дата и как праздновать. Архивировано 30 июля 2014 г. на Wikiwix, Энн Мари Хелменстайн. About.com.
  31. ↑ Школа Персе (7 февраля 2013 г.), Школа Персе празднует день рождения молей — химических элементов, Cambridge Network, архивировано из оригинала 11 февраля 2015 г. , извлечено 11 февраля 2015 г. Поскольку 6.02 соответствует 6 февраля, Школа приняла эту дату в качестве своего «Дня крота».

Внешние ссылки