Моль (символ моль ) — единица измерения количества вещества , величина, пропорциональная числу элементарных частиц вещества. Это базовая единица Международной системы единиц (СИ). В одной родинке содержится ровно6,022 140 76 × 10 23 элементарных объектов (приблизительно 602 секстиллионов или 602 миллиардов раз на триллион), которыми могут быть атомы, молекулы, ионы или другие частицы . Число частиц в моле – это число Авогадро (обозначение N 0 ) и числовое значение постоянной Авогадро (обозначение NA ), выраженное в моль -1 . [1] Значение было выбрано на основе исторического определения моля как количества вещества, которое соответствует числу атомов в 12 граммах 12 C , [ 1] благодаря которому масса моля соединения выражалась в граммах. численно равна средней молекулярной массе соединения, выраженной в дальтонах . После переопределения базовых единиц СИ в 2019 году числовая эквивалентность теперь является лишь приблизительной, но ее можно предполагать для всех практических целей.
Моль широко используется в химии как удобный способ выражения количеств реагирующих веществ и продуктов химических реакций . Например, химическое уравнение 2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O можно интерпретировать так, что на каждые 2 моля молекулярного водорода (H 2 ) и 1 моль молекулярного кислорода (O 2 ), которые реагируют, приходится 2 моля воды ( H 2 O) форма. Концентрация раствора обычно выражается его молярной концентрацией , определяемой как количество растворенного вещества на единицу объема раствора, для которой обычно используется единица измерения - моль на литр ( моль/л).
Количество объектов (символ N ) в образце размером в один моль равно числу Авогадро (символ N 0 ), безразмерной величине . [1] Исторически сложилось так, что N 0 приблизительно соответствует количеству нуклонов ( протонов или нейтронов ) в одном грамме обычного вещества . Константа Авогадро (символ NA = N 0 /моль ) имеет числовой множитель , определяемый числом Авогадро с единицей обратного моля (моль -1 ). [2] Отношение n = N / N A является мерой количества вещества (с единицей моля). [2] [3] [4]
В зависимости от природы вещества элементарной сущностью может быть атом , молекула , ион , ионная пара или субатомная частица , такая как протон . Например, 10 молей воды ( химическое соединение ) и 10 молей ртути ( химический элемент ) содержат одинаковое количество вещества, по одному атому 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 объекты химически идентичны и индивидуально различимы. Например, раствор может содержать определенное количество растворенных молекул, более или менее независимых друг от друга. Однако в твердом теле составные части фиксированы и связаны в решетчатую структуру, но их можно разделить, не теряя своей химической идентичности. Таким образом, твердое тело состоит из определенного числа молей таких объектов. В других случаях, например, в алмазе , где весь кристалл по существу представляет собой одну молекулу, моль по-прежнему используется для выражения количества атомов, связанных вместе, а не количества молекул. Таким образом, к определению составных частей вещества применяются общие химические конвенции, в других случаях могут быть указаны точные определения. Масса вещества равна его относительной атомной (или молекулярной) массе, умноженной на константу молярной массы , которая почти точно равна 1 г/моль.
История моля переплетается с историей единиц молекулярной массы и константы Авогадро .
Первая таблица стандартного атомного веса была опубликована Джоном Дальтоном (1766–1844) в 1805 году и основана на системе, в которой относительная атомная масса водорода определялась как 1. Эти относительные атомные массы были основаны на стехиометрических пропорциях химической реакции. и соединения, и этот факт во многом способствовал их признанию: химику не было необходимости подписываться на атомную теорию (недоказанную гипотезу в то время), чтобы практически использовать таблицы. Это привело бы к некоторой путанице между атомными массами (пропагандируемой сторонниками атомной теории) и эквивалентными весами (пропагандируемой ее противниками и которая иногда отличалась от относительных атомных масс на целый коэффициент), которая сохранялась на протяжении большей части девятнадцатого века.
Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) сыграл важную роль в определении относительных атомных масс со все возрастающей точностью. Он также был первым химиком, который использовал кислород в качестве стандарта для других масс. Кислород является полезным стандартом, поскольку, в отличие от водорода, он образует соединения с большинством других элементов, особенно с металлами . Однако он решил зафиксировать атомную массу кислорода равной 100, что не прижилось.
Шарль Фредерик Герхардт (1816–1856), Анри Виктор Рено (1810–78) и Станислао Канниццаро (1826–1910) расширили работы Берцелиуса, разрешив многие проблемы неизвестной стехиометрии соединений, а использование атомных масс привлекло внимание исследователей. большой консенсус ко времени Конгресса в Карлсруэ (1860 г.). Соглашение вернулось к определению атомной массы водорода как 1, хотя на уровне точности измерений того времени – относительная неопределенность около 1% – это было численно эквивалентно более позднему стандарту кислорода = 16. Однако химическое удобство Наличие кислорода в качестве основного стандарта атомной массы стало еще более очевидным с развитием аналитической химии и необходимостью все более точного определения атомной массы.
Название « моль» представляет собой перевод немецкой единицы «Mol» в 1897 году , придуманной химиком Вильгельмом Оствальдом в 1894 году от немецкого слова «Molekül» ( «молекула »). [6] [7] [8] Соответствующая концепция эквивалентной массы использовалась по крайней мере столетием ранее. [9]
Развитие масс-спектрометрии привело к принятию кислорода-16 в качестве стандартного вещества вместо природного кислорода. [10]
Определение кислорода-16 было заменено определением, основанным на углероде-12, в 1960-х годах. Международное бюро мер и весов определило моль как «количество вещества системы, которая содержит столько же элементарных частиц, сколько атомов в 0,012 килограмма углерода-12». Таким образом, согласно этому определению, один моль чистого 12 C 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 была численно равна средней массе одной молекулы или атома вещества в дальтонах и что число дальтонов в грамме равнялось числу элементарных образований в моле. Поскольку масса нуклона ( то есть протона или нейтрона ) составляет примерно 1 дальтон, а нуклоны в ядре атома составляют подавляющую часть его массы, это определение также подразумевало, что масса одного моля вещества примерно эквивалентна количество нуклонов в одном атоме или молекуле этого вещества.
Поскольку определение грамма не было математически связано с определением дальтона , количество молекул на моль NA (константа Авогадро) приходилось определять экспериментально. Экспериментальное значение, принятое CODATA в 2010 году, составляет N A =6,022 141 29 (27) × 10 23 моль -1 . [12] В 2011 году измерение было уточнено до6,02214078 ( 18 ) × 1023 моль - 1 . [13]
В 1971 году 14-й CGPM сделал родинку седьмой базовой единицей СИ . [14]
До пересмотра основных единиц СИ в 2019 году моль определялся как количество вещества системы, содержащей столько элементарных частиц, сколько атомов содержится в 12 граммах углерода -12 (наиболее распространенного изотопа углерода ). [15] Термин «грамм-молекула» раньше использовался для обозначения одного моля молекул, а термин «грамм-атом» - для обозначения одного моля атомов. [11] Например, в 1 моле MgBr 2 содержится 1 грамм-молекула MgBr 2 и 3 грамм-атома MgBr 2 . [16] [17]
В 2011 году 24-е заседание Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) согласовало план возможного пересмотра определений основных единиц СИ на 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 скорее будет определяться физическими константами , которые по своей природе являются точными. [3]
Такие изменения официально вступили в силу 20 мая 2019 года. После таких изменений «один моль» вещества было переопределено как содержащее «ровно6,022 140 76 × 10 23 элементарных объектов этого вещества. [18] [19]
С момента его принятия в Международную систему единиц в 1971 году возникла многочисленная критика концепции моля как единицы, такой как метр или секунда :
В химии со времен закона определенных пропорций Пруста (1794 г.) известно, что знания массы каждого из компонентов химической системы недостаточно для определения этой системы. Количество вещества можно описать как массу, разделенную на «определенные пропорции» Пруста, и оно содержит информацию, которая отсутствует только при измерении массы. Как показывает закон парциальных давлений Дальтона (1803 г.), измерение массы даже не является необходимым для измерения количества вещества (хотя на практике это обычное дело). Существует множество физических взаимосвязей между количеством вещества и другими физическими величинами, наиболее заметной из которых является закон идеального газа (где эта связь была впервые продемонстрирована в 1857 году). Термин «крот» впервые был использован в учебнике, описывающем эти коллигативные свойства . [24]
Как и химики, инженеры-химики широко используют единицу моля, но для промышленного использования могут быть более подходящими другие кратные единицы. Например, единицей объема в системе СИ является кубический метр, гораздо более крупная единица, чем обычно используемый в химической лаборатории литр. Когда количество вещества также выражается в кмоль (1000 моль) в процессах промышленного масштаба, числовое значение молярности остается тем же, что и . Инженеры-химики когда-то использовали килограмм-моль (обозначение кг-моль ), который определяется как количество веществ в 12 кг 12 C, и часто называли моль грамм-молем (обозначение г-моль ), а затем определяли как количество единиц в 12 г 12 С при работе с лабораторными данными. [25]
В практике химического машиностроения конца 20-го века стал использоваться киломоль ( кмоль), который численно был идентичен килограмм-моль (до переопределения единиц СИ в 2019 году , которое переопределило моль, зафиксировав значение постоянной Авогадро, что сделало его очень удобным). почти эквивалентен грамм-молю, но уже не совсем равен ему), но название и символ которого соответствуют стандарту 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 также делает уравнения, используемые для моделирования химико-технологических систем, связными . Например, для преобразования расхода кг/с в кмоль/с требуется только деление на молярную массу в г/моль (как ) без умножения на 1000, если только не использовалась основная единица измерения СИ моль/с, что привело бы к в противном случае потребуется перевести молярную массу в кг/моль.
Чтобы избежать преобразований в британские (или традиционные единицы измерения США ), некоторые инженеры приняли фунт-моль (обозначение фунт-моль или фунт-моль ), который определяется как количество единиц в 12 фунтах 12 С. Один фунт-моль равно453,592 37 г-моль , [25] что является тем же числовым значением, что и количество граммов в международном фунте эвердупуа .
Освещенность теплицы и ростовой камеры для растений иногда выражают в микромоль на квадратный метр в секунду, где 1 моль фотонов ≈6,02 × 10 23 фотонов. [26] Устаревшая единица Эйнштейна по-разному определяется как энергия одного моля фотонов, а также просто один моль фотонов.
Единственная производная единица системы СИ со специальным названием , происходящим от моля, — это катал , определяемый как один моль каталитической активности в секунду . Как и другие единицы СИ, моль также можно изменить, добавив метрический префикс , который умножает его на 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, действительно появился в научных журналах в год официального введения префикса йокто-. [27]
23 октября, обозначаемый в США как 23 октября, некоторые считают Днем Крота . [28] Это неофициальный праздник в честь подразделения среди химиков. Дата получена из числа Авогадро, которое примерно6,022 × 10 23 . Он начинается в 6:02 утра и заканчивается в 18:02. Альтернативно, некоторые химики отмечают 2 июня ( 02.06 ), 22 июня ( 22.06 ) или 6 февраля ( 06.02 ), что является ссылкой на часть 6.02 или 6.022. константы. [29] [30] [31]
Поскольку 6.02 соответствует 6 февраля, Школа объявили эту дату своим «Днем Крота».
