Количество вещества

Обширная физическая собственность

В химии количество вещества (символ n ) в данном образце _{материи} определяется как соотношение ( n = N / NA ) между количеством элементарных сущностей ( N ) и константой Авогадро ( NA ₎ . Сущностями обычно являются молекулы , атомы или ионы определенного вида. Конкретное отобранное вещество может быть указано с использованием нижнего индекса, например, количество хлорида натрия (NaCl) будет обозначаться как n _NaCl . Единицей количества вещества в Международной системе единиц является моль (обозначение: mol), основная единица измерения . ^[1] _С 2019 года значение постоянной Авогадро NA определяется как точное6,02214076 × 1023 ^моль  - ¹ . _ _ Иногда количество вещества называют химическим количеством или, неофициально, «числом молей » в данном образце вещества.

Применение

Исторически моль определялся как количество вещества в 12 граммах изотопа углерода-12 . Как следствие, масса одного моля химического соединения в граммах численно равна (для всех практических целей) массе одной молекулы соединения в дальтонах и молярной массе изотопа в граммах на моль. равно массовому числу. Например, молекула воды имеет массу в среднем около 18,015 дальтон, тогда как моль воды (который содержит6,022 140 76 × 10 ²³ молекул воды) имеет общую массу около 18,015 грамм.

В химии из-за закона кратных пропорций зачастую гораздо удобнее работать с количествами веществ (то есть количеством молей или молекул), чем с массами (граммами) или объемами (литрами). Например, химический факт «1 молекула кислорода ( O
₂) будет реагировать с 2 молекулами водорода ( H
₂) с образованием 2 молей воды ( H ₂ O )» также можно сформулировать как «1 моль O ₂ прореагирует с 2 молями H ₂ с образованием 2 молей воды». Тот же химический факт, выраженный через массы , будет «32 г (1 моль) кислорода вступит в реакцию примерно с 4,0304 г (2 моля H
₂) водорода, чтобы получить примерно 36,0304 г (2 моля) воды» (причём цифры будут зависеть от изотопного состава реагентов). По объёму числа будут зависеть от давления и температуры реагентов и продуктов . По тем же причинам концентрации реагентов и продуктов в растворе часто указываются в молях на литр, а не в граммах на литр.

Количество вещества также является удобным понятием в термодинамике . Например, давление определенного количества благородного газа в ресивере данного объема при данной температуре напрямую связано с числом молекул в газе (через закон идеального газа ), а не с его массой.

Этот технический смысл термина «количество вещества» не следует путать с общим смыслом слова «количество» в английском языке . Последнее может относиться к другим измерениям, таким как масса или объем ^[2] , а не к числу частиц. Есть предложения заменить «количество вещества» более легко различимыми терминами, такими как энплетия ^[3] и стехиометрическое количество . ^[2]

ИЮПАК рекомендует использовать «количество вещества» вместо «количества молей», точно так же, как количество массы не следует называть «числом килограммов». ^[4]

Природа частиц

Во избежание двусмысленности при любом измерении количества вещества следует указывать природу частиц: так, в образце 1 моль молекул кислорода ( O
₂) имеет массу около 32 граммов, тогда как образец из 1 моля атомов кислорода ( О ) имеет массу около 16 граммов. ^{[5] [6]}

Производные величины

Молярные количества (на моль)

Отношение некоторой обширной физической величины однородного образца к количеству в нем вещества — это интенсивное свойство вещества, обычно называемое приставкой «молярный» или суффиксом «на моль». ^[7]

Например, отношение массы образца к количеству вещества представляет собой его молярную массу , для которой можно использовать единицу СИ килограмм на моль или грамм на моль. Для воды это около 18,015 г/моль, для железа — 55,845 г/моль . Аналогично для объема можно получить молярный объем , который составляет около 17,962 миллилитра на моль для жидкой воды и 7,092 мл/моль для железа при комнатной температуре. Из теплоемкости получают молярную теплоемкость , которая составляет около 75,385  Дж /( К⋅моль ) для воды и около 25,10 Дж/(К⋅моль) для железа.

Молярная масса

Молярная масса вещества — это отношение массы образца этого вещества к количеству вещества в нем. Количество вещества выражается количеством молей в образце. Для большинства практических целей числовое значение молярной массы, выраженное в единице грамма на моль, совпадает со значением средней массы одной молекулы вещества, выраженной в единице дальтон , поскольку моль исторически определялся так, что молярная масса массовая константа составляла ровно 1 г/моль. Это позволяет точно определить количество вещества в молях путем измерения массы. Учитывая молекулярную массу в дальтонах , то же число в граммах дает количество, очень близкое к одному молю вещества. Например, средняя молекулярная масса воды составляет около 18,015 Да, а молярная масса воды — около 18,015 г/моль. ^[8] Другие методы включают использование молярного объема или измерение электрического заряда . ^[8]

Число молей вещества в образце получают путем деления массы образца на молярную массу соединения. Например, в 100 г воды содержится около 5,551 моль воды. ^[8]

Молярная масса вещества зависит не только от его молекулярной формулы , но и от распределения изотопов каждого присутствующего в нем химического элемента. Например, молярная масса кальция-40 равна39,962 590 98 (22) г/моль , тогда как молярная масса кальция-42 равна41,95861801 ( 27 ) г/моль , а кальция с нормальной изотопной смесью40,078(4) г/моль .

Молярная концентрация

Молярная концентрация , также называемая молярностью , раствора некоторого вещества — это количество молей на единицу объема конечного раствора. Стандартной единицей измерения в системе СИ является моль/ м ³ , хотя используются и более практичные единицы, такие как моль на литр (моль/л).

Молярная фракция

Молярная доля или мольная доля вещества в смеси (например, растворе) — это количество молей соединения в одном образце смеси, деленное на общее количество молей всех компонентов. Например, если 20 г NaCl растворить в 100 г воды, количества двух веществ в растворе будут равны (20 г)/(58,443 г/моль) = 0,34221 моль и (100 г)/(18,015 г). /моль) = 5,5509 моль соответственно; а мольная доля NaCl составит 0,34221/(0,34221 + 5,5509) = 0,05807 .

В смеси газов парциальное давление каждого компонента пропорционально его мольному соотношению.

Суммарная концентрация (моль на литр)

Другой важной производной величиной является количество концентрации вещества ^[9] (также называемое количественной концентрацией или концентрацией вещества в клинической химии ; ^[10] которое определяется как количество конкретного вещества в образце раствора (или какой-либо другой смеси) ), разделенный на объем образца.

Единицей этой величины в системе СИ является моль (вещества) на литр (раствора). Так, например, объемная концентрация хлорида натрия в океанской воде обычно составляет около 0,599 моль/л.

В знаменателе стоит объем раствора, а не растворителя. Так, например, в одном литре стандартной водки содержится около 0,40 л этанола (315 г, 6,85 моль) и 0,60 л воды. Таким образом, объемная концентрация этанола равна (6,85 моль этанола)/(1 л водки) = 6,85 моль/л, а не (6,85 моль этанола)/(0,60 л воды), что составит 11,4 моль/л.

В химии принято читать моль/л как моляр и обозначать его символом «М» (оба следуют за числовым значением). Так, например, каждый литр «0,5 молярного» или «0,5 М» раствора мочевины ( СН
₄Н
₂O ) в воде содержится 0,5 моля этой молекулы. В более широком смысле, количественную концентрацию также обычно называют молярностью интересующего вещества в растворе. Однако по состоянию на май 2007 г. ИЮПАК не одобряет эти термины и символы. ^[11]

Эту величину не следует путать с массовой концентрацией , которая представляет собой массу интересующего вещества, деленную на объем раствора (около 35 г/л для хлорида натрия в океанской воде).

Суммарная доля (моль на моль)

Как ни странно, но количественную концентрацию или «молярность» также следует отличать от «мольной доли», которая должна представлять собой количество молей (молекул) интересующего вещества, разделенное на общее количество молей (молекул) в образце раствора. . Эту величину правильнее называть дробью суммы .

История

Алхимики , и особенно ранние металлурги , вероятно , имели некоторое представление о количестве вещества, но не сохранилось никаких записей о каком-либо обобщении этой идеи, кроме набора рецептов. В 1758 году Михаил Ломоносов поставил под сомнение идею о том, что масса является единственной мерой количества материи, ^[12] но сделал это только в отношении своих теорий о гравитации . Развитие концепции количества вещества совпало с зарождением современной химии и имело жизненно важное значение для него.

• 1777 : Венцель публикует «Уроки сродства» , в которых демонстрирует, что пропорции «основного компонента» и «кислотного компонента» ( катиона и аниона в современной терминологии) остаются одинаковыми во время реакций между двумя нейтральными солями . ^[13]
• 1789 : Лавуазье публикует «Трактат по элементарной химии» , в котором вводит понятие химического элемента и разъясняет закон сохранения массы для химических реакций. ^[14]
• 1792 : Рихтер публикует первый том « Стехиометрии, или искусства измерения химических элементов» (публикация последующих томов продолжается до 1802 года). Термин « стехиометрия » используется впервые. Опубликованы первые таблицы эквивалентных масс для кислотно-основных реакций . Рихтер также отмечает, что для данной кислоты эквивалентная масса кислоты пропорциональна массе кислорода в основании. ^[13]
• 1794 : Закон определенных пропорций Пруста обобщает концепцию эквивалентных весов на все типы химических реакций, а не только на кислотно-основные реакции. ^[13]
• 1805 : Дальтон публикует свою первую статью по современной теории атома , в том числе «Таблицу относительных весов элементарных частиц газообразных и других тел». ^[15]

  Концепция атомов поставила вопрос об их весе. Хотя многие скептически относились к реальности атомов, химики быстро обнаружили, что атомные массы являются бесценным инструментом для выражения стехиометрических соотношений.

• 1808 : Публикация «Новой системы химической философии» Дальтона , содержащей первую таблицу атомных весов (на основе H = 1). ^[16]
• 1809 : Закон объединения объёмов Гей-Люссака , устанавливающий целочисленную зависимость между объёмами реагентов и продуктов химических реакций газов. ^[17]
• 1811 : Авогадро выдвинул гипотезу о том, что равные объемы различных газов (при одинаковой температуре и давлении) содержат одинаковое количество частиц, теперь это известно как закон Авогадро . ^[18]
• 1813/1814 : Берцелиус публикует первую из нескольких таблиц атомных весов, основанных на шкале m (O) = 100. ^{[13] [19] [20]}
• 1815 : Праут публикует свою гипотезу о том, что все атомные веса кратны атомному весу водорода. ^[21] Позднее от этой гипотезы отказались, учитывая наблюдаемый атомный вес хлора (около 35,5 по отношению к водороду).
• 1819 : Закон Дюлонга-Пти , связывающий атомный вес твердого элемента с его удельной теплоемкостью . ^[22]
• 1819 : Работа Мичерлиха по кристаллическому изоморфизму позволяет уточнить многие химические формулы , разрешив некоторые неясности в расчете атомных весов. ^[13]
• 1834 : Клапейрон формулирует закон идеального газа. ^[23]

  Закон идеального газа был первым, кто обнаружил множество взаимосвязей между числом атомов или молекул в системе и другими физическими свойствами системы, помимо ее массы. Однако этого было недостаточно, чтобы убедить всех учёных в существовании атомов и молекул, многие считали это просто полезным инструментом для вычислений.

• 1834 : Фарадей формулирует свои законы электролиза , в частности, что «химическое разлагающее действие тока является постоянным для постоянного количества электричества ». ^[24]
• 1856 : Крениг выводит закон идеального газа из кинетической теории . ^{[25] В следующем году} Клаузиус публикует независимый вывод. ^[26]
• 1860 : Конгресс в Карлсруэ обсуждает связь между «физическими молекулами», «химическими молекулами» и атомами, но не достигает консенсуса. ^[27]
• 1865 : Лошмидт делает первую оценку размера молекул газа и, следовательно, числа молекул в данном объеме газа, которая теперь известна как константа Лошмидта . ^[28]
• 1886 : Вант-Гофф демонстрирует сходство поведения разбавленных растворов и идеальных газов.
• 1886 : Ойген Гольдштейн наблюдает лучи дискретных частиц в газовых разрядах, заложив основу масс-спектрометрии , инструмента, который впоследствии использовался для определения масс атомов и молекул.
• 1887 : Аррениус описывает диссоциацию электролита в растворе, решая одну из проблем изучения коллигативных свойств. ^[29]
• 1893 : Впервые зафиксировано использование Оствальдом термина «моль» для описания единицы количества вещества в университетском учебнике. ^[30]
• 1897 : Первое зарегистрированное использование термина «крот» на английском языке. ^[31]
• На рубеже двадцатого века концепция атомных и молекулярных образований была общепринятой, но оставалось много вопросов, не в последнюю очередь размер атомов и их количество в данном образце. Одновременное развитие масс-спектрометрии , начавшееся в 1886 году, поддержало концепцию атомной и молекулярной массы и предоставило инструмент прямых относительных измерений.
• 1905 : Статья Эйнштейна о броуновском движении развеивает последние сомнения в физической реальности атомов и открывает путь к точному определению их массы. ^[32]
• 1909 : Перрен называет константу Авогадро и оценивает ее значение. ^[33]
• 1913 : Открытие изотопов нерадиоактивных элементов Содди ^[34] и Томсоном . ^[35]
• 1914 : Ричардс получает Нобелевскую премию по химии «за определение атомного веса большого числа элементов». ^[36]
• 1920 : Астон предлагает правило целых чисел , обновленную версию гипотезы Праута . ^[37]
• 1921 : Содди получает Нобелевскую премию по химии «за работы по химии радиоактивных веществ и исследования изотопов». ^[38]
• 1922 : Астон получает Нобелевскую премию по химии «за открытие изотопов большого числа нерадиоактивных элементов и за правило целых чисел». ^[39]
• 1926 : Перрен получает Нобелевскую премию по физике , частично за работу по измерению постоянной Авогадро. ^[40]
• 1959/1960 : Единая шкала атомных единиц массы, основанная на m ( ^{12 C)} = 12 u , принятая IUPAP и IUPAC . ^[41]
• 1968 : Международный комитет мер и весов (CIPM) рекомендует моль для включения в Международную систему единиц (СИ) . ^[42]
• 1972 : Моль утвержден в качестве базовой единицы количества вещества в системе СИ. ^[42]
• 2019 : Моль переопределен в СИ как «количество вещества системы, содержащей6,022 140 76 × 10 ²³ заданных элементарных объектов». ^[1]

Смотрите также

• Международная система величин
• Количество материи

Рекомендации

1. Le Système International d'Unités [ Международная система единиц ] (PDF) (на французском и английском языках) (9-е изд.), Международное бюро мер и весов, 2019, ISBN 978-92-822-2272-0п. 134
2. Джунта, Кармен Дж. (2016). «Что в имени? Количество вещества, химическое количество и стехиометрическое количество». Журнал химического образования . 93 (4): 583–86. Бибкод :2016JChEd..93..583G. doi : 10.1021/acs.jchemed.5b00690 .
3. "Э. Р. Коэн, Т. Цвитас, Дж. Г. Фрей, Б. Хольмстрём, К. Кучицу, Р. Марквардт, И. Миллс, Ф. Павезе, М. Квак, Дж. Стонер, Х. Л. Штраус, М. Таками и Эй Джей Тор , «Количества, единицы и символы в физической химии», Зеленая книга ИЮПАК, 3-е издание, 2-е издание, Издательство ИЮПАК и RSC, Кембридж (2008)» (PDF) . п. 4. Архивировано из оригинала (PDF) 20 декабря 2016 г. Проверено 24 мая 2019 г.
4. Международный союз теоретической и прикладной химии (1993). Количества, единицы и символы в физической химии , 2-е издание, Оксфорд: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . п. 4. Электронная версия. 
5. ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) «количество вещества, n». дои : 10.1351/goldbook.A00297
6. Международный союз теоретической и прикладной химии (1993). Количества, единицы и символы в физической химии , 2-е издание, Оксфорд: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . п. 46. ​​Электронная версия. 
7. Международный союз теоретической и прикладной химии (1993). Количества, единицы и символы в физической химии , 2-е издание, Оксфорд: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . п. 7. Электронная версия. 
8. Международное бюро мер и весов . Понимание крота. Архивировано 29 августа 2008 г. в Wayback Machine . Проверено 25 сентября 2008 г.
9. ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) «Количество концентрации вещества». дои :10.1351/goldbook.A00298
10. Международный союз теоретической и прикладной химии (1996). «Словарь величин и единиц клинической химии» (PDF) . Чистое приложение. хим. 68 : 957–1000. дои : 10.1351/pac199668040957. S2CID  95196393.
11. Международный союз теоретической и прикладной химии (1993). Количества, единицы и символы в физической химии , 2-е издание, Оксфорд: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . п. 42 (п. 15). Электронная версия. 
12. Ломоносов, Михаил (1970). «О соотношении количества материала и веса». В Лестере Генри М. (ред.). Михаил Васильевич Ломоносов о корпускулярной теории . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. стр. 224–33 - через Интернет-архив .
13. "Атоме". Большой вселенский словарь XIX века . Париж: Пьер Ларусс . 1 : 868–73. 1866.. (На французском)
14. Лавуазье, Антуан (1789). Traité élémentaire de chimie, присутствующий в новом порядке и после окончания современных открытий. Париж: Ше Кюше.. (На французском)
15. Далтон, Джон (1805). «О поглощении газов водой и другими жидкостями». Мемуары Литературно-философского общества Манчестера . 2-я серия. 1 : 271–87.
16. Далтон, Джон (1808). Новая система химической философии. Манчестер: Лондон.
17. Гей-Люссак, Жозеф Луи (1809). «Мемуар о сочетании газовых веществ, les unes avec les autres». Мемуары общества д'Аркюэль . 2 : 207.Английский перевод.
18. Авогадро, Амедео (1811). «Essai d'une maniere de deerter les массам, родственным элементарным молекулам тела, и les пропорциям selon lesquelles elles entrent dans ces combinisons». Журнал де Физический . 73 : 58–76.Английский перевод.
19. Отрывки из эссе Берцелиуса: Часть II; Часть III.
20. Первые измерения атомного веса Берцелиуса были опубликованы на шведском языке в 1810 году: Хизингер, В.; Берцелиус, Джей-Джей (1810). «Forsok rorande de bestamda дозатор, havari den oorganiska naturals bestandsdelar finnas forenada». Афх. Фис., Кеми Минерал . 3 : 162.
21. Праут, Уильям (1815). «О связи между удельным весом тел в газообразном состоянии и массами их атомов». Анналы философии . 6 : 321–30.
22. Пети, Алексис Терез ; Дюлонг, Пьер-Луи (1819). «Исследования важных точек теории Теории де ла Шалёр». Annales de Chimie et de Physique . 10 : 395–413.английский перевод
23. Клапейрон, Эмиль (1834). «Мощь шалёра». Журнал Королевской политехнической школы . 14 (23): 153–90.
24. Фарадей, Майкл (1834). «Об электрическом разложении». Философские труды Королевского общества . 124 : 77–122. дои : 10.1098/rstl.1834.0008. S2CID  116224057.
25. Крениг, август (1856 г.). «Grundzüge einer Theorie der Gase». Аннален дер Физик . 99 (10): 315–22. Бибкод : 1856АнП...175..315К. дои : 10.1002/andp.18561751008.
26. Клаузиус, Рудольф (1857). «Ueber die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen». Аннален дер Физик . 176 (3): 353–79. Бибкод : 1857AnP...176..353C. дои : 10.1002/andp.18571760302.
27. Вюрца о сессиях Международного конгресса химиков в Карлсруэ 3, 4 и 5 сентября 1860 года.
28. Лошмидт, Дж. (1865). «Zur Grösse der Luftmoleküle». Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien . 52 (2): 395–413.Английский перевод. Архивировано 7 февраля 2006 года в Wayback Machine .
29. Аррениус, Сванте (1887). Zeitschrift für Physikalische Chemie . 1 :631.{{cite journal}}: CS1 maint: периодическое издание без названия ( ссылка )Английский перевод. Архивировано 18 февраля 2009 г. в Wayback Machine .
30. Оствальд, Вильгельм (1893). Hand- und Hilfsbuch zur ausführung физико-химические сообщения. Лейпциг: В. Энгельманн.
31. Хельм, Георг (1897). Основы математической химии: энергетика химических явлений. (Перевод Ливингстона Дж.; Моргана Р.). Нью-Йорк: Уайли. стр. 6.
32. Эйнштейн, Альберт (1905). «Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flussigkeiten suspendierten Teilchen». Аннален дер Физик . 17 (8): 549–60. Бибкод : 1905АнП...322..549Е. дои : 10.1002/andp.19053220806 .
33. Перрен, Жан (1909). «Движение Браунинга и Молекулярной Реальности». Annales de Chimie et de Physique . 8 ^-я серия. 18 : 1–114.Отрывок на английском языке, перевод Фредерика Содди.
34. Содди, Фредерик (1913). «Радиоэлементы и Периодический закон». Химические новости . 107 : 97–99.
35. Томсон, Джей-Джей (1913). «Лучи положительного электричества». Труды Королевского общества А. 89 (607): 1–20. Бибкод : 1913RSPSA..89....1T. дои : 10.1098/rspa.1913.0057 .
36. Седербаум, HG (11 ноября 1915 г.). Заявление по поводу Нобелевской премии по химии 1914 года .
37. Астон, Фрэнсис В. (1920). «Структура атмосферного неона». Философский журнал . 39 (6): 449–55. дои : 10.1080/14786440408636058.
38. Седербаум, HG (10 декабря 1921 г.). Вступительная речь на Нобелевскую премию по химии 1921 года .
39. Седербаум, HG (10 декабря 1922 г.). Вступительная речь на Нобелевскую премию по химии 1922 года .
40. Осеин, CW (10 декабря 1926 г.). Вступительная речь на Нобелевскую премию по физике 1926 года .
41. Холден, Норман Э. (2004). «Атомные веса и Международный комитет - исторический обзор». Химия Интернэшнл . 26 (1): 4–7.
42. 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 04 июня 2021 г. , получено 16 декабря 2021 г.