Моль как единица измерения количества вещества¶
Моль — основная единица измерения количества вещества в Международной системе единиц (СИ), численно равная количеству структурных элементов (атомов, молекул, ионов, электронов или других частиц), содержащихся в веществе и равному числу атомов в 12 г углерода-12. Обозначение — «моль», русское сокращение — «моль», международное — «mol». Моль является одной из семи основных единиц СИ и входит в число единиц, не имеющих размерности (наряду со стерадианом и радианом), хотя формально размерность моля определяется через число частиц.
¶Определение и история
Понятие моля было введено в 1900 году немецким физикохимиком Вильгельмом Оствальдом, предложившим считать молем количество вещества, масса которого в граммах численно равна его молярной массе. В 1961 году моль был официально принят в качестве единицы измерения количества вещества в системе СИ. Первоначальное определение опиралось на понятие «количество вещества» как числа структурных элементов, делённого на постоянную Авогадро.
С 20 мая 2019 года, в рамках реформы системы СИ, определение моля было переформулировано: моль теперь равен точному значению 6,02214076 × 10²³ структурных элементов. Это число называется постоянной Авогадро (обозначение — $N_A$) и было зафиксировано как точная константа, не имеющая погрешности. Ранее моль определялся через массу 12 г углерода-12, что создавало циклическую зависимость между определением атомной единицы массы и моля.
¶Постоянная Авогадро
Постоянная Авогадро названа в честь итальянского учёного Амедео Авогадро, впервые высказавшего в 1811 году гипотезу о том, что одинаковые объёмы газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Числовое значение константы $N_A = 6,02214076 × 10²³$ моль⁻¹ является точным по определению с 2019 года. До 2019 года измеренное значение составляло примерно 6,022140857 × 10²³ моль⁻¹ с относительной погрешностью порядка 10⁻⁸.
¶Расчёт количества вещества
Количество вещества $n$ вычисляется по формулам:
- $n = N / N_A$, где $N$ — число структурных элементов;
- $n = m / M$, где $m$ — масса вещества, $M$ — молярная масса;
- $n = V / V_m$, где $V$ — объём газа, $V_m$ — молярный объём.
Молярная масса $M$ выражается в г/моль и численно совпадает с относительной молекулярной массой $M_r$. Например, молярная масса воды H₂O составляет около 18,02 г/моль, что означает: в 18,02 г воды содержится ровно 1 моль молекул, то есть 6,02214076 × 10²³ молекул.
Молярный объём идеального газа при нормальных условиях (0 °C и давлении 101,325 кПа) равен 22,414 л/моль. При температуре 25 °C и том же давлении молярный объём составляет около 24,465 л/моль.
¶Применение в химии
Моль является центральной единицей измерения в химии, поскольку позволяет соотносить макроскопические параметры вещества (массу, объём) с числом реагирующих частиц. Химические уравнения записываются в молях: коэффициенты при формулах показывают молярные соотношения реагентов и продуктов.
При расчёте растворов концентрация выражается через молярность (моль/л) или молярную долю. Например, раствор с концентрацией 1 моль/л означает, что в 1 литре раствора содержится 1 моль растворённого вещества.
¶Связанные единицы
С молем связаны производные единицы:
| Единица | Обозначение | Определение |
|---|---|---|
| Молярная масса | г/моль | масса вещества, делённая на его количество |
| Молярный объём | л/моль | объём вещества, делённый на его количество |
| Молярная концентрация | моль/л | количество вещества в единице объёма раствора |
| Молярная энергия | Дж/моль | энергия в расчёте на 1 моль вещества |
¶Единицы, производные от моля
Понятие моля применяется не только в химии, но и в физике, биохимии и смежных науках. В биохимии для обозначения количества больших молекул (белков, нуклеиновых кислот) иногда используют единицу «катали» (kat) для каталитической активности, численно равную молю в секунду, однако сам моль остаётся базовой единицей.
¶Интересные факты
- Моль — единственная основная единица СИ, названная не в честь учёного, а по латинскому слову moles, означающему «груда», «масса».
- Постоянная Авогадро была утверждена как точная константа 20 мая 2019 года одновременно с фиксацией значения постоянной Планка, элементарного заряда, постоянной Больцмана и постоянной Фарадея.
- До реформы 2019 года определение моля через массу углерода-12 создавало логическую проблему: чтобы измерить молярную массу, требовалось сначала определить моль, что циклически зависело от атомной единицы массы.
¶Источники
- Международная система единиц (СИ), 9-е издание, BIPM
- ГОСТ 8.417-2002. Единицы измерения величин
- Физическая энциклопедия, т. 2
- Химическая энциклопедия, т. 3