Mooli: Avogadron luku ja moolin määritelmä kemiassa
Mooli ja Avogadron luku selkokielellä: mitä 6,022×10^23 tarkoittaa, miten mooli liittyy atomi- ja molekyylimassoihin (amu) sekä havainnollistavat esimerkit kemiassa.
Mooli on SI-mittayksikkö, jota käytetään aineen määrän (amount of substance) eli yleensä atomien tai molekyylien lukumäärän mittaamiseen. Moolin tunnus on mol. Yksi mooli tarkoittaa täsmälleen sitä, että siinä on yhtä monta perusentiteettiä kuin mitä on Avogadron luvussa: 6,02214076×10^23 entiteettiä (Avogadron luku). Entiteetit voivat olla atomeja, molekyylejä, ioneja, elektroneja tai muita erikseen määriteltyjä yksiköitä.
Avogadron luku ja moolin uudelleenmäärittely
Vuoden 2019 SI-järjestelmän uudistuksessa mooli määriteltiin tarkasti kiinnittämällä Avogadron luku arvoon 6,02214076×10^23 mol-1. Aiempi, historiallinen tapa selittää mooli liittyi hiili‑12-isotooppiin: ennen uudelleenmäärittelyä mooli oli määritelty siten, että yhdessä moolissa oli yhtä monta atomin tai molekyylin yksikköä kuin 0,012 kilogrammassa (grammassa 12) hiili‑12‑atomia. Nykyinen määritelmä on yksiselitteinen ja perustuu kiinteään numeeriseen arvoon.
Moolin ja massan yhteys
Koska eri atomeilla ja molekyyleillä on erilaiset massat, yksi mooli yhdestä aineesta ei paina yhtä paljon kuin yksi mooli toisesta aineesta. Aineen moolimassa (molar mass, yleensä M) ilmaistaan yksikössä grammaa per mooli (g·mol-1). Jos tunnet aineen moolimassan, voit laskea massan ja moolien välisen yhteyden kaavalla:
- N = NA · n — partikkeleiden lukumäärä N on Avogadron luvun NA kertotaulu moolien lukumäärällä n.
- m = n · M — aineen massa m (grammoina) saadaan kertomalla moolien lukumäärä n aineen moolimassalla M.
Atomien ja molekyylien massa mitataan tyypillisesti yksikössä amu (atomic mass unit), joka nykyisin merkitään usein u tai Da (dalton). Yksi yksikkö (1 u) on määritelty siten, että numerollinen arvo atomimassassa yksikössä u on yhtä suuri kuin aineen moolimassa yksikössä g·mol-1. Käytännössä tämä tarkoittaa, että jos atomin massa on 1 u, yhden moolin tällaisia atomeja massa on 1 g.
Esimerkkejä
- Yksi mooli vetyatomeja (noin 1,008 u per atomi) painaa noin 1,008 g. Siis 1 mol H ≈ 1,008 g.
- Vesimolekyylin (H2O) moolimassa on noin 18,015 g·mol-1, joten 1 mol vesimolekyylejä painaa noin 18,015 g.
- Partikkeleiden lukumäärän lasku: jos sinulla on 0,5 mol jotakin ainetta, partikkelien lukumäärä on 0,5 · 6,02214076×10^23 ≈ 3,011×10^23.
Suuruusluokka ja havainnollistuksia
Avogadron luvun suuruusluokka on vaikea hahmottaa arjessa. Lähin "rento" vertausluku suomen kielellä voisi olla miljoona‑miljoona‑miljoona‑miljoona eli 1024, mutta Avogadron luku on tätä hieman pienempi (6,02214076×10^23). Tästä syystä yksi mooli tavallista, pientä esinettä tarkoittaa äärimmäisen suuren määrän kappaleita — esimerkiksi yksi mooli viinirypäleitä vastaisi käytännössä käsittämätöntä massaa ja tilavuutta.
Käytännön merkitys
Mooli on kemiassa ja stoikiometriassa keskeinen käsite, koska se yhdistää atomitason ominaisuudet makroskooppisiin mittoihin. Reaktioiden tasapainotuksessa, pitoisuuksien laskemisessa ja konsentraatioissa (esim. mol·L-1) käytetään usein moolimäärää ja moolimassoja. Moolin kiinteä määritelmä takaa, että laskelmat perustuvat muuttumattomaan perusvakioon.
Matematiikka moolin kanssa
Moolit = massa (g) / suhteellinen massa (grammaa moolia kohti).
Esimerkki: Kuinka monta moolia on 20 grammassa vetyä?
Vedyn suhteelliselle massalle voidaan antaa arvo 1, vaikka oikea arvo onkin hieman suurempi. Eli: mooli = massa/suhteellinen massa = 20/1 = 20 moolia.
Moolit = konsentraatio (mol/dm3) x tilavuus (dm3).
Esimerkki: Kuinka monta moolia on 100cm3 0,1M H2SO4:ssa?
1 dm3 on sama kuin 1000 cm3, joten kuutiosenttimetreinä ilmaistu arvo on jaettava 1000:lla. 100/1000 x 0,1 = 0,01 moolia.
Metaanimolekyyli muodostuu yhdestä hiiliatomista ja neljästä vetyatomista. Hiilen massa on 12,011 u ja vedyn massa on 1,008 u. Tämä tarkoittaa, että yhden metaanimolekyylin massa on 12,011 u + (4 × 1,008u) eli 16,043 u. Tämä tarkoittaa, että yhden moolin metaanin massa on 16,043 grammaa.
Myyrää voidaan ajatella kahtena erikokoisten pallojen pussina. Toinen pussi sisältää 3 tennispalloa ja toinen 3 jalkapalloa. Molemmissa pusseissa on sama määrä palloja, mutta jalkapallojen massa on paljon suurempi. Se on erilainen tapa mitata asioita. Moolit mittaavat hiukkasten lukumäärää, eivät massaa. Molemmissa pusseissa on siis kolme moolia.
Mooli on yksinkertaisesti asioiden lukumäärän yksikkö. Muita yleisiä yksiköitä ovat tusina, joka tarkoittaa 12:ta, ja pisteet, joka tarkoittaa 20:tä. Vastaavasti mooli viittaa tiettyyn määrään - sen erityispiirre on, että sen määrä on paljon suurempi kuin muiden yleisten yksiköiden. Tällaisia yksiköitä keksitään yleensä silloin, kun olemassa olevat yksiköt eivät pysty kuvaamaan jotakin asiaa riittävän helposti. Kemialliset reaktiot tapahtuvat tyypillisesti eripainoisten molekyylien välillä, joten massan mittaaminen (esimerkiksi grammoina) voi olla harhaanjohtavaa, kun verrataan yksittäisten molekyylien reaktioita. Toisaalta atomien/molekyylien/ionien absoluuttisen lukumäärän käyttäminen olisi myös hämmentävää, koska valtavien lukujen vuoksi olisi liian helppoa sijoittaa jokin arvo väärin tai pudottaa jokin numero. Näin ollen mooleissa työskentely antaa tutkijoille mahdollisuuden viitata tiettyyn molekyylien tai atomien määrään ilman, että käytetään liian suuria lukuja.
Liittyvät yksiköt
Molaarisen konsentraation SI-yksiköt ovat mol/m3. Useimmissa kemiallisissa kirjoituksissa käytetään kuitenkin mol/dm3 tai mol dm-3, joka on sama kuin mol/l. Nämä yksiköt kirjoitetaan usein isolla M-kirjaimella (lausutaan "molaarinen"), jota edeltää joskus SI-etuliite, esimerkiksi millimoolia litrassa (mmol/L) tai millimolaarista (mM), mikromoolia litrassa (µmol/L) tai mikromolaarista (µM) tai nanomoolia litrassa (nmol/L) tai nanomolaarista (nM).
Kemiallisen reaktion absoluuttinen saanto ilmoitetaan useimmiten mooleina (ns. "molaarinen saanto").
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on SI-yksikkö, jota käytetään molekyylien ja atomien mittaamiseen?
V: Molekyylien ja atomien mittaamiseen käytetty SI-yksikkö on mooli.
K: Kuinka monta molekyyliä on yhdessä moolista?
A: Yksi mooli sisältää noin 600 sekstimiljoonaa molekyyliä.
K: Miksi tutkijat käyttävät tätä lukua?
V: Tutkijat käyttävät tätä lukua, koska 1 gramma vetyä vastaa 1 moolia atomeja.
K: Mikä on yhden moolin tarkka arvo?
V: Yhden moolin tarkka arvo on 6,02214078×1023, joka on nimetty sen keksijän Avogadron mukaan.
K: Onko käytännöllistä mitata useimmat tehtävät mooleilla?
V: Ei, useimpia tehtäviä ei ole käytännöllistä mitata moolien avulla, sillä arvo on niin valtava, että yksi mooli greippiä olisi yhtä suuri kuin maapallo.
K: Miten eri molekyylejä ja atomeja mitataan?
V: Erilaiset molekyylit ja atomit mitataan amu (atomimassayksiköissä).
K: Miten amu liittyy grammaan moolia kohti? V: Yksi amu vastaa yhtä grammaa moolia kohti, mikä tarkoittaa, että jos atomin massa on yksi amu, yksi mooli tätä atomia painaa yhden gramman.
Etsiä