Количество вещества
| Количество вещества | |
|---|---|
 Примерно 1 моль количества вещества из расчета на 12 граммов углерода-12. | |
Общие символы | н |
| И объединились | моль |
| Измерение | |
В химии количество вещества (обозначение n данном образце материи определяется как соотношение ( n = N / NA ) между количеством элементарных сущностей ( N ) и константой Авогадро ( NA ) в ). 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 определяется NA равным ровно 6,022 140 76 × 10. 23 моль −1 . Иногда количество вещества называют химическим количеством или, неофициально, «числом молей » в данном образце вещества.
Использование
[ редактировать ]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. примерно равно массовому числу (точно для углерода-12 по историческому определению моля). Например, молекула воды имеет массу в среднем около 18,015 дальтон, тогда как моль воды (который содержит 6,022 140 76 × 10 23 молекулы 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 ) чтобы сделать 2 молекулы воды ( H 2 O )» можно также обозначить как «1 моль O 2 прореагирует с 2 молями H 2 с образованием 2 молей воды». Тот же химический факт, выраженный в массах, будет следующим: «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» (и цифры будут зависеть от изотопного состава реагентов). По объему цифры будут зависеть от давления и температуры реагентов и продуктов . По тем же причинам концентрации реагентов и продуктов в растворе часто указывают 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 количество частиц. Есть предложения заменить «количество вещества» более легко различимыми терминами, такими как изобилие. [3] и стехиометрическое количество . [2]
ИЮПАК массы рекомендует использовать «количество вещества» вместо «числа молей», точно так же, как количество не следует называть «числом килограммов». [4]
Природа частиц
[ редактировать ]
Во избежание двусмысленности при любом измерении количества вещества следует указывать природу частиц: так, в образце 1 молекул кислорода моль ( 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
[ редактировать ]Молярные количества (на моль)
[ редактировать ]
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 18,069 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
[ редактировать ]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]
Количество 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 равна 39,962 590 98 (22) г/моль , тогда как молярная масса кальция-42 равна 41,958 618 01 (27) г/моль , а кальция с нормальной изотопной смесью 40,078. (4) г/моль .
Молярная концентрация
[ редактировать ]Молярная концентрация , также называемая молярностью , раствора некоторого вещества — это количество молей на единицу объема конечного раствора. В системе СИ стандартная единица — моль/ м. 3 , хотя используются более практичные единицы, такие как моль на литр (моль/л).
Молярная фракция
[ редактировать ]Молярная доля или мольная доля вещества в смеси (например, растворе) — это количество молей соединения в одном образце смеси, разделенное на общее количество молей всех компонентов. Например, если 20 г NaCl растворить в 100 г воды, количества двух веществ в растворе будут (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)
[ редактировать ]Еще одной важной производной величиной является величина концентрации вещества. [9] (также называемая количественной концентрацией или концентрацией вещества в клинической химии ; [10] который определяется как количество определенного вещества в пробе раствора (или какой-либо другой смеси), разделенное на объем пробы.
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
4 N
2 O ) в воде содержит 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)
[ редактировать ]Сбивает с толку то, что количественную концентрацию или «молярность» также следует отличать от «мольной доли», которая должна представлять собой количество молей (молекул) интересующего вещества, деленное на общее количество молей (молекул) в образце раствора. . Эту величину правильнее называть дробью суммы .
История
[ редактировать ]Алхимики , вероятно, имели некоторое представление о количестве вещества, но , и особенно ранние металлурги не сохранилось никаких записей о каком-либо обобщении этой идеи, помимо набора рецептов. В 1758 году Михаил Ломоносов поставил под сомнение идею о том, что масса является единственной мерой количества материи. [12] но он сделал это только в отношении своих теорий 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. первые таблицы эквивалентных масс Опубликованы для кислотно-основных реакций . Рихтер также отмечает, что для данной кислоты эквивалентная масса кислоты пропорциональна массе кислорода в основании. [13]
- 1794 : Пруста Закон определенных пропорций 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 , включая «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 Дальтона : Публикация «Новой системы химической философии» , содержащей первую таблицу атомных весов (на основе H = 1). [16]
- 1809 : Гей-Люссака Закон объединения объемов , устанавливающий целочисленную зависимость между объемами 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] Позже 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 многие химические формулы , разрешив некоторые неясности в расчете атомных весов. уточнить [13]
- 1834 : Клапейрон формулирует закон идеального газа. [23]
- Закон идеального газа был первым, кто обнаружил многие связи 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 термина «моль» для описания единицы количества вещества : Впервые зафиксировано использование Оствальдом 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 Томсон . [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 на : Единая шкала единиц атомной массы, основанная м ( 12 C) = 12 u, принятый IUPAP и IUPAC . [41]
- 1968 (CIPM) рекомендует родинку включить в Международную систему единиц (СИ) : Международный комитет мер и весов . [42]
- 1972 : Моль утвержден в качестве базовой единицы количества вещества в системе СИ. [42]
- 2019 : Моль переопределен в СИ как «количество вещества системы, содержащей 6,022 140 76 × 10 23 заданные элементарные сущности». [1]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Международная система единиц (PDF) (9-е изд.), Международное бюро мер и весов, декабрь 2022 г., ISBN 978-92-822-2272-0 п. 134
- ^ Перейти обратно: а б Джунта, Кармен Дж. (2016). «Что в имени? Количество вещества, химическое количество и стехиометрическое количество» . Журнал химического образования . 93 (4): 583–86. Бибкод : 2016ЖЧЭд..93..583Г . doi : 10.1021/acs.jchemed.5b00690 .
- ^ «Э. Р. Коэн, Т. Цвитас, Дж. Г. Фрей, Б. Хольмстрем, К. Кучицу, Р. Марквардт, И. Миллс, Ф. Павезе, М. Квак, Дж. Стонер, Х. Л. Штраус, М. Таками и А. Дж. 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.
- ^ 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.
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Количество вещества, н ». дои : 10.1351/goldbook.A00297
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ Перейти обратно: а б с Международное бюро мер и весов . Понимание крота. Архивировано 29 августа 2008 г. в Wayback Machine . Проверено 25 сентября 2008 г.
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Количественная концентрация вещества ». doi : 10.1351/goldbook.A00298
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и "Атом". Большой универсальный словарь 19 века . 1 . Париж: Пьер Ларус : 868–73. 1866 год . (на французском языке)
- ^ Лавуазье, Антуан (1789). Элементарный трактат по химии, изложенный в новом порядке и с учетом современных открытий . Париж: Ше Кюше. . (на французском языке)
- ^ Далтон, Джон (1805). «О поглощении газов водой и другими жидкостями» . Мемуары Литературно-философского общества Манчестера . 2-я серия. 1 : 271–87.
- ^ Далтон, Джон (1808). Новая система химической философии . Манчестер: Лондон.
- ^ Гей-Люссак, Жозеф Луи (1809). «Меморандум о соединении газообразных веществ друг с другом». Мемуары Общества Аркейля . 2 : 207. Английский перевод .
- ^ Авогадро, Амедео (1811). «Проверка способа определения относительных масс элементарных молекул тел и пропорций, согласно которым они входят в эти соединения». Журнал физики . 73 :58–76. Английский перевод .
- ^ Отрывки из эссе Берцелиуса: Часть II ; Часть III .
- ^ Первые измерения атомного веса Берцелиуса были опубликованы на шведском языке в 1810 году: Хисингер, В.; Берцелиус, Джей-Джей (1810). «Исследовать установленные пропорции, в которых соединяются компоненты неорганической природы». Абх. Физика, Химия Минералов . 3 : 162.
- ^ Праут, Уильям (1815). «О связи между удельным весом тел в газообразном состоянии и массами их атомов» . Анналы философии . 6 : 321–30.
- ^ Пети, Алексис Терез ; Дюлонг, Пьер-Луи (1819). «Исследование некоторых важных моментов теории тепла». Анналы химии и физики . 10 : 395–413. английский перевод
- ^ Клапейрон, Эмиль (1834). «Движущаяся сила тепла». Журнал Королевской политехнической школы . 14 (23): 153–90.
- ^ Фарадей, Майкл (1834). «Об электрическом разложении» . Философские труды Королевского общества . 124 : 77–122. дои : 10.1098/rstl.1834.0008 . S2CID 116224057 .
- ^ Крёниг, август (1856 г.). «Основы теории газов» . Анналы физики . 99 (10): 315–22. Бибкод : 1856АнП...175..315К . дои : 10.1002/andp.18561751008 .
- ^ Клаузиус, Рудольф (1857). «О типе движения, которое мы называем теплотой» . Анналы физики . 176 (3): 353–79. Бибкод : 1857АнП...176..353С . дои : 10.1002/andp.18571760302 .
- ^ Отчет Вюрца о сессиях Международного конгресса химиков в Карлсруэ 3, 4 и 5 сентября 1860 года .
- ^ Лошмидт, Дж. (1865). «О размерах молекул воздуха». Известия Императорской академии наук в Вене . 52 (2): 395–413. Английский перевод. Архивировано 7 февраля 2006 года в Wayback Machine .
- ^ Аррениус, Сванте (1887). Журнал физической химии . 1 :631.
{{cite journal}}: CS1 maint: периодическое издание без названия ( ссылка ) Английский перевод. Архивировано 18 февраля 2009 г. в Wayback Machine . - ^ Оствальд, Вильгельм (1893). Руководство и вспомогательная книга для проведения физико-химических измерений . Лейпциг: В. Энгельманн.
- ^ Хельм, Георг (1897). Основы математической химии: энергетика химических явлений . (Перевод Ливингстона Дж.; Моргана Р.). Нью-Йорк: Уайли. стр. 6 .
- ^ Эйнштейн, Альберт (1905). «О движении частиц, взвешенных в покоящихся жидкостях, требуемых молекулярно-кинетической теорией теплоты» . Анналы физики . 17 (8): 549–60. Бибкод : 1905АнП...322..549Е . дои : 10.1002/andp.19053220806 .
- ^ Перрен, Жан (1909). «Броуновское движение и молекулярная реальность». Анналы химии и физики . 8 и Серия. 18 : 1–114. Отрывок на английском языке, перевод Фредерика Содди .
- ^ Содди, Фредерик (1913). «Радиоэлементы и периодический закон» . Химические новости . 107 : 97–99.
- ^ 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 .
- ↑ Седербаум, HG (11 ноября 1915 г.). Заявление по поводу Нобелевской премии по химии 1914 года .
- ^ Астон, Фрэнсис В. (1920). «Строение атмосферного неона» . Философский журнал . 39 (6): 449–55. дои : 10.1080/14786440408636058 .
- ↑ Седербаум, HG (10 декабря 1921 г.). Вступительная речь на Нобелевскую премию по химии 1921 года .
- ↑ Седербаум, HG (10 декабря 1922 г.). Вступительная речь на Нобелевскую премию по химии 1922 года .
- ↑ Осеин, CW (10 декабря 1926 г.). Вступительная речь на Нобелевскую премию по физике 1926 года .
- ^ Холден, Норман Э. (2004). «Атомные веса и Международный комитет – исторический обзор» . Химия Интернэшнл . 26 (1): 4–7.
- ^ Перейти обратно: а б 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.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
