Количество вещества. Моль. Молярная масса

Химики работают с атомами и молекулами, но взвешивают граммы и килограммы. Как узнать, сколько молекул в стакане воды, и как взять два вещества так, чтобы их частиц было поровну? Для этого в химии есть особая величина — количество вещества. Она связывает мир частиц с миром весов и мерных цилиндров, и без неё не решается почти ни одна расчётная задача ОГЭ.

Количество вещества и моль

Представим, что нужно получить воду из водорода и кислорода. На каждую молекулу кислорода нужны две молекулы водорода. Считать молекулы поштучно невозможно: их слишком много. Поэтому их считают большими порциями, как яйца считают десятками, а бумагу — пачками.

Количество вещества \(n\) — это величина, которая показывает число структурных единиц вещества (атомов, молекул, ионов или формульных единиц), выраженное в молях. Моль — единица количества вещества: это порция вещества, в которой содержится столько же частиц, сколько атомов в 12 г углерода-12. Это число огромно, примерно \(6{,}02 \cdot 10^{23}\), то есть шестьсот две тысячи миллиардов миллиардов.

Постоянная Авогадро

Число частиц в одном моле называют постоянной Авогадро и обозначают \(N_A\):

\[ N_A = 6{,}02 \cdot 10^{23}\ \text{моль}^{-1}. \]

Один моль воды содержит \(6{,}02 \cdot 10^{23}\) молекул, один моль железа — столько же атомов, один моль поваренной соли — столько же формульных единиц \(\ce{NaCl}\). Чтобы перейти от числа частиц \(N\) к количеству вещества, число частиц делят на постоянную Авогадро; это формула n = N / Nₐ:

\[ n = \frac{N}{N_A}, \qquad N = n \cdot N_A. \]

Например, \(3{,}01 \cdot 10^{23}\) молекул кислорода составляют \(3{,}01 \cdot 10^{23} / 6{,}02 \cdot 10^{23} = 0{,}5\) моль. А в 2 моль воды \(2 \cdot 6{,}02 \cdot 10^{23} = 1{,}204 \cdot 10^{24}\) молекул; атомов в них втрое больше, \(3{,}612 \cdot 10^{24}\), ведь каждая молекула \(\ce{H2O}\) состоит из трёх атомов.

Молярная масса

Взвесить моль вещества гораздо проще, чем сосчитать его частицы. Молярная масса \(M\) — это масса одного моля вещества, её единица — г/моль. Моль выбран так, что молярная масса численно равна относительной молекулярной (или атомной) массе: \(M_r(\ce{H2O}) = 18\), значит, \(M(\ce{H2O}) = 18\) г/моль. Так же \(M(\ce{CO2}) = 44\) г/моль, \(M(\ce{NaOH}) = 40\) г/моль, \(M(\ce{Fe}) = 56\) г/моль.

Связь массы и количества вещества выражает формула n = m / M:

\[ n = \frac{m}{M}, \qquad m = n \cdot M, \qquad M = \frac{m}{n}. \]

В 36 г воды содержится \(36 / 18 = 2\) моль вещества. Масса 0,5 моль карбоната кальция равна \(0{,}5 \cdot 100 = 50\) г. Если 0,25 моль некоторого вещества весят 16 г, его молярная масса \(16 / 0{,}25 = 64\) г/моль — например, это может быть оксид серы(IV) \(\ce{SO2}\).