Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В химии , то количество вещества в данном образце вещества определяется как число дискретных частиц атомного масштаба в нем , деленное на постоянной Авогадро N A . С истинно атомистической точки зрения количество вещества - это просто количество частиц, составляющих вещество. [1] [2] [3] Частицы или объекты могут быть молекулами , атомами , ионами , электронами или другими, в зависимости от контекста. Величина постоянной Авогадро N A была определена как6.022 140 76 × 10 23  моль -1 . С истинно атомистической точки зрения 1 моль =6.022 140 76 × 10 23 частиц ( число Авогадро ) [4], поэтому константа преобразования просто N A = 1. [3] Количество вещества иногда называют химическим количеством .

Моль (символ: моль) - это единица количества вещества в Международной системе единиц , определяемая (с 2019 года) путем фиксации постоянной Авогадро на заданном значении. Исторически моль определяли 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 в среднем массу около 18,015 дальтон, тогда как моль воды (которая содержит6.022 140 76 × 10 23 молекул воды) имеет общую массу около 18.015 граммов.

В химии из-за закона множественных пропорций часто гораздо удобнее работать с количествами веществ (то есть с количеством молей или молекул), чем с массами (граммами) или объемами (литры). 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
будет реагировать с 2 молями H
2
чтобы образовать 2 моля воды ». Тот же химический факт, выраженный в единицах масс, будет следующим:« 32 г (1 моль) кислорода вступят в реакцию примерно с 4,0304 г (2 моля H
2
) водорода, чтобы получить приблизительно 36,0304 г (2 моля) воды »(и числа будут зависеть от изотопного состава реагентов). Что касается объема, 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 приемнике данного объема при данной температуре напрямую связано с количеством молекул в газе (согласно закону 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 [5], а не к количеству частиц. Есть предложения заменить «количество вещества» более легко различимыми терминами, такими как энплет [6] и стехиометрическое количество . [5]

ИЮПАК рекомендует «количество вещества» следует использовать вместо «числа молей», так же , как величина массы не следует называть «количеством килограмм». [7]

Природа частиц [ править ]

Для того, чтобы избежать неоднозначности, природа частиц должны быть указаны в любом измерении количества вещества: Таким образом, 1 моль молекул из кислорода ( O
2
) составляет около 32 граммов, тогда как 1 моль атомов кислорода ( O ) составляет около 16 граммов. [8] [9]

Производные количества [ править ]

Молярные количества (на моль) [ править ]

Отношение некоторого экстенсивного физического количества однородного образца к его количеству вещества является интенсивным свойством вещества, обычно обозначаемым приставкой моляр . [10]

Например, отношение массы образца к количеству его вещества - это молярная масса , единицей СИ которой являются килограммы (или, чаще, граммы) на моль; что составляет около 18,015 г / моль для воды и 55,845 г / моль для железа . Из объема получается молярный объем , который составляет около 17,962 мл / моль для жидкой воды и 7,092 мл / моль для железа при комнатной температуре. Из теплоемкости получается молярная теплоемкость , которая составляет около 75,385 Дж / К / моль для воды и около 25,10 Дж / К / моль для железа.

Суммарная концентрация (моль на литр) [ править ]

Другой важной производной величиной является величина концентрации вещества [11] (также называемая концентрацией количества или концентрацией вещества в клинической химии ; [12], которая определяется как количество определенного вещества в образце раствора (или другой смеси). ), деленное на объем выборки.

В системе СИ это количество моль (вещества) на литр (раствора). Так, например, количественная концентрация хлорида натрия в океанской воде обычно составляет около 0,599 моль / л.

Знаменатель - это объем раствора, а не растворителя. Так, например, один литр стандартной водки содержит около 0,40 л этанола (315 г, 6,85 моль) и 0,60 л воды. Таким образом, количественная концентрация этанола составляет (6,85 моль этанола) / (1 л водки) = 6,85 моль / л, а не (6,85 моль этанола) / (0,60 л воды), что составляет 11,4 моль / л.

В химии принято читать единицу «моль / л» как молярную и обозначать ее символом «М» (оба следуют за числовым значением). Так, например, каждый литр «0,5 молярного» или «0,5 М» раствора мочевины ( CH
4
N
2
O
) в воде содержит 0,5 моля этой молекулы. В более широком смысле, количественная концентрация также обычно называется молярностью исследуемого вещества в растворе. Однако по состоянию на май 2007 г. эти термины и символы не попустительствовали IUPAC. [13]

Это количество 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).

Доля количества (моль на моль) [ править ]

Как ни странно, количественную концентрацию или «молярность» также следует отличать от «молярной концентрации», которая должна быть числом молей (молекул) интересующего вещества, деленным на общее количество молей (молекул) в образце раствора. . Это количество правильнее называть долей количества .

История [ править ]

В алхимиках , и особенно ранние металлурги , вероятно , имели некоторое представление о количестве вещества, но не сохранились записей любого обобщения идеи за множество рецептов. В 1758 году Михаил Ломоносов подверг сомнению идею о том, что масса является единственной мерой количества материи [14], но он сделал это только в отношении своих теорий гравитации . Развитие концепции количества вещества было совпадением с рождением современной химии и было жизненно важным для него.

  • 1777 : Венцель публикует « Уроки сродства» , в которых он демонстрирует, что пропорции «основного компонента» и «кислотного компонента» ( катион и анион в современной терминологии) остаются неизменными во время реакций между двумя нейтральными солями . [15]
  • 1789 : Лавуазье издает « Трактат по элементарной химии» , вводящий понятие химического элемента и разъясняющий закон сохранения массы для химических реакций. [16]
  • 1792 : Рихтер издает первый том « Стехиометрии или искусства измерения химических элементов» (публикация последующих томов продолжается до 1802 г.). Термин « стехиометрия » употребляется впервые. Опубликованы первые таблицы эквивалентных весов для кислотно-основных реакций . Рихтер также отмечает, что для данной кислоты эквивалентная масса кислоты пропорциональна массе кислорода в основании. [15]
  • 1794 : Закон определенных пропорций Пруста обобщает концепцию эквивалентных весов для всех типов химических реакций, а не только для кислотно-основных реакций. [15]
  • 1805 : Дальтон публикует свою первую статью по современной теории атома , в том числе «Таблицу относительного веса элементарных частиц газообразных и других тел». [17]
    Концепция атомов подняла вопрос об их весе. Хотя многие скептически относились к реальности атомов, химики быстро обнаружили, что атомный вес является неоценимым инструментом для выражения стехиометрических соотношений.
  • 1808 : Публикация « Новой системы химической философии» Дальтона , содержащей первую таблицу атомных весов (на основе H = 1). [18]
  • 1809 : Закон Гей-Люссака объединения объемов , устанавливающий целочисленное соотношение между объемами реагентов и продуктов в химических реакциях газов. [19]
  • 1811 : Авогадро выдвигает гипотезу о том, что равные объемы разных газов (при одинаковой температуре и давлении) содержат равное количество частиц, теперь известное как закон Авогадро . [20]
  • 1813/1814 : Берцелиус публикует первую из нескольких таблиц атомных весов, основанных на шкале O = 100. [15] [21] [22]
  • 1815 : Праут публикует свою гипотезу о том, что все атомные веса кратны атомному весу водорода. [23] Позднее от этой гипотезы отказались, учитывая наблюдаемый атомный вес хлора (примерно 35,5 по отношению к водороду).
  • 1819 : Закон Дюлонга – Пети, связывающий атомный вес твердого элемента с его удельной теплоемкостью . [24]
  • 1819 : Работа Митчерлиха по изоморфизму кристаллов позволяет прояснить многие химические формулы , разрешая некоторые неоднозначности при вычислении атомных весов. [15]
  • 1834 : Клапейрон утверждает закон идеального газа. [25]
    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 ученых в существовании атомов и молекул, многие считали это просто полезным инструментом для расчетов.
  • 1834 : Фарадей излагает свои законы электролиза , в частности, что «химическое разлагающее действие тока постоянно для постоянного количества электричества ». [26]
  • 1856 : Крёниг выводит закон идеального газа из кинетической теории . [27] Клаузиус публикует независимый вывод в следующем году. [28]
  • 1860 : Конгресс в Карлсруэ обсуждает связь между «физическими молекулами», «химическими молекулами» и атомами, не достигнув консенсуса. [29]
  • 1865 : Лошмидт делает первую оценку размера молекул газа и, следовательно, количества молекул в данном объеме газа, который теперь известен как постоянная Лошмидта . [30]
  • 1886 : Вант Хофф демонстрирует сходство в поведении разбавленных растворов и идеальных газов.
  • 1886 : Юджин Гольдштейн наблюдает дискретные лучи частиц в газовых разрядах, закладывая основу масс-спектрометрии , инструмента, впоследствии используемого для определения масс атомов и молекул.
  • 1887 : Аррениус описывает диссоциацию электролита в растворе, решая одну из проблем в изучении коллигативных свойств. [31]
  • 1893 : Первое зарегистрированное использование термина « моль» для описания единицы количества вещества Оствальдом в университетском учебнике. [32]
  • 1897 : Первое зарегистрированное использование термина « крот» на английском языке. [33]
  • К началу двадцатого века концепция атомных и молекулярных сущностей была общепринятой, но оставалось много вопросов, не в последнюю очередь размер атомов и их количество в данном образце. Параллельное развитие масс-спектрометрии , начавшееся в 1886 году, поддержало концепцию атомной и молекулярной массы и предоставило инструмент прямого относительного измерения.
  • 1905 г . : Статья Эйнштейна о броуновском движении развеивает последние сомнения в физической реальности атомов и открывает путь для точного определения их массы. [34]
  • 1909 : Перрен придумывает имя постоянной Авогадро и оценивает ее значение. [35]
  • 1913 : Открытие изотопов нерадиоактивных элементов Содди [36] и Томсоном . [37]
  • 1914 : Ричардс получает Нобелевскую премию по химии за «определения атомного веса большого числа элементов». [38]
  • 1920 : Астон предлагает правило целых чисел , обновленную версию гипотезы Праута . [39]
  • 1921 : Содди получает Нобелевскую премию по химии «за работу по химии радиоактивных веществ и исследования изотопов». [40]
  • 1922 : Астон получает Нобелевскую премию по химии «за открытие изотопов в большом количестве нерадиоактивных элементов и за правило целых чисел». [41]
  • 1926 : Перрен получает Нобелевскую премию по физике , в частности, за его работу по измерению постоянной Авогадро. [42]
  • 1959/1960 : Единая шкала атомных единиц массы на основе 12 C = 12, принятая IUPAP и IUPAC . [43]
  • 1968 : Крот рекомендован для включения в Международную систему единиц (СИ) Международным комитетом мер и весов (CIPM). [44]
  • 1972 год : моль утвержден в качестве базовой единицы количества вещества в системе СИ . [44]
  • 2019 : Моль переопределяется в СИ как «количество вещества системы, которая содержит6.022 140 76 × 10 23 заданных элементарных объекта ». [45]

См. Также [ править ]

  • Сумма фракции
  • Международная система количеств

Ссылки [ править ]

  1. ^ Барански, А. (2012) "Атомная единица массы, постоянная Авогадро и моль: способ понимания" J. Chem. Educ. 89 : 97–102. DOI : 10.1021 / ed2001957
  2. ^ Джунта, CJ (2015) «Родинка и количество вещества в химии и образовании: за пределами официальных определений» J. Chem. Educ. 92 : 1593–97. DOI : 10.1021 / ed2001957
  3. ^ а б Шмидт-Рор, К. (2020). «Анализ двух определений родинки, которые используются одновременно, и их неожиданные последствия» J. Chem. Educ. 97 : 597–602. Doi : 10.1021 / acs.jchemed.9b00467
  4. ^ Браун, L .; Холм, Т. (2011) Химия для студентов инженерных специальностей , Брукс / Коул.
  5. ^ a b Джунта, Кармен Дж. (2016). «Что в названии? Количество вещества, химическое количество и стехиометрическое количество» . Журнал химического образования . 93 (4): 583–86. Bibcode : 2016JChEd..93..583G . DOI : 10.1021 / acs.jchemed.5b00690 .
  6. ^ "ER Cohen, T. Cvitas, JG Frey, B. Holmström, K. Kuchitsu, R. Marquardt, I. Mills, F. Pavese, M. Quack, J. Stohner, HL Strauss, M. Takami, and AJ Thor , «Величины, единицы и символы в физической химии», Зеленая книга ИЮПАК, 3-е издание, 2-е издание, Издательство ИЮПАК и RSC, Кембридж (2008 г.) » (PDF) . п. 4. Архивировано из оригинального (PDF) 20 декабря 2016 года . Проверено 24 мая 2019 .
  7. ^ Международный союз чистой и прикладной химии (1993). Величины, единицы и символы в физической химии , 2-е издание, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . п. 4. Электронная версия. 
  8. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « количество вещества, n ». DOI : 10,1351 / goldbook.A00297
  9. ^ Международный союз чистой и прикладной химии (1993). Величины, единицы и символы в физической химии , 2-е издание, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . п. 46. Электронная версия. 
  10. ^ Международный союз чистой и прикладной химии (1993). Величины, единицы и символы в физической химии , 2-е издание, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . п. 7. Электронная версия. 
  11. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Концентрация количества вещества ». DOI : 10,1351 / goldbook.A00298
  12. ^ Международный союз чистой и прикладной химии (1996). «Словарь терминов в количествах и единицах в клинической химии» (PDF) . Pure Appl. Chem. 68 : 957–1000. DOI : 10,1351 / pac199668040957 . S2CID 95196393 .  
  13. ^ Международный союз чистой и прикладной химии (1993). Величины, единицы и символы в физической химии , 2-е издание, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . п. 42 (п. 15). Электронная версия. 
  14. 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. С. 224–33 - в Интернет-архиве .
  15. ^ a b c d e "Атоме". Великий словарь-вселенная XIX века . Париж: Пьер Ларусс . 1 : 868–73. 1866 г.. (На французском)
  16. ^ Лавуазье, Антуан (1789). Traité élémentaire de chimie, présenté dans un ordre nouveau et d'après les découvertes modernes . Париж: Chez Cuchet.. (На французском)
  17. ^ Дальтон, Джон (1805). «О поглощении газов водой и другими жидкостями» . Мемуары Литературно-философского общества Манчестера, 2-я серия . 1 : 271–87.
  18. ^ Дальтон, Джон (1808). Новая система химической философии . Манчестер: Лондон.
  19. Гей-Люссак, Жозеф Луи (1809). "Memoire sur la combinaison des gazeuses, les unes avec les autres". Mémoires de la Société d'Arcueil . 2 : 207. Английский перевод .
  20. ^ Авогадро, Амедео (1811). "Essai d'une maniere determiner les родственные массы молекул elementaires des corps, et les пропорции selon lesquelles elles entrent dans ces combinaisons". Journal de Physique . 73 : 58–76. Английский перевод .
  21. Отрывки из эссе Берцелиуса: Часть II ; Часть III .
  22. ^ Первые измерения атомного веса Берцелиусом были опубликованы в шведском в 1810 году: Хизингер, W .; Берцелиус, JJ (1810). "Форсок роранде де бестамда дозатор, хавари ден оорганиска природа и лучшие финны форнада". Ага. Fys., Kemi Mineral . 3 : 162.
  23. ^ Прут, Уильям (1815). «О соотношении удельного веса тел в газообразном состоянии и веса их атомов» . Анналы философии . 6 : 321–30.
  24. ^ Пети, Алексис Тереза ; Дюлонг, Пьер-Луи (1819). "Recherches sur quelques points importants de la Théorie de la Chaleur". Annales de Chimie et de Physique . 10 : 395–413. английский перевод
  25. ^ Клапейрон, Эмиль (1834). "Puissance motrice de la chaleur". Журнал де l'École Royale Polytechnique . 14 (23): 153–90.
  26. ^ Фарадей, Майкл (1834). «Об электрическом разложении» . Философские труды Королевского общества . 124 : 77–122. DOI : 10,1098 / rstl.1834.0008 . S2CID 116224057 . 
  27. ^ Крониг августа (1856). "Grundzüge einer Theorie der Gase" . Annalen der Physik . 99 (10): 315–22. Bibcode : 1856AnP ... 175..315K . DOI : 10.1002 / andp.18561751008 .
  28. ^ Клаузиус, Рудольф (1857). "Ueber die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen" . Annalen der Physik . 176 (3): 353–79. Bibcode : 1857AnP ... 176..353C . DOI : 10.1002 / andp.18571760302 .
  29. ^ Вюрца в Учет сессий Международного конгресса химиков в Карлсруэ, на 3, 4 и 5 сентября 1860 года .
  30. ^ Лошмидт, J. (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 .
  31. ^ Аррениус, Сванте (1887). Zeitschrift für Physikalische Chemie . 1 : 631.CS1 maint: журнал без названия ( ссылка ) Английский перевод. Архивировано 18 февраля 2009 г. в Wayback Machine .
  32. ^ Оствальд, Вильгельм (1893). Hand- und Hilfsbuch zur ausführung Physiko-Chemischer Messungen . Лейпциг: В. Энгельманн.
  33. ^ Хельм, Георг (1897). Основы математической химии: Энергетика химических явлений . (Пер. Ливингстон, Дж .; Морган, Р.). Нью-Йорк: Вили. С.  6 .
  34. ^ Эйнштейн, Альберт (1905). "Über die von der molkularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen" . Annalen der Physik . 17 (8): 549–60. Bibcode : 1905AnP ... 322..549E . DOI : 10.1002 / andp.19053220806 .
  35. ^ Перрен, Жан (1909). "Движение коричневого и религиозного". Annales de Chimie et de Physique . 8 e Série. 18 : 1–114. Выписка на английском языке, перевод Фредерика Содди .
  36. ^ Содди, Фредерик (1913). «Радиоэлементы и Периодический закон» . Химические новости . 107 : 97–99.
  37. Перейти ↑ Thomson, JJ (1913). «Лучи положительного электричества» . Труды Королевского общества А . 89 (607): 1–20. Bibcode : 1913RSPSA..89 .... 1T . DOI : 10,1098 / rspa.1913.0057 .
  38. ^ Söderbaum, HG (11 ноября 1915). Заявление о 1914 Нобелевской премии по химии .
  39. ^ Астон, Фрэнсис В. (1920). «Строение атмосферного неона» . Философский журнал . 39 (6): 449–55. DOI : 10.1080 / 14786440408636058 .
  40. ^ Söderbaum, HG (10 декабря 1921). Речь с презентацией на присуждение Нобелевской премии по химии 1921 года .
  41. ^ Söderbaum, HG (10 декабря 1922). Речь с презентацией на присуждение Нобелевской премии по химии 1922 года .
  42. ^ Озеен, CW (10 декабря 1926). Выступление с докладом на присуждение Нобелевской премии по физике 1926 года .
  43. ^ Холден, Норман Э. (2004). «Атомный вес и Международный комитет - исторический обзор» . Химия Интернэшнл . 26 (1): 4–7.
  44. ^ a b Международное бюро мер и весов (2006 г.), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), стр. 114–15, ISBN  92-822-2213-6, архивировано (PDF) из оригинала на 2017-08-14
  45. ^ Bureau International des Poids et Mesures (2019): Международная система единиц (СИ) , 9-е издание, английская версия, стр. 134. Доступно на сайте BIPM .