Ποσότητα ουσίας

Στη χημεία, η ποσότητα ουσίας (amount of substance) (σύμβολο ) σε ένα δεδομένο δείγμα ύλης ορίζεται ως ο λόγος του () αριθμού των στοιχειωδών οντοτήτων () και της σταθεράς Avogadro (). Από το 2019, η τιμή της σταθεράς Avogadro  ορίζεται ακριβώς ως 6,02214076×1023 mol−1. Οι στοιχειώδεις οντότητες είναι συνήθως μόρια, άτομα, ιόντα ή ζεύγη ιόντων ενός συγκεκριμένου είδους. Η συγκεκριμένη ουσία που λαμβάνεται ως δείγμα μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας έναν δείκτη, π.χ., η ποσότητα του χλωριούχου νατρίου (NaCl) θα συμβολιζόταν ως . Η μονάδα ποσότητας μιας ουσίας στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων είναι το mole (σύμβολο: mol), μια θεμελιώδης μονάδα SI. σελ. 134 Μερικές φορές, η ποσότητα της ουσίας αναφέρεται ως χημική ποσότητα ή, ανεπίσημα, ως ο αριθμός γραμμομορίων σε ένα δεδομένο δείγμα ύλης.

 Χρήση 
Ιστορικά, το mol οριζόταν ως η ποσότητα ουσίας σε 12 γραμμαριών του ισοτόπου άνθρακα-12. Κατά συνέπεια, η μάζα ενός mol μιας χημικής ένωσης, σε γραμμάρια, είναι αριθμητικά ίση (για όλους τους πρακτικούς σκοπούς) με τη μάζα ενός μορίου ή μιας μοριακής μονάδας της ένωσης, σε ντάλτον, και η μολαρική μάζα ενός ισοτόπου σε γραμμάρια ανά mol είναι περίπου ίση με τον αριθμό μάζας (ιστορικά ακριβής για τον άνθρακα-12 με μια μολαρική μάζα 12 g/mol). Για παράδειγμα, ένα μόριο νερού έχει μάζα περίπου 18,015 ντάλτον κατά μέσο όρο, ενώ ένα mole νερού (το οποίο περιέχει 6,02214076×1023 mol−1 μόρια νερού) έχει συνολική μάζα περίπου 18,015 γραμμάρια.

Στη χημεία, λόγω του νόμου των πολλαπλών αναλογιών (law of multiple proportions), είναι συχνά πολύ πιο βολικό να εργαζόμαστε με ποσότητες ουσιών (δηλαδή, αριθμό mole ή μορίων) παρά με μάζες (γραμμάρια) ή όγκους (λίτρα). Για παράδειγμα, το χημικό γεγονός "1 μόριο οξυγόνου () θα αντιδράσει με 2 μόρια υδρογόνου () για να σχηματίσει 2 μόρια νερού ()" μπορεί επίσης να δηλωθεί ως "1 mole  θα αντιδράσει με 2 mole  για να σχηματίσει 2 mole νερού". Το ίδιο χημικό γεγονός, εκφρασμένο σε μάζες, θα ήταν "32 g (1 mol) οξυγόνου θα αντιδράσουν με περίπου 4,0304 g (2 moles ) υδρογόνου για να παράγουν περίπου 36,0304 g (2 moles) νερού" (και οι αριθμοί θα εξαρτώνται από την ισοτοπική σύνθεση των αντιδραστηρίων). Όσον αφορά τον όγκο, οι αριθμοί θα εξαρτώνται από την πίεση και τη θερμοκρασία των αντιδρώντων και προϊόντων. Για τους ίδιους λόγους, οι συγκεντρώσεις αντιδρώντων και προϊόντων στο διάλυμα καθορίζονται συχνά σε mole ανά λίτρο, αντί για γραμμάρια ανά λίτρο.

Η ποσότητα της ουσίας είναι επίσης μια βολική έννοια στη θερμοδυναμική. Για παράδειγμα, η πίεση μιας ορισμένης ποσότητας ενός ευγενούς αερίου σε έναν αποδέκτη δεδομένου όγκου, σε δεδομένη θερμοκρασία, σχετίζεται άμεσα με τον αριθμό των μορίων στο αέριο (μέσω του νόμου των ιδανικών αερίων), όχι με τη μάζα του.

Αυτή η τεχνική έννοια του όρου ποσότητα ουσίας δεν πρέπει να συγχέεται με τη γενική έννοια του ποσότητα. Η τελευταία μπορεί να αναφέρεται σε άλλες μετρήσεις όπως η μάζα ή ο όγκος, παρά ο αριθμός των σωματιδίων.

Η IUPAC συνιστά να χρησιμοποιείται η ποσότητα ουσίας αντί για αριθμός mole, όπως ακριβώς η ποσότητα μάζα δεν πρέπει να ονομάζεται αριθμός χιλιογράμμων.

 Φύση των σωματιδίων 
Για να αποφευχθεί η ασάφεια, η φύση των σωματιδίων θα πρέπει να προσδιορίζεται σε κάθε μέτρηση της ποσότητας της ουσίας: έτσι, ένα δείγμα 1 mol μορίων οξυγόνου () έχει μάζα περίπου 32 γραμμάρια, ενώ ένα δείγμα 1 mol ατόμων οξυγόνου () έχει μάζα περίπου 16 γραμμάρια.

 Παράγωγα μεγέθη 
 Μολαρικές ποσότητες (ανά mole)  

Το πηλίκο κάποιου εκτατικού φυσικού μεγέθους ενός ομογενούς δείγματος δια της ποσότητας της ουσίας του είναι μια εντατική ιδιότητα της ουσίας, που συνήθως ονομάζεται από το πρόθεμα "μολαρική" ή την κατάληξη "ανά mol".

Για παράδειγμα, το πηλίκο της μάζας ενός δείγματος δια της ποσότητας της ουσίας του είναι η μολαρική μάζα του, για την οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί η μονάδα SI χιλιόγραμμο ανά mol ή γραμμάριο ανά mol. Αυτό είναι περίπου 18,015 g/mol για το νερό και 55,845 g/mol για τον σίδηρο. Ομοίως, για τον όγκο, προκύπτει ο μολαρικός όγκος, ο οποίος είναι περίπου 18,069 χιλιοστόλιτρα ανά γραμμομόριο για το υγρό νερό και 7,092 mL/mol για τον σίδηρο σε θερμοκρασία δωματίου. Από τη θερμοχωρητικότητα, προκύπτει η μολαρική θερμοχωρητικότητα, η οποία είναι περίπου 75,385 J/(K⋅mol) για το νερό και περίπου 25,10 J/(K⋅mol) για τον σίδηρο.

 Μολαρική μάζα 
Η μολαρική μάζα () μιας ουσίας είναι ο λόγος της μάζας () ενός δείγματος αυτής της ουσίας προς την ποσότητα της ουσίας του (): . Η ποσότητα της ουσίας δίνεται ως ο αριθμός των γραμμομορίων στο δείγμα. Για τους περισσότερους πρακτικούς σκοπούς, η αριθμητική τιμή της μολαρικής μάζας σε γραμμάρια ανά γραμμομόριο είναι η ίδια με αυτήν της μέσης μάζας ενός μορίου ή μιας τυπικής μονάδας της ουσίας σε ντάλτον, καθώς το γραμμομόριο οριζόταν ιστορικά έτσι ώστε η σταθερά μολαρικής μάζας να είναι ακριβώς 1 g/mol. Έτσι, δεδομένης της μοριακής μάζας ή της τυπικής μάζας σε ντάλτον, ο ίδιος αριθμός σε γραμμάρια δίνει μια ποσότητα πολύ κοντά σε ένα γραμμομόριο της ουσίας. Για παράδειγμα, η μέση μοριακή μάζα του νερού είναι περίπου 18,015 Da και η μολαρική μάζα του νερού είναι περίπου 18,015 g/mol. Αυτό επιτρέπει τον ακριβή προσδιορισμό της ποσότητας σε γραμμομόρια μιας ουσίας μετρώντας τη μάζα της και διαιρώντας τη μολαρική μάζα της ένωσης: .International Bureau of Weights and Measures. Realising the mole . Retrieved 25 September 2008. Παραδείγματος χάρη, 100 g νερού είναι περίπου 5,551 mol νερού. Άλλες μέθοδοι προσδιορισμού της ποσότητας της ουσίας περιλαμβάνουν τη χρήση του μολαρικού όγκου ή τη μέτρηση του ηλεκτρικού φορτίου.

Η μολαρική μάζα μιας ουσίας εξαρτάται όχι μόνο από τον μοριακό τύπο της, αλλά και από την κατανομή των ισοτόπων κάθε χημικού στοιχείου που υπάρχει σε αυτήν. Για παράδειγμα, η μολαρική μάζα του ασβεστίου-40 είναι , ενώ η μολαρική μάζα του ασβεστίου-42 είναι , και του ασβεστίου με το κανονικό ισοτοπικό μείγμα είναι .

 Μολαρική συγκέντρωση (γραμμομόρια ανά λίτρο)
Ένα άλλο σημαντικό παράγωγο μέγεθος είναι η μολαρική συγκέντρωση (molar concentration ή amount concentration ή substance concentration)(), . ορίζεται ως η ποσότητα σε γραμμομόρια () μιας συγκεκριμένης ουσίας (διαλυμένης ουσίας σε διάλυμα ή συστατικού ενός μείγματος), διαιρούμενη με τον όγκο () του διαλύματος ή του μείγματος: .

Η τυπική μονάδα SI αυτού του μεγέθους είναι mol/m3, αν και χρησιμοποιούνται συνήθως πιο πρακτικές μονάδες, όπως mol ανά λίτρο (mol/L, ισοδύναμο με mol/dm3). Για παράδειγμα, η συγκέντρωση χλωριούχου νατρίου στο νερό των ωκεανών είναι συνήθως περίπου 0,599 mol/L.

Ο παρονομαστής είναι ο όγκος του διαλύματος, όχι του διαλύτη. Έτσι, για παράδειγμα, ένα λίτρο τυπικής βότκας περιέχει περίπου 0,40 L αιθανόλης (315 g, 6,85 mol) και 0,60 L νερού. Η συγκέντρωση ποσότητας της αιθανόλης είναι επομένως (6,85 mol αιθανόλης)/(1 L βότκας) = 6,85 mol/L, όχι (6,85 mol αιθανόλης)/(0,60 L νερού), που θα ήταν 11,4 mol/L.

Στη χημεία, είναι σύνηθες να διαβάζεται η μονάδα "mol/L" ως μολαρική και να συμβολίζεται με το σύμβολο "M" (και τα δύο ακολουθούν την αριθμητική τιμή). Έτσι, για παράδειγμα, κάθε λίτρο διαλύματος "0,5 μολαρική" ή "0,5 M" ουρίας () σε νερό περιέχει 0,5 moles αυτού του μορίου. Κατ' επέκταση, η συγκέντρωση ποσότητας ονομάζεται επίσης συνήθως molarity της ουσίας που μας ενδιαφέρει στο διάλυμα. Ωστόσο, από τον Μάιο του 2007, αυτοί οι όροι και τα σύμβολα δεν γίνονται δεκτά από την IUPAC.

Αυτό το μέγεθος δεν πρέπει να συγχέεται με την συγκέντρωση μάζας, η οποία είναι η μάζα της ουσίας που μας ενδιαφέρει διαιρούμενη με τον όγκο του διαλύματος (περίπου 35 g/L για χλωριούχο νάτριο στο νερό των ωκεανών).

 Κλάσμα ποσότητας (μολαρικό) (moles ανά mole)
H μολαρική συγκέντρωση θα πρέπει επίσης να διακρίνεται από το μολαρικό κλάσμα (που ονομάζεται επίσης γραμμομοριακό κλάσμα ή κλάσμα ποσότητας) μιας ουσίας σε ένα μείγμα (όπως ένα διάλυμα), το οποίο είναι ο αριθμός των γραμμομορίων της ένωσης σε ένα δείγμα του μείγματος, διαιρούμενος με τον συνολικό αριθμό γραμμομορίων όλων των συστατικών. Για παράδειγμα, εάν 20 g  διαλυθούν σε 100 g νερού, οι ποσότητες των δύο ουσιών στο διάλυμα θα είναι (20 g)/(58,443 g/mol) = 0,34221 mol και (100 g)/(18,015 g/mol) = 5,5509 mol, αντίστοιχα. και το μοριακό κλάσμα του  θα είναι .

Σε ένα μείγμα αερίων, η μερική πίεση κάθε συστατικού είναι ανάλογη με το μοριακό του κλάσμα.

 Παραπομπές 

Κατηγορία:Χημικά μεγέθη
Κατηγορία:Θεμελιώδη μεγέθη SI