Ainemäärä

Ainemäärä (tunnus "n") on fysiikassa ja kemiassa käytettävä perussuure, joka ilmaisee tarkasteltavan kohteen hiukkasten lukumäärää. Monissa hiukkasia operoivissa sovelluksissa, eli kemiassa atomeja ja molekyylejä sisältävät sovellukset, on tärkeä tietää hiukkasten lukumäärät. Yksittäisen molekyylin paino on kuitenkin niin pieni, ettei sitä pystytä punnitsemaan. Siksi ainetta mitataan suuremmissa yksiköissä, joissa on runsaasti hiukkasia. Ainemäärän SI-yksikössä moolissa on 6,022 140 76·1023 kappaletta (Avogadron vakio) aineen hiukkasia; siten 1 mol hiili-12:ta on noin 12 g. Näin suuri määrä ainetta painaa jo grammoja, joita voidaan tarkoilla vaa'oilla punnita.
Jotta ainetta voidaan punnita yhtä moolia vastaava määrä, tulee aineen moolimassan arvo tuntea. Esimerkiksi magnesiumin moolimassa on 24,31 g/mol, joten punnitsemalla sitä 24,31 g saadaan mooli tätä ainetta. Mooli ainetta painaa aina yhtä monta grammaa kuin kyseisen aineen atomi- tai molekyylipaino atomimassayksikköinä. Magnesiumin keskimääräinen massa atomimassayksiköinä onkin 24,31 u. Moolimassa ei riipu tilavuudesta, mikä helpottaa suureen käyttöä kemiassa, jossa aineen järjestäytyminen kiteissä vaihtelee. Ilman moolimassan suuretta, ainemäärän käyttö olisi vaikeaa.
Toinen etu moolimassojen käytöstä liittyy yhdisteiden syntymiseen. Aineosaset painavat kemiallisissa reaktioissa erikseen punnittuina saman verran kuin yhdisteen molekyylinä. Tämä lienee reaktioiden lopputuotteiden määrittämisen kannalta se tärkein ominaisuus. Esimerkiksi yksi mooli atomeina olevaa vetyä painaa noin 1 g, koska vedyn atomipaino on 1,00794 u, mutta mooli tavallista kaksiatomisina molekyyleinä (H2) olevaa vetyä painaa noin 2 g. Vastaavasti yksi mooli erillisinä atomeina olevaa happea painaa noin 16 g, koska hapen atomipaino on noin 15,9994 u, mutta mooli tavallista kaksiatomisina molekyyleinä (O2) olevaa happea on noin 32 g ja mooli otsonia (O3) on noin 48 g.
Yksikkö.
SI-järjestelmässä.
Vuoteen 2019 asti voimassa olleen määritelmän mukaan moolissa ainetta oli yhtä monta atomia, molekyyliä, ionia tai muuta hiukkasta kuin tasan 12 grammassa hiili-12-isotooppia on atomeja. Aiemman määritelmän mukaan Avogadron vakio arvo oli kokeellisesti määritettävä suure, jonka arvoksi oli mitattu formula_1 = (6,02214179 ± 0,00000030)·1023 mol-1.
Vuonna 2019 voimaan tulleen määritelmän mukaan Avogadron vakion arvo on täsmälleen 6,022 140 76·1023 mol-1. Hiili-12 moolimassa sen sen sijaan on vain likimäärin 12 g/mol.
Lainalaisuuksia.
Massaan perustuen.
Määritelmän mukaan näytteen hiukkasmäärän ("N") ja Avogadron vakion ("N""A") avulla voidaan lausua ainemäärä
formula_2 
Kun ainemäärä lausutaan näytteen massan ("m") ja moolimassan ("M") avulla
formula_3 
voidaan laskea tietyn massaisen näytteen sisältämien hiukkasten lukumäärä "N"
formula_4
Konsentraatioon perustuen.
Konsentraation ("c") ja tilavuuden ("V") avulla ilmaistuna ainemäärä on
formula_5 
Ideaalikaasulakiin perustuen.
Jo varhain oli havaittu, että samaa ainemäärää sisältävät kaasut vaativat samassa lämpötilassa saman tilavuuden samassa paineessa (Avogadron laki). Tämä johtuu siitä, että kaasussa ainehiukkaset ovat kaukana toisistaan niin, etteivät hiukkasten oma koko, sähkövaraus ja massa vaikuta kaasun ulkoisiin suureisiin merkittävästi. Siksi tietty ainemäärä kaasua vie samoissa olosuhteissa saman tilavuuden. NTP-olosuhteissa tämä yleinen kaasun moolitilavuus on noin 22,4141 dm3 moolia kohti.
Ideaalikaasun ainemäärä NTP-olosuhteissa riippuu vain aineen tilavuudesta ("V") ja yleisestä kaasun moolitilavuudesta ("V""m"):
formula_6 
Ideaalikaasun ainemäärä on yleisesti
formula_7 
missä "p" on paine pascaleina, "V" on kaasun tilavuus kuutiometreinä, "R" on moolinen kaasuvakio ja "T" on kaasun lämpötila kelvineinä. Kaasuilla ainemäärien suhteet vastaavat suunnilleen tilavuuksien suhteita. Näin ollen esimerkiksi 2 litraa vetyä ja 1 litra happea palavat 2 litraksi vesihöyryä:
 2H2 + 1O2 → 2H2O.