Кіріспе

Химияда, берілген зат үлгісіндегі (n символы) зат мөлшері, элементар құрылымдардың санының (N) Авогадро тұрақтысына (NA) қатынасы (1=n = N/NA) ретінде анықталады. Бұл құрылымдар әдетте молекулалар, атомдар немесе белгілі бір түрдегі иондар болып табылады. Қолданылған нақты затты төменгі индексте көрсетуге болады, мысалы, натрий хлоридінің (NaCl) мөлшері nNaCl деп белгіленеді. Халықаралық бірліктер жүйесінде зат мөлшерінің бірлігі – моль (символ: mol), негізгі бірлік. 2019 жылдан бастап Авогадро тұрақтысының NA мәні дәл деп анықталды. Кейде зат мөлшері химиялық мөлшер деп аталады немесе бейресми түрде берілген зат үлгісіндегі "моль саны" деп айтылады.

Қолданылуы

Тарихи тұрғыдан алғанда, моль 12 грамм көміртек-12 изотопының мөлшері ретінде анықталды. Осының салдарынан, химиялық қосылыстың бір молының массасы, грамммен өлшкенде, (барлық практикалық мақсаттар үшін) қосылыстың бір молекуласының массасына, дальтонмен, сандық түрде тең болады, ал изотоптың молярлық массасы, граммда мольге шаққанда, массалық санына тең. Мысалы, су молекуласының массасы орташа есеппен шамамен 18.015 дальтонды құрайды, ал су молекулаларынан тұратын судың бір молінің жалпы массасы шамамен 18.015 граммға тең. Химияда, көп пропорциялар заңына байланысты, заттардың мөлшерімен (яғни, мольдердің немесе молекулалардың санымен) жұмыс істеу, массамен (грамммен) немесе көлеммен (литрмен) жұмыс істеуге қарағанда көбінесе ыңғайлырақ. Мысалы, химиялық факт: "1 оттегі молекуласы 2 сутегі молекуласымен реакцияға түсіп, 2 су молекуласын (H2O) құрайды", оны "1 моль O2 2 моль H2мен реакцияға түсіп, 2 моль су түзеді" деп те айтуға болады. Массамен көрсетілгенде, осы химиялық факт мынадай болады: "32 г (1 моль) оттегі шамамен 4.0304 г (2 моль) сутегімен реакцияға түсіп, шамамен 36.0304 г (2 моль) су береді" (және бұл сандар реагенттердің изотоптық құрамына байланысты өзгереді). Көлеммен көрсетілгенде, сандар реагенттер мен өнімдердің қысымы мен температурасына байланысты болады. Осы себептерге байланысты, ерітіндідегі реагенттер мен өнімдердің концентрациясы көбінесе литрге мольмен, граммнан гөрі көрсетіледі. Зат мөлшері термодинамикада да ыңғайлы түсінік болып табылады. Мысалы, белгілі бір көлемдегі, белгілі бір температурадағы инерт газдың қысымы оның массасына емес, газдың молекулалар санына тікелей байланысты (идеал газ заңы арқылы). "Зат мөлшері" терминінің бұл техникалық мағынасын, ағылшын тіліндегі "мөлшер" деген жалпы мағынамен шатастырмау керек. Соңғысы бөлшектер санынан гөрі масса немесе көлем сияқты басқа өлшемдерге қатысты болуы мүмкін. "Зат мөлшерін" оңайрақ ажыратуға болатын терминдермен, мысалы, энплетти және стехиометриялық мөлшермен алмастыру туралы ұсыныстар бар.

Бөлшектердің табиғаты

Бір-біріне қатысты түсініксіздіктерді болдырмау үшін, зат мөлшерін өлшеу кезінде бөлшектердің табиғаты нақты көрсетілуі керек: демек, 1 моль оттегі молекулаларының үлгісінің массасы шамамен 32 граммға, ал 1 моль оттегі атомдарының үлгісінің массасы шамамен 16 граммға тең болады.

Молярлық мөлшері (моль бойынша)

Біртекті үлгідегі кеңейтілген физикалық шаманың оның зат мөлшеріне қатынасы – бұл заттың интенсивті қасиеті, әдетте "молярлық" префиксімен немесе "мольге шаққанда" деген жұрнағымен аталады. Мысалы, үлгінің массасының оның зат мөлшеріне бөлінуі – оның молярлық массасы болып табылады, он үшін СИ бірлігі килограмм/моль немесе грамм/моль қолданылуы мүмкін. Бұл су үшін шамамен 18,015 г/моль, ал темір үшін 55,845 г/моль. Сол сияқты, көлем үшін молярлық көлемді аламыз, ол сұйық су үшін шамамен 17,962 миллилитр/моль, ал бөлме температурасында темір үшін 7,092 мл/моль. Жылу сыйымдылығынан молярлық жылу сыйымдылығын аламыз, ол су үшін шамамен 75,385 Дж/(К⋅моль), ал темір үшін шамамен 25,10 Дж/(К⋅моль) құрайды.

Молярлық масса

Заттың молярлық массасы – бұл заттың сынамасының массасы мен оның зат мөлшерінің арақатынасы. Зат мөлшері үлгідегі мольдер саны ретінде беріледі. Көптеген практикалық мақсаттар үшін, грамм/моль бірлігімен берілген молярлық массаның сандық мәні, дальтон бірлігімен берілген зат молекуласының орташа массасына тең болады, себебі моль тарихи тұрғыдан молярлық масса тұрақтысы 1 г/моль-ге тең етіп анықталған. Бұл, заттың массасын өлшеу арқылы оның мольмен көрсетілген мөлшерін дәл анықтауға мүмкіндік береді. Егер молекулалық масса дальтонмен белгіленсе, сол сан грамммен берілгенде, заттың мөлшері шамамен бір мольге жуық болады. Мысалы, судың орташа молекулалық массасы шамамен 18,015 Да, ал судың молярлық массасы шамамен 18,015 г/моль. Басқа әдістерге молярлық көлемді пайдалану немесе электр зарядын өлшеу жатады. (Сонымен қатар, мөлшерлік концентрация немесе клиникалық химияда зат концентрациясы деп те аталады; ол ерітінді үлгісінде (немесе басқа да қоспада) белгілі бір заттың мөлшері, осы үлгінің көлеміне бөлінгендегі шама ретінде анықталады. Бұл шаманың СИ бірлігі – литр ерітіндіге (заттың) молі. Мысалы, мұхит суындағы натрий хлоридінің мөлшерлік концентрациясы әдетте 0,599 моль/л шамасында болады. Бөлігіш – ерітіндінің көлемі, емес, еріткіштің көлемі. Мысалы, бір литр стандартты водкада 0,40 литр этанол (315 г, 6,85 моль) және 0,60 литр су болады. Сондықтан, этанолдың мөлшерлік концентрациясы (6,85 моль этанол) / (1 л водка) = 6,85 моль/л, ал емес (6,85 моль этанол) / (0,60 л су), бұл 11,4 моль/л болар еді. Химияда, "моль/л" бірлігін "моляр" деп оқу және оны "М" символымен белгілеу қалыпты (сандық мәннен кейін екеуі де). Мысалы, судағы мочевинаның "0,5 молярлық" немесе "0,5 М" ерітіндісінің әрбір литрінде осы молекуланың 0,5 молі бар. Бұдан әрі, мөлшерлік концентрация ерітіндідегі қызығушылық тудыратын заттың молярлығы деп те аталады. Алайда, 2007 жылдың мамыр айына дейін, бұл терминдер мен символдар IUPAC тарапынан бекітілмеген. Бұл шаманы, ерітіндінің көлеміне бөлінген зерттелетін заттың массасы болып табылатын массалық концентрациямен шатастыруға болмайды (теңіз суындағы натрий хлориді үшін шамамен 35 г/л).

Көлемнің үлесі (моль / моль)

Шатастыратыны, концентрацияның мөлшері, немесе "молярлық", "мольдтік үлестен" де ерекшеленуі керек, ол қызығушылық тудыратын заттың мольдерінің (молекулаларының) санының ерітінді үлгісіндегі барлық мольдердің (молекулалардың) жалпы санына бөлінуімен есептеледі. Бұл шама мольдік үлес деп аталады.

Тарих

Алхимиктер, әсіресе ертедегі металлургтер, заттың мөлшері туралы белгілі бір түсінікке ие болған болуы мүмкін, бірақ рецепттер жиынтығынан асып түсетін идеяның жалпылануының ешқандай сақталған жазбалары жоқ. 1758 жылы Михаил Ломоносов массаның материя мөлшерін өлшеудің жалғыз шамасы екендігі туралы пікірді күмәндандырды, бірақ ол бұл күмәнді гравитация теориясымен байланысты ғана айтты. Зат мөлшері туралы түсінік дамуы қазіргі химияның тууымен бірге, маңызды болды. 1777: Венцель «Жұптасу туралы сабақтарды» жариялады, онда «негізгі компонент» пен «қышқыл компонент» (қазіргі терминологияда катион және анион) екі бейтарап тұздың арасындағы реакциялар кезінде бірдей болатынын көрсетті. 1789: Лавуазье химиялық элементтер туралы түсінік енгізіп, химиялық реакциялар үшін массаның сақталу заңын нақтылады, «Элементар химия туралы трактатты» жариялады. 1792: Рихтер «Стойхиометрия немесе химиялық элементтерді өлшеу өнері» атты алғашқы томды жариялады (кейінгі томдардың жариялануы 1802 жылға дейін жалғасты). «Стойхиометрия» термині алғаш рет қолданылды. Қышқыл-негіз реакциялары үшін эквиваленттік салмақтардың кестесі жарияланды. Рихтер сондай-ақ, белгілі бір қышқыл үшін қышқылдың эквиваленттік массасы негіздегі оттегі массасына пропорционалды екенін атап өтті. Атомдар туралы түсінік олардың салмағы туралы сұрақ тудырды. Көптеген адамдар атомдардың бар екеніне күмәнда болса да, химиктер атомдық салмақты стехиометриялық қатынастарды көрсету үшін баға жетпес құрал ретінде тез мойындады. 1808: Дальтонның «Химиялық философияның жаңа жүйесі» жарияланды, онда атомдық салмақтардың алғашқы кестесі (H = 1 негізінде) бар. 1809: Гей-Луссак газдардың химиялық реакцияларындағы реактивтер мен өнімдердің көлемдері арасындағы бүтін сандық қатынасты айтатын көлемдерді біріктіру заңын жариялады. 1811: Авогадро бірдей температура мен қысымда әртүрлі газдардың тең көлемдері бірдей сандағы бөлшектерді қамтиды деп болжады, бұл қазір Авогадро заңы деп аталады. 1813/1814: Берзелиус m(O) = 100 шкаласына негізделген атомдық салмақтардың бірнеше кестелерінің біріншісін жариялады. 1815: Прут барлық атомдық салмақтар сутегінің атомдық салмағының бүтін еселері деген гипотезаны ұсынды. Бұл гипотеза хлордың атомдық салмағының байқалуына байланысты (сутегіге қатысты шамамен 35,5) кейіннен қабылданбады. 1819: Дюлон-Пти қатты элементтің атомдық салмағы мен оның меншікті жылу сыйымдылығы арасындағы байланысты сипаттайтын заңды жариялады. 1819: Митчерлихтің кристалдық изоморфизм бойынша жұмысы көптеген химиялық формулаларды нақтылауға мүмкіндік берді, атомдық салмақты есептеудегі бірнеше түсініксіздіктерді шешті. Идеал газ заңы жүйедегі атомдар мен молекулалар саны мен оның массасынан басқа физикалық қасиеттері арасындағы көптеген қатынастардың арасында алғашқысы болды. Алайда, бұл барлық ғалымдарды атомдар мен молекулалардың бар екендігіне сендіруге жеткіліксіз болды, көптеген адамдар оны есептеу үшін пайдалы құрал деп санады. 1834: Фарадей электролиз заңдарын тұжырымдады, атап айтқанда, «тұрақты электр мөлшері үшін токтан туындайтын химиялық ыдырау әрекеті тұрақты». 1856: Крониг идеал газ заңын кинетикалық теориядан шығарды. Клаузиус келесі жылы тәуелсіз шығарылым жариялады. 1860: Карлсруэ конгресінде «физикалық молекулалар», «химиялық молекулалар» және атомдар арасындағы байланыс талқыланды, бірақ келісімге қол жеткізілмеді. 1865: Лошмидт газ молекулаларының мөлшерін және газдың белгілі бір көлеміндегі молекулалар санын алғаш рет бағалады, бұл қазір Лошмидт тұрақтысы деп аталады. 1886: ван’т Хофф сұйытылған ерітінділер мен идеал газдың мінез-құлқындағы ұқсастықты көрсетті. 1886: Эуген Гольдштейн газ разрядында дискретті бөлшектер сәулесін байқады, бұл массалық спектрометрияның негізін қалады, бұл құрал кейіннен атомдар мен молекулалардың массасын анықтау үшін қолданылды. 1887: Аррениус ерітіндідегі электролиттің диссоциациясын сипаттады, коллигативтік қасиеттерді зерттеудегі бір мәселені шешті. 1893: Оствальд университет оқулығында алғаш рет зат мөлшерінің бірлігін сипаттау үшін «моль» терминін қолданды. 1897: «Моль» терминінің ағылшын тілінде алғаш рет қолданылуы. ХХ ғасырдың басында атомдық және молекулалық құрылымдар туралы түсінік кеңінен қабылданды, бірақ көптеген сұрақтар қалды, ең бастысы атомдардың мөлшері және белгілі бір үлгідегі олардың саны. 1886 жылдан бастап массалық спектрометрияның бір мезгілде дамуы атомдық және молекулалық масса тұжырымын қолдады және салыстырмалы өлшеудің тікелей құралын қамтамасыз етті. 1905: Эйнштейннің броундық қозғалыс туралы мақаласы атомдардың физикалық шындығына қатысты соңғы күмәнді жойды және олардың массасын дәл анықтауға жол ашты. 1909: Перрен Авогадро тұрақтысы деген атау берді және оның шамасын бағалады. 1913: Содди және Томсон радиоактивті емес элементтердің изотоптарын ашты. 1914: Ричардс «элементтердің атомдық салмағын анықтағаны үшін» химия бойынша Нобель сыйлығын алды. 1920: Астон Прут гипотезасының жаңартылған нұсқасын, бүтін сан ережесін ұсынды. 1921: Содди «радиоактивті заттар химиясы және изотоптарды зерттеу жөніндегі жұмысы үшін» химия бойынша Нобель сыйлығын алды. 1922: Астон «радиоактивті емес элементтердің көп санында изотоптарды жаңадан ашқаны және бүтін сан ережесі үшін» химия бойынша Нобель сыйлығын алды. 1926: Перрен Авогадро тұрақтысын өлшеу жұмысының бір бөлігі үшін физика бойынша Нобель сыйлығын алды. 1959/1960: IUPAP және IUPAC тарапынан қабылданған m(C) = 12 u негізіндегі бірыңғай атомдық масса бірлігінің шкаласы. 1968: Мольдің Халықаралық бірліктер жүйесіне (SI) енгізілуі Халықаралық салмақтар және өлшемдер комитеті (CIPM) тарапынан ұсынылды. 1972: Моль зат мөлшерінің SI негізгі бірлігі ретінде бекітілді. 2019: Моль SI жүйесінде «6.02214076 белгілі элементарлық бірліктерді қамтитын жүйенің зат мөлшері» ретінде қайта анықталды.