Mol i stała Avogadra – obliczenia liczności materii

W chemii próbki zawierają niewyobrażalnie wiele drobin, dlatego zamiast liczyć je pojedynczo stosuje się mol. Jest to podstawowa jednostka ilości substancji w układzie SI, oznaczana symbolem $n$ i wyrażana w $mol$.

Jeden mol zawiera dokładnie $6{,}02214076\cdot10^{23}$ określonych jednostek elementarnych. Mogą to być atomy, cząsteczki, jony, elektrony albo jednostki wzoru chemicznego. Trzeba zawsze doprecyzować, jakie cząstki ma na myśli zapis, ponieważ mol atomów i mol cząsteczek tej samej substancji nie muszą oznaczać tej samej liczby atomów.

Stała Avogadra ma symbol $N_A$. Jej dokładna wartość wynosi $N_A=6{,}02214076\cdot10^{23}\ mol^{-1}$, a w obliczeniach szkolnych zwykle przyjmuje się $6{,}02\cdot10^{23}\ mol^{-1}$. Informuje ona, ile drobin przypada na jeden mol.

Jeżeli znamy ilość substancji, liczbę drobin $N$ wyznaczamy przez pomnożenie liczby moli przez stałą Avogadra:

$N=n\cdot N_A$.

Gdy znana jest liczba drobin, a szukamy liczby moli, przekształcamy zależność:

$n=N/N_A$.

Wynik $N$ jest zwykłą liczbą cząstek, bez jednostki. Jednostka $mol$ z liczby moli i $mol^{-1}$ ze stałej Avogadra wzajemnie się skracają.

Interpretacja wyniku zależy od rodzaju substancji. Dla pierwiastków takich jak hel liczy się atomy, ponieważ hel występuje jako pojedyncze atomy. Dla wody, tlenu lub amoniaku można liczyć cząsteczki. W związkach jonowych, takich jak $NaCl$, właściwsze jest określenie jednostki wzoru chemicznego, ponieważ kryształ jonowy nie składa się z oddzielnych cząsteczek.

Należy też odróżniać liczbę cząsteczek od liczby atomów. Cząsteczka $CO_2$ zawiera jeden atom węgla i dwa atomy tlenu, a cząsteczka $NH_3$ zawiera trzy atomy wodoru. Po wyznaczeniu liczby cząsteczek trzeba więc uwzględnić indeksy we wzorze chemicznym.

W zadaniach liczność materii często oblicza się etapami: od masy do liczby moli, a następnie do liczby drobin. Służy do tego masa molowa $M$, czyli masa jednego mola substancji, wyrażana zwykle w $g\cdot mol^{-1}$.

Zależność między masą próbki $m$, masą molową i ilością substancji ma postać $n=m/M$. Następnie liczbę cząstek obliczamy ze wzoru $N=n\cdot N_A$. Można więc przejść od masy do liczby drobin w dwóch logicznych krokach.

Równanie chemiczne opisuje reakcję nie tylko na poziomie pojedynczych drobin, lecz także na poziomie liczb moli. W równaniu $2H_2+O_2\rightarrow2H_2O$ dwa mole wodoru reagują z jednym molem tlenu, tworząc dwa mole wody. Współczynniki stechiometryczne wyznaczają więc proporcje molowe.

Te same proporcje dotyczą liczby cząsteczek, ponieważ każda ilość substancji jest mnożona przez tę samą stałą Avogadra. Aby poprawnie rozwiązać zadanie, najpierw zapisuje się i uzgadnia równanie reakcji, potem ustala proporcję moli, a na końcu — jeśli potrzeba — przelicza mole na liczbę cząstek.

Częstym błędem jest pominięcie współczynników albo utożsamienie liczby moli cząsteczek z liczbą moli wszystkich atomów. Na przykład $1\ mol$ cząsteczek $H_2O$ zawiera $2\ mol$ atomów wodoru oraz $1\ mol$ atomów tlenu.