Mooli

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Mooli (yksikön tunnus mol [1]) on SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö perussuureelle ainemäärä (tunnus n). Yksi mooli ainetta sisältää aineen perushiukkasia yhtä monta kuin tasan 12 gramman näytteessä hiili-12-isotoopissa on atomeja. Hiilen isotooppia voidaan merkitä myös 12C tai C-12. Aineen hiukkasilla tarkoitetaan atomeja, molekyylejä, ioneja, elektroneja tai muuta sovelluksessa seurattavaa aineen perusosasta tai hiukkasryhmää.[2] 1 mol hiilijauhetta painaa 12 grammaa tai 1 mol rautaa painaa noin 56 grammaa.[1][3]

Mooli määriteltiin epäsuoralla tavalla, koska määrittelyvuoden 1967 menetelmillä ei pystytty laskemaan moolissa olevien hiukkasten lukumäärää. Moolissa olevien hiili-12 atomien lukumäärä NA voidaan kuitenkin arvioida, jos tunnetaan yhden hiili-12 atomin massa m1

N_A=\frac{0,012kg}{m_1},

jolloin moolissa olevien hiukkasten lukumäärälle saadaan likiarvo N_A = (6,02214129 ± 0,00000027)×1023 kappaletta [4]. Tätä lukumäärää kutsutaan Avogadron vakioksi.[5][6][7][3]

Edes laboratorioissa ei mooleja mitata laskemalla aineen hiukkasten lukumääriä, vaan mooleja mitataan yksinkertaisesti punnitsemalla aineet vaa'alla. Käytännössä näytteen sisältämä ainemäärä voidaan määrittää punnitsemalla ja vertaamalla sen massaa m aineen omaan moolimassaan M

n=\frac{m}{M}.

Tämän vuoksi täytyy tietää punnittavien aineiden moolimassat, jotta massoista voidaan määrittää tutkittavien aineiden ainemäärät.

Aineen yhden hiukkasen (molekyyli, atomi, ioni, jne.) massa ilmoitetaan atomimassayksikköinä (yksikön tunnus u), joka on saatu jakamalla hiili-12 massa luvulla 12 ja Avogadron vakiolla. Yksi hiili-12 atomi painaa siten 12u eli sen atomimassa on 12u ja raudan (tunnus Fe) atomimassa on 55,845u. Mooli rautaa painaa siten

m=N_A \cdot M_{Fe}= N_A \cdot 55,845u=6,02214127 \cdot 10^{23} \cdot55,845 \cdot 1,660538921 \cdot 10^{-27}kg = 55,845g. [8]

Atomimassan ja moolimassan skalaarit vastaavat siten toisiaan [9]

55,845u \triangleq 55,845g/mol.

Käyttämällä alkuaineiden atomimassataulukoita ja laskemalla niista yhdisteiden molekyylimassoja, voidaan samalla määrittää yhdisteiden ainemääriä niiden massojen avulla.

Yksikön määritelmä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yksikön historiaa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ainemääriä määriteltiin ennen moolin käyttöönottoa vaihtelevilla tavoilla. Idea käyttää vertailunäytettä (nykyään 12g hiili-isotooppi-12) antoi sysäyksen tarkempaan ja yleisesti hyväksyttyyn määitelmään. Silloinkin fyysikot ja kemistit valitsivat vertailunäytteeksi hapen. Tämä tehtiin kuitenkin kahdella eri tavalla. Kemistit käyttivät vertailunäytteessään 16g luonnonhappea, joka on seos kolmesta erimassaisesta isotoopista: O-16, O-17 ja O-18. Fyysikot kykenivät erottelemaan isotoopit toisistaan massaspektrometrillään, ja ottivat vertailunäytteeksi 16g isotooppia O-16. Näistä syntyi kaksi atomimassataulukkoa, joiden arvot erosivat hieman toisistaan. Vasta vuoden 1959 lopulla Union of Pure and Applied Physics (lyhennetään IUPAP) ja International Union of Pure and Applied Chemistry (lyhennetään IUPAC) pääsivät yhteisymmärrykseen yhteisen määritelmän käyttöönotosta. Siinä päädyttiin käyttämään hiilen isotooppia C-12.[10]

Moolin määritteli edellä kuvatun sopimuksen mukaisesti Comité International des Poids et Mesures (lyhennetään CIPM) vuonna 1967 ja se hyväksyttiin kansainvälisesti perussuureen yksiköksi 16. Conférence Générale des Poids et Mesures (lyhennetään CGPM) vuonna 1971. Määritelmä sisälsi tuolloinlauseen "moolissa ainetta on yhtä monta yksikköä kuin 12 grammassa hiili-isotooppi-12:ssa on atomeja". Pian kuitenkin huomattiin, että hiilen olomuodolla ja kidemuodolla oli mitattava vaikutus atomien lukumäärään, sillä samanmassaisessa timantissa ja grafiitissa oli enemmän atomeja kuin vastaavassa kaasumaisessa hiilessä. Vuonna 1980 määritelmään tehtiin lisäys, että "atomit ovat sidoksettomia ja energeettisesti perustilassaan". Vuonna 2005 CIPM esitti uudeksi lähestymistavaksi sopia Avogadron vakio tarkaksi luvuksi, jonka avulla moolimassat määriteltäisiin. Näin päästäisiin siitä työstä eroon, jossa Avogadron vakio määriteltäisiin yhä vain tarkemmaksi mittaustarkuuden kasvaessa. Tämän 24. CGPM ilmoitti ottavan tulevaisuudessa ehdotuksensa pohjaksi. Tulevaksi Avogadron vakioksi tultaneen esittämään 6,02214×1023.[11][12][13][14]

Korvatut yksiköt[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aikaisemmin siitä on käytetty myös nimitystä grammamolekyyli (gram molecule ja myös gram molecular weight, (englanniksi)).[13] Fysiikassa on ollut käytössä yksikkö 1 einstein = 1 mooli fotoneita.[15]

Johdannaisyksiköitä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Eteenkin kemian sovelluksia varten on otettu käyttöön erilaisia moolista johdettuja johdannaisyksiköitä. Niiden tarkoituksena on helpottaa työskentelyä teknisen kemian tehtävissä.[1]

Liuoksia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Konsentraatio (tunnus c) on liuenneen aineen osuus liuoksen tilavuuteen. Yksikkönä on 1 mol/l 1 mol/dm3 = 1 M.[16] Ominaisuutta kutsutaan liuoksen molaarisuutena. SI-yksikkönä pitäisi käyttää 1 mooli/m3.[17]

Molaalisuus (tunnus m) on liuenneen aineen osuus liuottimen massaan. Yksikkönä on 1 mol/kg.

Mooliosuus (xi) on seoksessa olevan komponentin i ainemäärän suhde koko seoksen ainemäärään. Yksikkönä on 1 mol/mol eli tulos on suhdeluku.[18]

Muita[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Moolimassa (tunnus M) on 1 mol ainemäärän massa grammoina. Yksikkönä käytetään 1 g/mol.

Moolitilavuus (tunnus Vm) on 1 mol ainemäärän viemä tilavuus. Yksikkönä käytetään 1 m3/mol.

Katalyyttinen aktiivisuus on katalyyttimäärä, joka riittää katalysoimaan reaktiota moolin verran sekunnissa optimaalisissa reaktio-olosuhteissa. Yksikkönä käytetään (kat, katal) 1 kat = 1 mol/s. Suositellaan käytettäväksi entsyymien ja kliinisen kemian sovelluksissa.[15]

Energiasisältö, jonka yksikkönä käytetään 1 J/mol eli joulea moolissa.[19]

Laskuesimerkki[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kemiallisen reaktion laskuesimerkki[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ainemääriä käytetään, kun lasketaan kemiallisissa prosesseissa reagoivien aineiden määriä. Esimerkiksi vety palaa seuraavasti:

2H_{2} + O_{2} \rightarrow 2H_{2}O

Kun 4 grammaa vetyä ja 32 grammaa happea reagoivat, syntyy 36 grammaa vettä. Määrät vastaavat kahta moolia vetyä, yhtä moolia happea ja kahta moolia vettä.

Ainemäärän voi laskea, kun tiedetään aineen massa ja sen perusosasten massa eli moolimassa. Alkuaineiden moolimassat saadaan suoraan atomimassataulukosta.

Vetyatomin moolimassa on noin 1 g/mol (u), joten yksi mooli vetykaasua (H2) painaa noin 2 grammaa. Hapen atomimassa on noin 16 g/mol, joten yhden happikaasumoolin (O2) massa on 32 grammaa. Veden (H2O

) moolimassa on 2 · 1,0080 + 16,000 = 18,016 g/mol.

Kaasujen tapauksessa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yksi mooli inaktiivista kaasua, jonka lämpötila on 273,16 K (0,01 °C) ja paine on 101 325 pascalia (normaali ilmanpaine), vie 22,414 dm3 tilaa.[13] Fysiikan kaasulaskuissa voidaan ainemääriä käsitellä mittaamalla pelkästään niiden tilavuuksia.

SI-kertoimet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Paljon käytetty kerrannainen on milli, jolloin kirjoitetaan 1 millimooli = 1 mmol.[20] Kaikki muut kerrannaiset ovat

Kerroin Nimi Tunnus Kerroin Nimi Tunnus
100 mooli mol      
101 dekamooli damol 10–1 desimooli dmol
102 hehtomooli hmol 10–2 senttimooli cmol
103 kilomooli kmol 10–3 millimooli mmol
106 megamooli Mmol 10–6 mikromooli µmol
109 gigamooli Gmol 10–9 nanomooli nmol
1012 teramooli Tmol 10–12 pikomooli pmol
1015 petamooli Pmol 10–15 femtomooli fmol
1018 eksamooli Emol 10–18 attomooli amol
1021 tsettamooli Zmol 10–21 tseptomooli zmol
1024 jottamooli Ymol 10–24 joktomooli ymol

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Lehtiniemi, Kalle & Turpeenoja, Tuija: Mooli - Ihmisen ja elinympäristön kemia. lukion kemian oppikirja. Helsinki: Otava, 2012. ISBN 978-951-1-23705-1.
  • Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI) (pdf) (nro 330) NIST Special Publication. 2008. Washington D.C.: National Institue Of Standards And Technology. Viitattu 15.2.2013. (englanniksi)

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c Suomen Standardoimisliitto: SI-opas (myös painettuna, ISBN 952-5420-93-0) (PDF) (Sivu 3.) SFS-oppaat. 04.11.2002. Suomen Standardoimisliitto. Viitattu 18.2.2013.
  2. Unit of amount of substance (mole) Kansainvälinen mittojen ja painojen toimisto BIPM. Viitattu 22.2.2013. en
  3. a b Lehtiniemi & Turpeenoja: Mooli - Ihmisen ja elinympäristön kemia, s.60
  4. NIST: Avogadron vakio, viitattu 22.2.2013
  5. CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006 2006. National Institute of Standards and Technology. Viitattu 19.10.2010. (englanniksi)
  6. SI-opas suomeksi
  7. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s.21
  8. NIST: atomimassayksikkö, viitattu 22.2.2013
  9. Lehtiniemi & Turpeenoja: Mooli - Ihmisen ja elinympäristön kemia, s.61-64
  10. NIST: Moolin historiaa, viitattu 22.2.2013
  11. Sizes: CGPM
  12. Sizes: CIPM
  13. a b c Sizes: Mooli
  14. International Bureau of Weights and Measures: SI-mooli
  15. a b IUPAC: Gold Book - Mooliin liittyviä yksiköitä
  16. Lehtiniemi & Turpeenoja: Mooli - Ihmisen ja elinympäristön kemia, s.65
  17. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s.24
  18. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s.44
  19. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s.26
  20. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s.29