Mooli

Mooli (yksikön tunnus mol ) on SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö perussuureelle ainemäärä (tunnus n). Yksi mooli ainetta sisältää aineen perushiukkasia yhtä monta kuin tasan 12 gramman näytteessä hiili-12-isotooppissa 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. 1 mol hiilijauhetta painaa 12 grammaa tai 1 mol rautaa painaa noin 56 grammaa.

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

$N_A=\frac{0,0012kg}{m_1},$

jolloin moolissa olevien hiukkasten lukumäärälle saadaan likiarvo $N_A$ = (6,02214129 ± 0,00000027)×10²³ kappaletta . Tätä lukumäärää kutsutaan Avogadron vakioksi.

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

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

Atomimassan ja moolimassan skalaarit vastaavat siten toisiaan

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

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

Yksikön määritelmä

Yksikön historiaa

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 happen. 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.

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.

Korvatut yksiköt

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

Johdannaisyksiköitä

Eteenkin kemian sovelluksia varten on otettu käyttöön erilaisia moolista johdettuja johannaisyksiköitä. Niiden tarkoituksena on helpottaa työskentelyä teknisen kemian tehtävissä.

Liuoksia

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

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

Mooliosuus (ei yksikköä, %) on liuenneen aineen osuus liuottimen ainemäärään. Yksikkönä on 1 mol/mol eli tulos on suhdeluku.

Muita

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

Mooltilavuus (tunnus V_m) on 1 mol ainemäärä dm³ tilavuudessa kaasua. Yksikkönä käytetään 1 mol/dm³.

Katalyyttinen aktiivisuus on kemiallisen reaktion nopeus. Yksikkönä käytetään (kat, katal) 1 kat = 1 mol/s. Suositellaan käytettäväksi entsyymien ja kliinisen kemian sovelluksissa.

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

Laskuesimerkki

Kemiallisen reaktion laskuesimerkki

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

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. Fysiikan kaasulaskuissa voidaan ainemääriä käsitellä mittaamalla pelkästään niiden tilavuuksia.

SI-kertoimet

Paljon käytetty kerrannainen on milli, jolloin kirjoitetaan 1 millimooli = 1 mmol. 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

• Lehtiniemi, Kalle & Turpeenoja, Tuija: Mooli - Ihmisen ja elinympäristön kemia. lukion kemian oppikirja. Helsinki: Otava, 2012. ISBN 978-951-1-23705-1.

• Suomen Standardoimisliitto: SI-opas (myös painettuna, ISBN 952-5420-93-0) (PDF) SFS-oppaat. 04.11.2002. Suomen Standardoimisliitto. Viitattu 18.2.2013.

• 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)