Ilość materii

Ilość materii Kluczowe dane

Jednostki SI	kret
Wymiar	NIE
Natura	Rozmiar skalarny zachowawczy ekstensywny
Zwykły symbol	$nie$

W chemii lub fizyki , „w ilości materii , symbol n, systemu jest reprezentacją liczby określonych jednostek elementarnych. Elementarną jednostką może być atom , cząsteczka , jon , elektron lub dowolna inna cząstka lub określona grupa cząstek. „ Jest to wielkość fizyczna, której jednostką odpowiadającą w Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI) jest mol . Dlatego jednostkową ilością materiału jest „jeden mol ” rozważanego materiału, niezależnie od tego materiału.

Wyrażenie „ilość materii” zostało zdefiniowane dopiero w 1969 r. Wyrażenie „ liczba moli ”, istniejące wcześniej, pozostaje poprawne i nadal jest szeroko rozpowszechnione wśród chemików. Termin „ ilość chemiczna ” jest również akceptowany jako synonim „ilości materii” i jest używany w niektórych pracach. Ponadto broszura SI z BIPM , w Złotym książce i zielonej księdze z IUPAC zalecają stosowanie „ilość i ” w odniesieniu do liczby moli substancji i danych, na przykład „ilość wody”, aby wyrazić liczba moli wody, a nie „ilość materii wody”.

Nie należy mylić ilości materii z masą wyrażoną w kilogramach . Różnica między nimi polega na masie molowej , która może przyjmować niezwykle duże wartości, zwłaszcza w przypadku makrocząsteczek .

Docenianie ilości materiału

Definicja

Ilość materiału wyrażoną w molach określa się następująco:

{\ Displaystyle n = {\ Frac {N} {N _ {\ mathrm {A}}}}}

$nie$ : ilość materii wyrażona w molach (mol);
$NIE$ : liczba jednostek tego samego gatunku (cząsteczki, jony, atomy, elektrony itp.) zaangażowanych w system, który nie ma jednostki;
${\ Displaystyle N _ {\ mathrm {A}}}$ : Stała Avogadro , która wynosi 6,02214076 × 10 23 mol -1 (wartość zalecana przez BIPM ).

Ilość materii to wielka ilość , to znaczy ilość materii w systemie jest sumą ilości materii we wszystkich jego częściach.

Zasadniczo zatem ilość materii odzwierciedla tylko liczbę jednostek tego samego gatunku.

Naturalną jednostkę ilości materiału jest teoretycznie „jedności”, który jest ilość elementarnej (i minimalne); pewna liczba jednostek tego samego gatunku (cząsteczki, jony, atomy, elektrony itp.) musi koniecznie zostać przetłumaczona na liczbę całkowitą. Podział przez stałą Avogadro nie zmienia zasadniczo sytuacji: równie dobrze możemy uznać, że stała Avogadro jest jednym z przedrostków Międzynarodowego Systemu Jednostek , trochę szczególnym, ponieważ nie jest warta potęgi dziesięciu, ale ~ 0,6 joty , i że kret jest nietypową jednostką układu narzucającą współczynnik konwersji przy liczeniu jednostek tego samego gatunku na poziomie atomowym.

Jednak ilość materii to coś więcej niż tylko liczba, a kret to coś więcej niż zwykły współczynnik konwersji, z dwóch powodów. Przede wszystkim praktyczny powód: przez długi czas chemicy mogli manipulować „liczbą moli” jakiegoś gatunku chemicznego bez znajomości liczby Avogadro i konieczność ustalenia dowolnej, stałej konwersji.

Mówiąc bardziej zasadniczo, pojęcie to odzwierciedla radykalną zmianę skali: ilość materii jest tym, co umożliwia powiązanie między poziomem mikroskopowym (liczona jednostka) a poziomem makroskopowym (ilością substancji powszechnie manipulowanej w chemii, utworzonej przez '' gigantyczna liczba podmiotów); i jakościowo, ogólne zachowanie substancji nie ogranicza się do superpozycji poszczególnych zachowań jej cząsteczek składowych. Ta bardzo duża liczba jest pierwszym krokiem z trzech skoków skali między nieskończenie dużym i nieskończenie małym:

pewna liczba cząstek rzędu liczby Avogadro zazwyczaj reprezentuje masę rzędu kilku gramów. Tysiąc to ludzka skala; ${\ Displaystyle N _ {\ mathrm {A}}}$
domeną skali planetarnej jest poza nią liczba Avogadro. Tysiąc ponad kilogram, masa Słońca jest rzędu 2 × 10 29 g ; ${\ Displaystyle N _ {\ mathrm {A}}}$
Wszechświat jako całość jest nadal poza liczbą Avogadro. Liczba gwiazdek w wszechświecie jest bardzo zgrubnie oszacowano na 10 24 , na podstawie liczby galaktyk oraz szacunkową liczbę gwiazd na galaktykę.

Ilość materii i masa

Jeden mol od węgla 12 atomów i trzy mole helu 4 atomy zawierają tę samą liczbę protonów , neutronów i elektronów , to znaczy 6 moli protonów, 6 moli neutronów i 6 moli elektronów.

Okazuje się jednak, że masa jednego mola węgla 12 jest warta około 12 gramów (zgodnie z definicją mola obowiązującą od 1971 do 2019 roku), podczas gdy masa trzech moli helu 4 jest warta 3 x 4,0026 = 12,007 8 gramów. Sprowadza się to do stwierdzenia, że w skali atomowej atom węgla 12 ma masę nieco mniejszą niż trzy atomy helu 4, chociaż w obu przypadkach mamy do czynienia z 6 protonami, 6 neutronami i 6 elektronami.

Ponieważ idealnie identyczne ilości protonów, neutronów i elektronów mogą mieć różne masy w zależności od typu atomu, do którego należą, wynika z tego, że nie można po prostu utożsamiać masy z ilością materii.

W tym przykładzie obserwowaną różnicę mas tłumaczy się różnicą między energiami wiązania jądra helu i węgla: jeśli masa jest rozumiana jako forma energii zawartej w materii, można sobie wyobrazić, że różne wiązania atomowe wykorzystują różne ilości energii i pozostaw mniej więcej w postaci masy. Ta masa uważana jest za formę energii zawartej w materii, pochodzącej ze słynnego wzoru . $E = m \ times c ^ {2}$

Ilość materii i masa ciężka

Głównym przejawem ilości materii jest masa , według której jest mierzona. Powiązaniem między ilością materii a masą jest współczynnik zwany masą molową , który zależy od rozpatrywanej substancji chemicznej.

Masa, jako ilość materii, jest bardzo silnie związana z jednym z zasadniczych aspektów masy, z masą ciężką , obserwowaną bezpośrednio poprzez ważenie. W przeciwieństwie do masy bezwładnej , która odzwierciedla odporność materii na ruch w kontekście dynamicznym, masa ciężka zasadniczo odzwierciedla rozległą statyczną jakość materii.

W systemach fizycznych, w których konieczne jest koncepcyjne rozróżnienie między fizycznymi wielkościami masy obojętnej i ciężkiej, możemy schematycznie powiedzieć, że jeśli w opisie systemu wielkość fizyczną mającą wymiar masy można zastąpić wielkością fizyczną zachowując się w ten sam sposób, ale gdy masę zastępuje ilość materii, wówczas rozpatrywaną masą jest masa ciężka .

Ilość materii i potencjał chemiczny

Innym głównym przejawem ilości materii jest energia chemiczna zawarta w tej ilości materii, co przekłada się na potencjał chemiczny lub pochodne pojęcia. Jest zdefiniowany do stałej addytywnej; jest to w istocie dokładniej różnica energii, która może zostać przeniesiona przez zmianę pewnej ilości materii z jednego stanu chemicznego do drugiego lub z jednej fazy do drugiej, zgodnie z określonymi modalnościami.

Ilość materii nie przejawia się już jako waga danej substancji, ale jako wielkość zmiany, jaką ta substancja jest w stanie wnieść do systemu. Wyrażanie tych potencjałów energetycznych w odniesieniu do ilości materii, a nie np. W odniesieniu do ważenia, przypomina nam, że podmiot aktywny jest gatunkiem chemicznym, a nie niezróżnicowaną masą.

Ilość materii i energii elektrycznej

Jednostki tego samego gatunku są na ogół cząsteczkami chemicznymi, ale mogą to być również jony lub przez przedłużenie elektrony .

Stała Faraday'a odzwierciedla oznacza ilość materiału załadowanego względem ładunku elektrycznego.

Wzory na ilości materiałów

Ilość materii licząca racjonalne jednostki chemiczne lub fizyczne, może być powiązana z innymi wielkościami w zależności od charakteru lub właściwości tych bytów.

Związek z masą molową gatunku

{\ displaystyle n = {\ frac {m.} {m.}}}

$nie$ : ilość materiału wyrażona w molach (mol);
$m$ : masa próbki wyrażona w gramach (g);
$M$ : masa molowa gatunku, która odpowiada masie jednego mola tego gatunku i jest wyrażona w gramach na mol (g · mol −1 ).

Zależność ta umożliwia pobranie żądanej liczby moli z substancji w postaci stałej, często w postaci proszku.

Związek z gęstością gatunku

{\ Displaystyle n = {\ Frac {\ rho \, V} {M}}}

$nie$ : ilość materiału wyrażona w molach (mol);
$\ rho$ : gęstość wyrażona w gramach na litr (g · l –1 );
$V$ : objętość wyrażona w litrach (l);
$M$ : masa molowa gatunku, która odpowiada masie jednego mola tego gatunku i jest wyrażona w gramach na mol (g · mol −1 ).

Ta formuła jest przydatna do pobierania określonej ilości materii z cieczy, znając na przykład jej gęstość, która może być powiązana z gęstością.

Powiązanie z objętością molową

{\ Displaystyle n = {\ Frac {V} {V _ {\ mathrm {m.}}}}}

$nie$ : ilość materiału wyrażona w molach (mol);
$V$ : objętość próbki wyrażona w litrach (l);
${\ displaystyle V _ {\ mathrm {m.}}}$ : objętość molowa, która odpowiada objętości jednego mola w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia, jak w próbce, wyrażona w litrach na mol (l · mol −1 ).

Dotyczy to gazów oraz cieczy i ciał stałych. Objętość molowa zależy od warunków temperatury i ciśnienia.

Prawo gazu doskonałego

{\ Displaystyle n = {\ Frac {P \, V} {R \, T}}}

$nie$ : ilość materiału wyrażona w molach (mol);
$P.$ : ciśnienie wyrażone w paskalach (Pa);
$V$ : objętość wyrażona w metrach sześciennych (m 3 );
$T$ : temperatura wyrażona w kelwinach (K);
$R$ : uniwersalna stała gazów doskonałych ( J mol −1 K −1 ).

Wzór ten odnosi się do gazów i jest a priori ważny tylko w ramach modelu gazu doskonałego , który jednak w wielu przypadkach pozostaje dobrym przybliżeniem.

Związek z koncentracją

{\ Displaystyle n = C \, V}

$VS$ : stężenie molowe wyrażone w molach na litr (mol · l -1 );
$nie$ : ilość materiału wyrażona w molach (mol);
$V$ : objętość wyrażona w litrach (l).

Służy to na przykład do określenia objętości roztworu o danym stężeniu do rozcieńczenia . Stężenie molowe wyraża się jako funkcję ilości materiału i objętości.

Uwagi i odniesienia

Uwagi

broszura IS 2019 , s. 21-22.
(en) " Ilość substancji " Compendium of Chemical Terminologia [ " Złota Book "], IUPAC , 1997, poprawiona wersja elektroniczna (2006-), 2 nd ed..
Peter W. Atkins, Elements of Physical Chemistry , De Boeck University, 1996.
(in) IUPAC , Ilości, jednostki i symbole w chemii fizycznej ( zielona księga ) ,2007, 3 e ed. ( czytaj online [PDF] ) , str. 53-54.
Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej . Ilości, jednostki i symbole w chemii fizycznej [„ zielona księga ”], Oxford, Blackwell Science,1993, 2 II wyd. ( ISBN 0-632-03583-8 , czytaj online ) , str. 41..
„ BIPM - Avogadro Project ” , pod adresem http://www.bipm.org/ , International Bureau of Weights and Measures (dostęp: 31 sierpnia 2016 r . ) .
Układ okresowy pierwiastków. daje izotopowi 4 He względną masę atomową 4,002603250.

Bibliografia

Międzynarodowe Biuro Miar i Wag , Międzynarodowy Układ Jednostek Miar ,2019, 9 th ed. ( ISBN 978-92-822-2272-0 , czytaj online [PDF] ) , str. 21-22.

Powiązane artykuły