Medžiagos kiekis

Chemijoje medžiagos kiekis apibrėžiamas kaip atskirų atominio dydžio klasės dalelių skaičius, padalintas iš Avogadro konstantos NA. Grynai atomistiniu požiūriu, medžiagos kiekis yra vienos skalės dalelių skaičius, sudarantis tiriamą medžiagą.[1][2][3] Tos dalelės, ar suskaičiuojami vienetai, gali būti molekulės, atomai, jonai, elektronai arba kitos, priklausomai nuo pasirinkto požiūrio. Avogadro konstanta NA yra oficialiai apibrėžta kaip 6,02214076×1023 mol-1. Taigi grynai atomistiniu požiūriu, 1 mol = 6,02214076×1023 dalelių (Avogadro konstantai, arba kitaip, Avogadro skaičiui). [4]

Medžiagos kiekio, masės, tūrio ir dalelių skaičiaus tarpusavio priklausomybė

SI matavimo vienetų sistemoje medžiagos kiekis matuojamas moliais (žymima mol) ir 2019 metais užfiksuota, kad Avogadro konstanta yra būtent 6,02214076×1023, tai yra kad tiek dalelių sudaro 1 molį. Chemijoje, vadovaujantis kartotinių santykių dėsniu, labiau įprasta dirbti su medžiagos kiekiu (tai yra su tam tikru kiekiu molių, arba molekulių), negu su medžiagos mase (gramais) arba medžiagos tūriu (litrais). Pavyzdžiui, cheminis faktas „1 molekulė deguonies (O2) reaguoja su 2 molekulėmis vandenilio (H2) ir sudaro 2 molekules vandens (H2O)“ gali būti lygiai tiek pat tiksliai nusakomas, kad „1 molis deguonies O2 reaguoja su 2 molias vandenilio H2 ir sudaro 2 molius vandens“. Jeigu tą patį cheminį faktą nusakytume masės vienetais, sakytume, kad 32 gramai deguonies reaguoja su apytiksliai 4,0304 g vandenilio ir sudaro apytiksliai 36,0304 g vandens (o skaitinės reikšmės yra priklausomos nuo reagentų izotopinės sudėties). Jeigu kalbėtume tūrio vienetais, skaitinės reikšmės būtų priklausomos nuo reagentų slėgio ir temperatūros. Lygiai dėl tos pačios priežasties, reagentų ir produktų koncentracija dažniausiai yra nusakomoa moliais litre, o ne gramais litre.

Medžiagos kiekis taip pat yra įprasta sąvoka termodinamikoje. Pavyzdžiui, tam tikro kiekio dujų slėgis tam tikro dydžio priimančiajame tūryje, esant tam tikrai temperatūrai, yra tiesiogiai susijęs su tų dujų molekulių skaičiumi (kaip nusako idealiųjų dujų dėsnis), o ne su jų mase.

Dalelių prigimties vienodumasKeisti

Kad būtų išvengiama dviprasmybių, kalbant apie medžiagos kiekį visuomet turi būti atsižvelgiama į dalelių prigimtį. Jei nagrinėjamos molekulių sistemos, turi būti lyginamos tik molekulės, jei atomų sistemos - tik atomai. Negali būti painiojamos molekulės su atomais, atomai su jonais ir panašiai. Nes, lyginant skirtingos prigimties daleles, jų kiekiai nėra lygiaverčiai, pavyzdžiui, 1 medžiagos kiekis (molis) deguonies molekulių sveria apie 32 gramus, o 1 medžiagos kiekis (molis) deguonies atomų – apie 16 gramų.

Pagrindiniai santykiai (lygybės)Keisti

Medžiagos molekulių skaičiaus N santykis su medžiagos kiekiu n vadinamas Avogadro konstanta NA:

 

Avogadro konstanta NA = 6,02214076×1023 rodo, kiek dalelių (atomų, molekulių ar kt.) yra viename medžiagos molyje.

Medžiagos kiekis n yra to medžiagos kiekio dalelių skaičiaus N santykis su Avogadro konstanta NA:

 

Medžiagos kiekio vienetas yra molis (būtina atsižvelgti į dalelių prigimties vienodumą), taip pat naudojami kartotiniai vienetai - kilomolis, milimolis, mikromolis.

Plačiai naudojami ir praktiniai santykiniai moliniai dydžiai – molinė masė ir molinis tūris.

  • Tarp medžiagos kiekio nX, chemiškai grynos medžiagos dalies X masės mX ir jos molinės masės MX yra priklausomybė:
 

Molinė masė dažnai matuojama gramais molyje (g/mol). SI vienetas yra kg/mol.

  • Molinis tūris yra lygus homogeninės sistemos tūrio V ir šios sistemos medžiagos X (molinio) kiekio n santykiui:
 

Molinio tūrio SI vienetas yra m3/mol; naudojami išvestiniai dm3/mol, cm3/mol vienetai, o taip pat nesisteminis litras moliui (L/mol): 1 L/mol = 10−3 m3/mol.

Idealiųjų dujų molinis tūris normaliomis sąlygomis (T = 273,15 K; p = 101325 Pa) yra lygus 0,02241410 m3/mol. Ši skaitinė reikšmė dažnai naudojama skaičiavimuose.

Medžiagos kiekio studijavimo istorijaKeisti

Alchemikai ir ypač ankstyvieji metalurgai galbūt vartojo kokias nors apibendrintas sampratas apie medžiagos kiekį, bet apie tai neturime išlikusių duomenų, tiktai naudotų medžiagų receptų. 1795 metais Michailas Lomonosovas svarstė mintį, kad masė yra vienintelis medžiagos kiekio matas[5], bet jis viską susiejo tik su savo teoriniais samprotavimais apie gravitaciją. Tikrasis medžiagos kiekio sąvokos svarstymas prasidėjo kartu su moderniosios chemijos atsiradimu.

  • 1777: Karlas Frideichas Vencelis (Carl Friedrich Wenzel) publikavo Kūnų giminingumo mokymą[6]; jis pademonstravo, kad vykstant cheminei reakcijai tarp dviejų neutralių medžiagų, proporcija tarp „šarminio komponento“ ir „rūgštinio komponento“ (katijono ir anijono šiuolaikine terminologija) išlieka nepakitusi.
  • 1789: Antuanas Lavuazjė publikavo Traktatą apie elementariąją chemiją (Traité élémentaire de chimie.- 2 tomai.- Paris 1789). Kūrinyje Lavuazjė suformulavo cheminio elemento koncepciją ir išaiškino masių tvermės dėsnio veikimą cheminėse reakcijose.[7]
  • 1792: Jeremijas Richteris (Jeremias Benjamin Richter) remdamasis savo disertacija „De usu matheseos in chemia“ (Matematinio metodo naudojimas chemijoje) suformulavo Ekvivalentinių proporcijų dėsnį, kuris pagrindė stoichiometriją, kaip matematinį metodą skirtą cheminių reakcijų reagentų proporcijoms tirti. Jis sukūrė pirmąsias lenteles, kuriose buvo surinkti rūgščių reagavimo su bazėmis ekvivalentinių masių kiekiai. Richteris taip pat pastebėjo, kad konkrečios rūgšties ekvivalentinė masė yra proporcinga sąveikaujančios bazės deguonies masei.
  • 1794: Jozefas Prustas (Joseph Proust) suformulavo sudėties pastovumo dėsnį, kuris apibendrino ekvivalentinių masių koncepcijos taikymą visų tipų cheminėms reakcijoms.
  • 1805: Džonas Daltonas paskelbė savo pirmą darbą apie moderniąją atomų teoriją, kur buvo ir „Dujinių ir kitokių kūnų smulkiausių dalelių santykinių masių lentelė“ (Table of the relative weights of the ultimate particles of gaseous and other bodies).
    Atomų sąvoka kėlė klausimą apie jų masę. Nors daugelis mokslininkų skeptiškai vertino šią teoriją, chemikai suskubo pastebėti, kad atominė masė yra nepaprastai vertinga priemonė, leidžianti užrašyti stoichiometrines proporcijas.
  • 1808: Publikuojama Džono Daltono Naujoji cheminės filosofijos sistema (A New System of Chemical Philosophy), kur pirmą kartą yra atominių masių lentelė, grindžiama tuo, kad vandenilio atomo masė prilyginta vienetui (H = 1).[8]
  • 1809: Jozefo Gei-Liusako (Joseph Louis Gay-Lussac) izobarinio proceso dėsnis, atskleidžiantis, kad priklausomybė tarp reagentų ir reakcijos produktų dujų tūrių yra išreiškiama sveikaisiais skaičiais.[9]
  • 1811: Amadėjus Avogadras suformulavo hipotezę, dabar žinomą kaip Avogadro dėsnis: vienoduose skirtingų dujų tūriuose yra vienodas dalelių kiekis.[10]
  • 1813/1814: Jensas Jakobas Berzelijus publikavo pirmąsias iš keleto įvairių atominio svorio lentelių, kurių bazinė atskaita buvo deguonies atominė masė prilyginta 100 (O = 100).[11] Pirmosios Berzelijaus publikacijos Švedijoje pasirodė 1810 metais.
  • 1815: Viljamas Prautas (William Prout) paskelbė hipotezę, kad kiekvieno cheminio elemento atominė masė yra sveikųjų daugiklių kartotinė vandenilio masei.[12] Vėliau hipotezės atsisakyta dėl to, kad išmatuota chloro atominė masė buvo apie 35.5 santykines vandenilio atomines mases.
  • 1819: Suformuluojamas Diulongo-Pti dėsnis, susiejantis kietųjų cheminių elementų atominę masę su jų savitąja šilumine talpa.[13]
  • 1819: Eilhardo Mitšerlicho (Eilhard Mitscherlich) darbai kristalų izomorfizmo srityje pateikė pagrįstus cheminių formulių paaiškinimus, nes išsklaidė keletą nesuprantamų dviprasmybių, kildavusių skaičiuojant atomines mases.
  • 1834: Benua Klapeironas (Benoît Paul Émile Clapeyron) suformulavo idealiųjų dujų dėsnį.
    Idealiųjų dujų dėsnis buvo pirmasis iš daugelio atskleistų sąryšių tarp sistemos atomų ar molekulių kiekio ir kitų tos sistemos fizinių savybių, neskaitant jų masės. Bet šito nepakako, kad mokslininkai galutinai įtikėtų atomų ir molekulių egzistavimu, nemaža jų dalis tokią sampratą laikė tiesiog patogia skaičiavimo priemone.
  • 1834: Maiklas Faradėjus suformulavo elektrolizės dėsnius, kurių viena išvadų teigė, kad „ardantis cheminis elektros srovės poveikis yra vienodas tam pačiam elektros kiekiui.[14]
  • 1856: Augustas Krenigas (August Krönig) išvedė idealiųjų dujų dėsnį remdamasis dujų kinetine teorija. [15] Rudolfas Klauzijus (Rudolf Clausius) nepriklausomai tą patį dėsnį išvedė metais vėliau.[16]
  • 1860: Karlsruhės kongrese (Karlsruher Kongress) buvo svarstomi ryšiai tarp „fizikinių molekulių“, „cheminių molekulių“ ir atomų, bet nebuvo sutarta jokių bendrų išvadų.[17]
  • 1865: Jozefas Lošmitas (Johann Josef Loschmidt) pirmą kartą įvertino dujų molekulių dydį ir, tuo pačiu, molekulių kiekį tam tikrame dujų tūryje prie tam tikrų sąlygų; dabar šis kiekis vadinamas Lošmidto skaičiumi.[18]
  • 1886: Jakobas van’t Hofas (Jacobus Henricus van 't Hoff) pademonstravo, kad atskiestų tirpalų savybės yra tapačios ir idealiųjų dujų savybėms.
  • 1886: Oigenas Goldšteinas (Eugen Goldstein), stebėdamas anodinius spindulius dujų iškrovose, padėjo pagrindus masių spektrometrijai, priemonei, kuria vėliau imta nustatinėti atomų ir molekulių masę.
  • 1887: Svantė Augustas Arenijus (Svante Arrhenius) aprašė elektrolitų tirpalo disociaciją, paaiškindamas, kad tirpale jonai susidaro natūraliai, tai nėra susijęs su Faradėjaus aprašyta elektrolize, ir kad rūgštims yra būdingi vandenilio jonai (H+), o bazėms – hidroksido jonai (OH-).
  • 1893: Frydrichas Vilhelmas Ostvaldas pirmą kartą panaudojo sąvoką molis, kaip medžiagos kiekio matą (vokiečių kalba).[19]
  • 1897: Sąvoka molis pirmą kartą pavartota angliškai.[20]
  • XX amžiaus pervartoje, galima sakyti jau visuotinai sutinkama su atominių ir molekulinių dalelių samprata, bet vis dar lieka klausimų, tokių kaip atomo dydis ir atomų kiekis konkrečiame mėginyje. Besivystantis masių spektrometijos metodas (pradėtas taikyti 1886 m.) patikimai parėmė atominės ir molekulinės masės koncepcijas ir tapo priemone tiesioginiam santykinių dydžių matavimui.
  • 1905: Alberto Einšteino publikacija apie Brauno judėjimą išsklaidė paskutines abejones dėl fizinio atomų realumo ir atvėrė kelią tiksliam atomo masės išmatavimui.[21]
  • 1909: Žanas Batistas Perenas (Jean Baptiste Perrin) įvedė sąvoką Avogadro konstanta ir nustatė jos vertę.
  • 1913: Frederikas Sodis (Frederick Soddy) ir Džozefas Džonas Tomsonas atrado radioaktyviai stabilių elementų izotopus.
  • 1914: Teodoras Ričardsas (Theodore William Richards) gavo Nobelio chemijos premiją už „pasišventimą daugelio elementų atominio svorio nustatymui“.[22]
  • 1920: Fransis Astonas (Francis William Aston) įvedė sveiko skaičiaus taisyklę, kuri iš esmės buvo atnaujinta 1815 metų Prauto hipotezė.[23]
  • 1921: Frederikas Sodis (Frederick Soddy) gauna Nobelio chemijos premiją už „darbus radioaktyviųjų medžiagų chemijos srityje ir izotopų tyrinėjimą“[24]
  • 1922: Fransis Astonas (Francis William Aston) gauna Nobelio chemijos premiją už „daugybės neradioaktyvių elementų izotopų aprašymą ir jo atrastą sveiko skaičiaus taisyklę“.[25]
  • 1926: Žanas Batistas Perenas (Jean Baptiste Perrin) gauna Nobelio fizikos premiją už Avogadro konstantos apskaičiavimą.[26]
  • 1959/1960: IUPAP (Tarptautinė teorinės ir taikomosios fizikos sąjunga) ir IUPAC ((Tarptautinė teorinės ir taikomosios chemijos sąjunga) pripažino unifikuotą atominės masės vienetų skalę, pagrįstą anglies izotopo atomine mase 12C = 12.[27]
  • 1968: Rekomenduota į tarptautinę matavimo vienetų sistemą įtraukti medžiagos kiekio vienetą molį.
  • 1972: Į SI matavimo vienetų sistemą įtrauktas molis.
  • 2019: SI matavimo vienetų sistemoje molis iš naujo apibrėžtas kaip „medžiagos kiekis, kurį sudaro tiksliai 6,022 140 76 × 1023 elementariųjų dalelių.[28]

SusijęKeisti

ŠaltiniaiKeisti

  1. Baranski, A. (2012) „The Atomic Mass Unit, the Avogadro Constant, and the Mole: A way to Understanding“ J. Chem. Educ. 89: 97–102. doi:10.1021/ed2001957
  2. Giunta, C. J. (2015) „The Mole and Amount of Substance in Chemistry and Education: Beyond Official Definitions“ J. Chem. Educ. 92: 1593–97. doi:10.1021/ed2001957
  3. Schmidt-Rohr, K. (2020). „Analysis of Two Definitions of the Mole That Are in Simultaneous Use, and Their Surprising Consequences” J. Chem. Educ. 97: 597–602. doi:10.1021/acs.jchemed.9b00467
  4. Brown, L.; Holme, T. (2011) Chemistry for Engineering Students, Brooks/Cole.
  5. Ломоносов, Михаил „Об отношении количества митерии и веса“
  6. Lehre von der Verwandtschaft der Körper. Dresden (1777, 2. Aufl. 1782)
  7. Traité élémentaire de chimie.- 2 tomai.- Paris 1789. Šio traktato antrojo leidimo (1793) skaitmenizuota kopija internete Tomas 1, Tomas 2
  8. John Dalton, A New System of Chemical Philosophy
  9. Joseph Louis Gay-Lussac. Vertimas į anglų
  10. Amedeo Avogadro. Vertimas į anglų
  11. Bercelijaus veikalų ištraukos (anglų k.): Dalis 2; Dalis 3.
  12. William Prout. On the relation between the specific gravities of bodies in their gaseous state and the weights of their atoms
  13. Alexis Thérèse Petit, Louis Dulong. Recherches sur quelques points importants de la Théorie de la Chaleur (vertmas į anglų)
  14. Michael Faraday. On Electrical Decomposition
  15. August Krönig. Grundzüge einer Theorie der Gase
  16. Rudolf Clausius. Ueber die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen
  17. Account of the Sessions of the International Congress of Chemists in Karlsruhe, on 3, 4, and 5 September 1860.
  18. Johann Josef Loschmidt. Zur Grösse der Luftmoleküle (vertimas į anglų)
  19. Wilhelm Ostwald, Hand- und Hilfsbuch zur ausführung physiko-chemischer Messungen
  20. Georg Helm, The Principles of Mathematical Chemistry: The Energetics of Chemical Phenomena, page 6
  21. Annalen der Physik, 1905, vol. 17, p.549–60
  22. The Nobel Prize in Chemistry 1914
  23. Francis William Aston, 1920, The constitution of atmospheric neon, Philosophical Magazine, vol. 39, iss. 6, p. 449–55
  24. The Nobel Prize in Chemistry 1921
  25. The Nobel Prize in Chemistry 1922
  26. The Nobel Prize in Physics 1926
  27. Chemistry International, 2004, 1
  28. Bureau International des Poids et Mesures (2019) SI Brochure: The International System of Units (SI).