Mol i masa molowa — jak policzyć to, czego nie da się policzyć

Chemik ma problem praktyczny. Reakcje zachodzą między pojedynczymi atomami i cząsteczkami, a w laboratorium da się tylko coś zważyć. Atomów policzyć się nie da — są za małe i jest ich astronomicznie dużo.

Rozwiązaniem jest mol — i to jedno pojęcie spina ze sobą wagę i liczbę cząsteczek.

Zacznijmy od czegoś znanego

Mol nie jest tak dziwny, jak brzmi. To po prostu jednostka liczby sztuk — a takich używamy na co dzień.

Jednostka Ile sztuk Czego dotyczy
para 2 buty, rękawiczki
tuzin 12 jajka, sztućce
kopa 60 jaja, w dawnym handlu
ryza 500 arkusze papieru
mol 6,02 · 10²³ atomy, cząsteczki, jony

Nikt nie mówi „poproszę pięćset arkuszy papieru” — mówi się „ryza”. I z tego samego powodu chemik nie mówi „sześćset dwa tysiące trylionów atomów”, tylko „mol”.

Mol i stała Avogadra

Mol to taka ilość substancji, która zawiera 6,02 · 10²³ cząstek — atomów, cząsteczek albo jonów.

Liczbę 6,02 · 10²³ nazywamy stałą Avogadra i oznaczamy Nₐ.

Skąd akurat ta liczba? Nie jest przypadkowa: tyle atomów mieści się w 12 gramach węgla. Taką właśnie wartość dobrano, żeby liczby w obliczeniach wychodziły wygodne.

Żeby wyobrazić sobie skalę: gdyby mol ziaren maku rozsypać równomiernie po całej powierzchni Polski, warstwa byłaby grubsza niż kilometr. A mol cząsteczek wody to zaledwie jedna łyżka stołowa.

Masa molowa

Masa molowa M to masa jednego mola substancji. Jednostką jest g/mol.

I teraz najwygodniejsza rzecz w całym temacie:

Masa molowa jest liczbowo równa masie atomowej (albo cząsteczkowej) odczytanej z układu okresowego.

Węgiel ma w układzie okresowym masę atomową 12 u — i masę molową 12 g/mol. Żelazo 56 u i 56 g/mol. Nic nie trzeba przeliczać; wystarczy przepisać liczbę i zmienić jednostkę.

Masy atomowe, które wystarczą do zadań

Pierwiastek Masa Pierwiastek Masa
H 1 u S 32 u
C 12 u Cl 35,5 u
N 14 u K 39 u
O 16 u Ca 40 u
Na 23 u Fe 56 u
Mg 24 u Cu 64 u

Jak obliczyć masę molową związku

Dodaje się masy wszystkich atomów we wzorze.

Woda H₂O: M = 2 · 1 + 16 = 18 g/mol

Dwutlenek węgla CO₂: M = 12 + 2 · 16 = 12 + 32 = 44 g/mol

Kwas siarkowy(VI) H₂SO₄: M = 2 · 1 + 32 + 4 · 16 = 2 + 32 + 64 = 98 g/mol

Sól kuchenna NaCl: M = 23 + 35,5 = 58,5 g/mol

Wodorotlenek wapnia Ca(OH)₂ — tu uwaga na nawias, bo indeks 2 mnoży wszystko, co jest w środku: M = 40 + 2 · (16 + 1) = 40 + 2 · 17 = 40 + 34 = 74 g/mol

Trzy wzory, które załatwiają wszystko

n = m / M — liczba moli z masy

m = n · M — masa z liczby moli

N = n · Nₐ — liczba cząsteczek z liczby moli

gdzie n to liczba moli [mol], m masa [g], M masa molowa [g/mol], N liczba cząstek.

Wszystkie trzy to w gruncie rzeczy jeden wzór czytany w różnych kierunkach — jak droga, prędkość i czas.

Jak rozwiązać dowolne zadanie — cztery kroki

  1. Wypisz, co jest dane i w jakich jednostkach.
  2. Wypisz, co jest szukane.
  3. Policz masę molową M ze wzoru związku, korzystając z układu okresowego.
  4. Wybierz wzór i podstaw. Na końcu sprawdź jednostkę.

Krok trzeci pomija się najczęściej — i stąd bierze się większość błędów.

Zadania rozwiązane krok po kroku

Zadanie 1 — ile moli

Ile moli stanowi 36 g wody?

Dane: m = 36 g, wzór H₂O Szukane: n

M(H₂O) = 2 · 1 + 16 = 18 g/mol

n = m / M = 36 g : 18 g/mol = 2 mole

Zadanie 2 — ile gramów

Ile waży 0,5 mola dwutlenku węgla?

Dane: n = 0,5 mol, wzór CO₂ Szukane: m

M(CO₂) = 12 + 2 · 16 = 44 g/mol

m = n · M = 0,5 mol · 44 g/mol = 22 g

Zadanie 3 — ile cząsteczek

Ile cząsteczek zawierają 2 mole wody?

Dane: n = 2 mole Szukane: N

N = n · Nₐ = 2 · 6,02 · 10²³ = 1,204 · 10²⁴ cząsteczek

Zadanie 4 — sól kuchenna

Ile moli stanowi 117 g soli kuchennej NaCl?

M(NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5 g/mol

n = 117 g : 58,5 g/mol = 2 mole

Zadanie 5 — w drugą stronę

Ile gramów ma 3 mole kwasu siarkowego(VI)?

M(H₂SO₄) = 2 + 32 + 64 = 98 g/mol

m = 3 mol · 98 g/mol = 294 g

Zadanie 6 — dwa kroki naraz

Ile cząsteczek znajduje się w 11 g dwutlenku węgla?

Tego nie da się policzyć jednym wzorem — trzeba przejść przez mole.

Krok 1 — z masy na mole: M(CO₂) = 44 g/mol n = 11 g : 44 g/mol = 0,25 mola

Krok 2 — z moli na cząsteczki: N = 0,25 · 6,02 · 10²³ = 1,505 · 10²³ cząsteczek

Zasada ogólna: z masy na liczbę cząsteczek zawsze idzie się przez mole. Mol jest łącznikiem między tym, co się waży, a tym, co się liczy.

Zadanie 7 — masa molowa z nawiasem

Oblicz masę molową wodorotlenku wapnia Ca(OH)₂ i podaj, ile waży 0,2 mola tego związku.

M = 40 + 2 · (16 + 1) = 74 g/mol

m = 0,2 mol · 74 g/mol = 14,8 g

Zadanie 8 — ile atomów, a ile cząsteczek

Ile cząsteczek i ile atomów tlenu jest w 1 molu CO₂?

  • Cząsteczek: 1 mol → 6,02 · 10²³ cząsteczek CO₂.
  • Atomów tlenu: w każdej cząsteczce są dwa atomy tlenu, więc 2 · 6,02 · 10²³ = 1,204 · 10²⁴ atomów tlenu.

To jedna z najczęstszych pułapek: pytanie o atomy to nie to samo co pytanie o cząsteczki.

Dodatek — objętość molowa gazów

Dla gazów jest jeszcze jedna wygodna zależność:

1 mol dowolnego gazu zajmuje w warunkach normalnych objętość 22,4 dm³.

Warunki normalne to temperatura 0 °C i ciśnienie 1013 hPa.

Zaskakujące jest to, że nie ma znaczenia, jaki to gaz. Mol wodoru i mol dwutlenku węgla zajmują tyle samo miejsca, choć różnią się masą dwadzieścia dwa razy. Wynika to stąd, że w gazie cząsteczki dzielą ogromne odległości i sama ich wielkość nie ma znaczenia.

Przykład: jaką objętość zajmą 2 mole tlenu w warunkach normalnych?

V = 2 mol · 22,4 dm³/mol = 44,8 dm³

Trzy najczęstsze błędy

Pominięty nawias. W Ca(OH)₂ indeks 2 mnoży całą grupę OH, a nie sam wodór. M = 40 + 2·17, a nie 40 + 16 + 2.

Mylenie masy z liczbą moli. „36 g wody” i „36 moli wody” to zupełnie co innego — drugie ważyłoby 648 gramów.

Przeskakiwanie przez mole. Z gramów nie da się przejść wprost na liczbę cząsteczek. Zawsze: gramy → mole → cząsteczki.

Sprawdź się

  1. Oblicz masę molową: NaOH, CaCO₃, N₂.
  2. Ile moli stanowi 80 g wodorotlenku sodu NaOH?
  3. Ile waży 0,25 mola dwutlenku węgla?
  4. Ile cząsteczek jest w 9 g wody?

Rozwiązania. (1) M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 g/mol; M(CaCO₃) = 40 + 12 + 3·16 = 100 g/mol; M(N₂) = 2 · 14 = 28 g/mol. (2) n = 80 : 40 = 2 mole. (3) m = 0,25 · 44 = 11 g. (4) Najpierw mole: n = 9 : 18 = 0,5 mola; potem cząsteczki: N = 0,5 · 6,02 · 10²³ = 3,01 · 10²³ cząsteczek.

Do zapamiętania

  • Mol to jednostka liczby sztuk — jak tuzin czy ryza, tylko dla atomów i cząsteczek.
  • 1 mol = 6,02 · 10²³ cząstek; tę liczbę nazywamy stałą Avogadra Nₐ.
  • Masa molowa M [g/mol] jest liczbowo równa masie atomowej lub cząsteczkowej z układu okresowego.
  • Trzy wzory: n = m / M, m = n · M, N = n · Nₐ.
  • Z gramów na liczbę cząsteczek idzie się zawsze przez mole.
  • 1 mol dowolnego gazu zajmuje w warunkach normalnych 22,4 dm³.