Mol, masa molowa i stała Avogadra

Po co chemikom mol

Atomy są niewyobrażalnie małe. W jednej kropli wody jest ich więcej niż ziaren piasku na wszystkich plażach świata. Nikt nigdy nie policzy atomów sztuka po sztuce — a chemik musi wiedzieć, ile ich bierze do reakcji, bo atomy łączą się w ściśle określonych proporcjach.

Rozwiązanie jest takie samo, jakiego używamy w sklepie. Nikt nie liczy ziaren cukru — ważymy kilogram i wiemy, że to zawsze mniej więcej tyle samo ziaren. Nikt nie liczy kartek pojedynczo — kupujemy ryzę i wiemy, że to 500 arkuszy.

W chemii taką „paczką” jest mol. To nie jest nowe pojęcie fizyczne, tylko sposób liczenia: umówiona porcja, która zawsze zawiera tę samą liczbę cząstek.

Znamy takie umowy z życia codziennego:

Nazwa Ile sztuk
para 2
tuzin 12
kopa 60
ryza papieru 500
mol 602 000 000 000 000 000 000 000

Stała Avogadra

Ta ogromna liczba ma swoją nazwę i symbol.

Stała Avogadra (N_A) = 6,02 × 10²³ cząstek w jednym molu.

Zapis 10²³ oznacza jedynkę z dwudziestoma trzema zerami. Dlatego liczby w tym dziale zapisujemy skrótowo — inaczej nie mieściłyby się w linijce.

Jak wielka jest ta liczba? Mol ziaren maku przykryłby całą Polskę warstwą grubszą niż kilometr. A gdyby liczyć po jednej cząstce na sekundę, bez przerwy, policzenie jednego mola trwałoby ponad milion razy dłużej, niż istnieje Wszechświat.

Nazwa upamiętnia włoskiego uczonego Amedea Avogadra, który w XIX wieku postawił hipotezę o liczbie cząsteczek w gazach. Sam tej liczby nigdy nie wyznaczył — zrobiono to długo po jego śmierci.

Uwaga na sformułowanie. Mówimy zawsze „mol czegoś”: mol atomów żelaza, mol cząsteczek wody, mol jonów sodu. Samo „mol” bez dopowiedzenia nic nie znaczy — tak jak „tuzin” bez powiedzenia, czego.

Masa molowa

Skoro mola nie da się odliczyć, to jak go odmierzyć? Przez zważenie.

Masa molowa (M) to masa jednego mola danej substancji. Podajemy ją w gramach na mol (g/mol).

I tu jest najlepsza wiadomość w całym temacie: masę molową odczytuje się wprost z układu okresowego. Liczba zapisana w kratce jako masa atomowa, ta sama liczba wyrażona w g/mol, jest masą molową pierwiastka.

Pierwiastek Masa atomowa (u) Masa molowa (g/mol)
wodór H 1 1
węgiel C 12 12
tlen O 16 16
sód Na 23 23
siarka S 32 32
chlor Cl 35,5 35,5
żelazo Fe 56 56

Dla związków chemicznych dodajemy masy wszystkich atomów we wzorze, pamiętając o małych cyferkach.

Woda H₂O: 2 × 1 + 16 = 18 g/mol. Czyli 18 gramów wody to dokładnie jeden mol cząsteczek wody — niecałe dwie łyżki.

Dwutlenek węgla CO₂: 12 + 2 × 16 = 44 g/mol.

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

Wodorotlenek wapnia Ca(OH)₂: nawias oznacza, że dwójka dotyczy całej grupy OH. Zatem 40 + 2 × (16 + 1) = 40 + 34 = 74 g/mol.

Trzy wzory, które wystarczą

Cały ten dział opiera się na trzech zależnościach. Oznaczenia: n — liczba moli, m — masa w gramach, M — masa molowa, N — liczba cząstek.

Co chcesz obliczyć Wzór Po ludzku
liczbę moli z masy n = m ÷ M ważysz i dzielisz przez masę jednego mola
masę z liczby moli m = n × M mnożysz liczbę paczek przez masę paczki
liczbę cząstek N = n × N_A mnożysz liczbę moli przez 6,02 × 10²³

Pierwsze dwa wzory to ten sam wzór przekształcony. Jeśli pamiętasz m = n × M, resztę wyprowadzisz jak przy obliczaniu ceny: cena = liczba sztuk × cena za sztukę, więc liczba sztuk = cena ÷ cena za sztukę.

Przykłady rozwiązane krok po kroku

Przykład 1 — masa molowa związku

Oblicz masę molową kwasu siarkowego H₂SO₄.

Rozpisujemy atomy: 2 atomy wodoru, 1 atom siarki, 4 atomy tlenu.

M = 2 × 1 + 32 + 4 × 16 = 2 + 32 + 64 = 98 g/mol

Przykład 2 — z masy na mole

Ile moli cząsteczek jest w 36 g wody?

Najpierw masa molowa wody: M = 18 g/mol. Potem dzielimy:

n = m ÷ M = 36 ÷ 18 = 2 mole

Sprawdzenie zdroworozsądkowe: skoro jeden mol waży 18 g, to 36 g musi być dwa razy więcej. Zgadza się.

Przykład 3 — z moli na masę

Ile waży 0,5 mola dwutlenku węgla?

M dla CO₂ = 44 g/mol.

m = n × M = 0,5 × 44 = 22 g

Przykład 4 — liczba cząsteczek

Ile cząsteczek wody jest w 2 molach wody?

N = n × N_A = 2 × 6,02 × 10²³ = 1,204 × 10²⁴ cząsteczek

Mnożąc, mnożymy tylko liczbę z przodu: 2 × 6,02 = 12,04. A ponieważ 12,04 × 10²³ zapisujemy porządniej jako 1,204 × 10²⁴, przesuwamy przecinek i podnosimy potęgę o jeden.

Przykład 5 — pytanie o atomy, nie cząsteczki

Ile atomów wodoru jest w 2 molach wody?

Uwaga — to inne pytanie niż poprzednie. W każdej cząsteczce H₂O są dwa atomy wodoru, więc atomów jest dwa razy więcej niż cząsteczek:

N = 2 × 1,204 × 10²⁴ = 2,408 × 10²⁴ atomów wodoru

Przykład 6 — zadanie łączone

Ile gramów waży 3,01 × 10²³ atomów żelaza?

Krok 1 — zamieniamy liczbę cząstek na mole. Zauważ, że 3,01 to połowa z 6,02, więc:

n = 3,01 × 10²³ ÷ 6,02 × 10²³ = 0,5 mola

Krok 2 — zamieniamy mole na gramy. Dla żelaza M = 56 g/mol.

m = 0,5 × 56 = 28 g

Trzy najczęstsze błędy

Pomijanie małych cyferek przy liczeniu masy molowej. W H₂SO₄ tlen występuje cztery razy — trzeba policzyć 4 × 16, a nie 16.

Mylenie jednostek. Masa atomowa podawana jest w unitach (u) i dotyczy jednego atomu. Masa molowa w gramach na mol (g/mol) i dotyczy całego mola. Liczba jest ta sama, ale znaczenie zupełnie inne.

Mylenie cząsteczek z atomami. „Ile cząsteczek” i „ile atomów” to dwa różne pytania — patrz przykład 5.

Sprawdź się

  1. Oblicz masę molową tlenku wapnia CaO.
  2. Ile moli to 40 g wodorotlenku sodu NaOH (M = 40 g/mol)?
  3. Ile waży 2 mole cząsteczek tlenu O₂?
  4. Ile cząsteczek jest w 0,5 mola dowolnej substancji?

Rozwiązania. (1) 40 + 16 = 56 g/mol. (2) n = 40 ÷ 40 = 1 mol. (3) M dla O₂ = 2 × 16 = 32 g/mol, więc m = 2 × 32 = 64 g. (4) N = 0,5 × 6,02 × 10²³ = 3,01 × 10²³ cząsteczek.

Do zapamiętania

  • Mol to porcja licząca 6,02 × 10²³ cząstek — chemiczny odpowiednik tuzina, tylko ogromny.
  • Ta liczba nazywa się stałą Avogadra i oznaczamy ją N_A.
  • Masa molowa to masa jednego mola, w g/mol; dla pierwiastka odczytujemy ją z układu okresowego, dla związku sumujemy masy wszystkich atomów we wzorze.
  • n = m ÷ M, m = n × M, N = n × N_A — te trzy wzory wystarczą do wszystkich zadań z tego działu.
  • Zawsze mówimy „mol czegoś”: mol atomów, mol cząsteczek, mol jonów.