La relazione tra massa, quantità di sostanza, volume e numero di particelle.
Lamassa molecolare di unasostanza (detta pure impropriamentepeso molecolare, che differisce dallamassa molare a meno dellacostante di massa molare) è il rapporto tra lamassa di una data quantità di quella sostanza e ilnumero di moli della stessa quantità di quella sostanza. È comunemente espressa inunità di massa atomica (u). In alcuni casi, per massa molecolare di una sostanza si intende il rapporto tra la massa di una data quantità di quella sostanza e il numero di entità elementari (ad esempiomolecole) costituenti la stessa quantità di quella sostanza.La costante di conversione tra queste due interpretazioni della massa molecolare è lacostante di Avogadro, ossia il numero di particelle elementari di una sostanza costituenti una mole di quella sostanza (per definizione di mole, la costante di Avogadro è la stessa per qualsiasi sostanza):
dove:
m [g/Npe] è la massa molecolare espressa in grammi su numero di particelle elementari;
m [u] è la massa molecolare espressa in unità di massa atomica;
Le masse delle molecole ricadono in un intervallo di valori molto ampio: si va dalla più leggera H2 (2,0158 g/mol) a centinaia di migliaia di u per lemacromolecole, quali per esempio ipolimeri sintetici o leproteine e gliacidi nucleici.
Per dare un'idea della massa di una molecola piccola, qual è per esempio quella dell'acqua, si tenga conto che 1 u = 1/NA=1,66054×10−27kg, quindi in un grammo d'acqua ci sono circa NA/18,0=3,34×1022molecole.
Per icomposti chimici non molecolari e in particolare per icomposti ionici e glizwitterioni, non si può propriamente parlare di massa molecolare; si parla invece dimassa formula riferendosi alla somma delle masse atomiche degli atomi che costituiscono laformula minima. Per esempio la formula minima delsolfato di sodio è Na2SO4 quindi la sua massa formula è:
A seconda dello scopo per il quale si calcolano o misurano masse molecolari, si possono ottenere diversi valori, in base a come si considerano gliisotopi, atomi dello stesso elemento che hanno masse diverse. Tre modi differenti di calcolare masse molecolari sono:
Una miscela è in genere costituita da molecole di masse differenti. Un esempio in tal senso sono lematerie plastiche, le quali sono costituite da diverse macromolecole con ciascuna la sua massa molecolare. In realtà anche ogni singoloelemento chimico è una miscela di diversiisotopi, ciascuno con la sua massa atomica. Esiste cioè unadistribuzione per la massa molecolare (o atomica).
In generale instatistica i parametri che caratterizzano una distribuzione ignota sono i suoimomenti, quindi in primo luogo lamedia. Nel caso delle masse molecolari sono possibili diverse medie a seconda dei pesi statistici impiegati:[1]
Il rapporto tra la massa molecolare media ponderale e quella media numerica è detto "indice di polidispersione" ed è una misura delladispersione delle masse molecolari.
Massa molecolare (o atomica) media numerica e massa molare sono in effetti la stessagrandezza fisica (rapportomassa/quantità di sostanza di una sostanza), ma i loro valori differiscono a meno dellacostante di massa molare. Nella massa molecolare l'unità di quantità di sostanza è una molecola (cioè è adimensionale), mentre nella massa molare si riferisce a una mole.
Per esempio l'idrogeno, che ha massa atomica media di 1,00794 g/mol, ovvero di 1,00794/(6.022x 10^23) g = 1.6737 x 10^-24 g. Non esiste però un atomo di idrogeno che abbia questa massa, ma un atomo di idrogeno in una miscela di idrogeno naturale può avere solo due valori di massa monoisotopica: circa 1 g/mol (nel 99,985% dei casi, ed è diprozio), e circa 2 g/mol (solo nello 0,015% dei casi, ed è dideuterio). Siccome la molecola di idrogeno è H2, la sua massa molecolare media è il doppio della massa atomica media dell'idrogeno. Ma di nuovo non c'è neanche una molecola in un gas di idrogeno che abbia quella massa: l'idrogeno naturale è costituito solo da molecole prozio-prozio da circa 2 g/mol, prozio-deuterio da circa 3 g/mol e deuterio-deuterio da circa 4 g/mol. In altri termini bisogna distinguere i concetti dimedia emediana: lafrequenza statistica di queste masse medie in una miscela è generalmente zero perché le masse atomiche hanno valori discreti (sono quantizzate).
A voler esser rigorosi, la massa molecolare non è esattamente uguale alla somma delle masse atomiche degli atomi presenti nella molecola. L'applicazione dellateoria della relatività porterebbe a una piccola correzione pari a, dove Δ E è l'energia di legame della molecola e è lavelocità della luce. Tuttavia tale correzione è di entità trascurabile. Per esempio, l'energia di legame di una singola molecola d'acqua è circa1,539×10−18J, quindi la correzione sarebbe dell'ordine di 10−5u, cioè pari ad appena 0.6 ppm.
