Mooli (yksikön tunnusmol[1]) onainemääränmittayksikkö. Yksi mooli ainetta sisältää 6,022 140 76·1023 perusosasta, jotka voivat ollaatomeja,molekyylejä,ioneja,elektroneja tai muuta tarkasteltavana olevaa hiukkasta tai hiukkasryhmää.[2] Mooli on yksiSI-järjestelmän perusyksiköistä. Nykyinen moolin määritelmä, jossa mooli määritellään kiinnittämälläAvogadron vakion arvoksi tasan 6,022 140 76·1023 1/mol, tuli voimaan vuonna 2019. Aikasemmin mooli määriteltiin ainemääräksi, jossa on yhtä monta perusosasta kuin 12 grammassahiili-12:ssa on atomeja.
Moolia käytetään kemiassa yleisesti ilmaisemaankemiallisen reaktion lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden määriä. Esimerkiksireaktioyhtälön 2 H2 + O2 → 2 H2O voidaan tulkita tarkoittavan, että 2 mol vetymolekyylejä (H2) reagoidessa 1 mol happimolekyylejä (O2) kanssa, syntyy reaktiotuotteena 2 mol vettä (H2O). Liuosten kemiallinen väkevyys elikonsentraatio ilmoitetaan tavallisesti liuonneena ainemääränä tilavuutta kohti. Konsentraation yksikkö on siten mol/l.
Yhden ainemoolin massa grammoina vastaa kyseisen aineenatomi- tai molekyylipainoaatomimassayksikköinä. Esimerkiksihiiliatomin massa on 12 jarauta-atomin noin 56 atomimassayksikköä, ja näin ollen 1 mooli hiiltä on massaltaan 12 grammaa ja 1 mooli rautaa noin 56 grammaa.[3]
Edes laboratorioissa ei mooleja mitata laskemalla aineen hiukkasten lukumääriä, vaan ainemäärää mitataan yksinkertaisesti punnitsemalla aineet vaa'alla. Käytännössä näytteen sisältämä ainemäärä voidaan määrittää punnitsemalla ja vertaamalla näytteen massaam aineen omaanmoolimassaanM
Tutkittavien aineiden moolimassat täytyy siis tietää, jotta punnituista massoista voidaan määrittää ainemäärät.
Aineen yhden hiukkasen (molekyyli, atomi, ioni, jne.) massa ilmoitetaanatomimassayksikköinä (yksikön tunnus u), joka on saatu jakamalla12C-atomin massa luvulla 12 jaAvogadron vakiolla. Yksi12C-atomi painaa siten 12 u eli senatomimassa on 12 u. Raudan (tunnus Fe) atomimassa on 55,845 u, joten mooli rautaa painaa
[4]
Atomimassan ja moolimassan skalaarit vastaavat siten toisiaan[5]
Käyttämälläalkuaineiden atomimassataulukoita voidaan laskea yhdisteiden molekyylimassojen likiarvoja. Niiden sekä punnittujen massojen avulla voidaan määrittää yhdistenäytteiden ainemääriä.
Mooli, tunnus mol, onainemäärän SI-yksikkö. Nykyisen määritelmän mukaan yksi mooli sisältää täsmälleen 6,022 140 76·1023 perusosasta. Tämä luku onAvogadron vakionNA kiinteä lukuarvo, kun yksikkönä on mol-1, ja sitä sanotaan Avogadron luvuksi.[6]
Systeemin ainemäärä, tunnusn, on määrätynlaisten perusosasten lukumäärän mitta. Perusosanen voi olla atomi, molekyyli, ioni, elektroni, muu hiukkanen tai määritelty hiukkasten ryhmä.[6]
Moolin nykyisen määritelmän vahvisti 26.yleinen paino- ja mittakonferenssi vuonna 2018, ja se tuli voimaan 20. toukokuuta 2019.[6]
Moolia vastaavasta yksiköstä käytettiin aikaisemmin nimitystägrammamolekyyli.[7] Se määriteltiin ainemääräksi, jonka massa on yhtä monta grammaa kuin on kyseisen aineenmolekyylipaino.
Yksikön lyhemmän nimenMol, josta myös suomenkielinen muotomooli on peräisin, otti käyttöön ensimmäisenä saksan kielessäWilhelm Ostwald, joka vuonna 1894 muodosti sen lyhentymänä sanastaMolekül (molekyyli).[8] Englannin kielessä se tuli käyttöön vuonna 1897 muodossamole.[9]
Koska atomien massat ovat erittäin pieniä, ne olivat kauan vain hyvin epätarkasti tunnettuja. Paljon tarkemmin tunnettiin eri alkuaineiden atomien massojen suhteet, sillä ne voitiin määrittää toisaalta kemiallisissa reaktioissa ilmenevienyhtymispainojen, toisaalta eri aineidenominaislämpöjen ja niihin liittyvänDulongin ja Petit'n lain sekä kaasujen osaltaAvogadron lain avulla. Tämän vuoksi otettiin käyttöön atomien ja molekyylien suhteellisen massan yksikkö, joka alun perin määriteltiin kevyimmän atomin,vetyatomin massaksi. Muiden atomien massat atomimassayksikköinä pystyttiin määrittämään varsin tarkoin, mutta atomimassayksikön suuruus gramman murto-osina tunnettiin vain likipitäen. 1900-luvun alussa siirryttiin uuteen järjestelmään, jossa atomimassayksikkö määriteltiin 1/16 -osaksihappiatomin massasta. Täten vetyatomin massaksi tuli 1,008 yksikköä.[10]
Myöhemmin ilmeni, että samankin alkuaineen atomit saattavat olla eri massaisia, sillä alkuaineella voi olla useitaisotooppeja. Idea käyttää vertailunäytettä antoi sysäyksen tarkempaan ja yleisesti hyväksyttyyn määritelmään. Tämä voitiin kuitenkin tehdä eri tavoilla. Sekä fyysikot että kemistit valitsivat edelleen vertailunäytteeksi hapen, mutta tekivät sen eri tavoin. Kemistit käyttivät vertailunäytteessään 16 g luonnonhappea, joka on seos kolmesta erimassaisesta isotoopista:16O,17O ja18O. Fyysikot kykenivät erottelemaan isotoopit toisistaan massaspektrometrillään, ja ottivat vertailunäytteeksi 16 g isotooppia16O. Näistä syntyi kaksi atomimassataulukkoa, joiden arvot erosivat hieman toisistaan. Vasta vuoden 1959 lopullaInternational Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) jaInternational Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) pääsivät yhteisymmärrykseen yhteisen määritelmän käyttöönotosta. Siinä päädyttiin käyttämään hiilen isotooppia12C.[11]
Tämän sopimuksen mukaisen moolin määritelmän hyväksyi myös neljästoistayleinen paino- ja mittakonferenssi (Conference International des Poids et Mesures, CIPM) vuonna 1971. Samalla mooli päätettiin myös yhdistää SI-järjestelmään sen seitsemänneksi perusyksiköksi.[12] Määritelmä sisälsi tuolloin lauseen "moolissa ainetta on yhtä monta yksikköä kuin 12 grammassa hiili-isotooppi-12:ssa on atomeja".
Mooli määriteltiin vuonna 1971 epäsuoralla tavalla, koska silloisilla menetelmillä ei pystytty laskemaan moolissa olevien hiukkasten lukumäärää. Moolissa olevien12C-atomien lukumääräNA voidaan kuitenkin arvioida, jos tunnetaan yhden12C-atomin massam1
jolloin moolissa olevien hiukkasten lukumäärälle saadaan likiarvoNA = (6,02214129 ± 0,00000027)×1023 kappaletta[13]. Tätä lukumäärää kutsutaanAvogadron vakioksi.[14][15][16][3]
Pian kuitenkin huomattiin, että hiilen olomuodolla ja kidemuodolla oli mitattava vaikutus atomien lukumäärään, sillä samanmassaisessa timantissa ja grafiitissa oli enemmän atomeja kuin vastaavassa kaasumaisessa hiilessä. Vuonna 1980 määritelmään tehtiin lisäys, että "atomit ovat sidoksettomia ja energeettisesti perustilassaan".[17][7][18]
Vuonna 2005 CIPM esitti uudeksi lähestymistavaksi sopia Avogadron vakio tarkaksi luvuksi, jonka avulla moolimassat määriteltäisiin. Näin poistettaisiin kaikki viittaukset hiiliatomeihin ja päästäisiin eroon siitä työstä, jossa Avogadron vakio määriteltäisiin aina vain tarkemmaksi mittaustarkkuuden kasvaessa. Vuonna 2011 kokoontunut 24. CGPM ilmoitti ottavansa tämän tulevan ehdotuksensa pohjaksi. Vuonna 2014 pidetty 25. CGPM päätti jatkaa selvitystyötä,[17][7][18][19][20], mutta vasta 26. yleinen paino- ja mittakonferenssi vuonna 2018 vahvisti uuden määritelmän.
Vaikka mooli määriteltiin kokonaan aikaisemmasta poikkeavalla tavalla, on uuden määritelmän mukainen mooli hyvin suurella tarkkuudella yhtä suuri kuin aikaisemmankin määritelmän mukainen oli.
Etenkin kemian sovelluksia varten on otettu käyttöön erilaisia moolista johdettuja johdannaisyksiköitä. Niiden tarkoituksena on helpottaa työskentelyä teknisen kemian tehtävissä.[1]
Konsentraatio (tunnus c) on liuenneen aineen osuus liuoksen tilavuuteen. Yksikkönä on 1 mol/L = 1 mol/dm3 = 1 M.[21] Ominaisuutta kutsutaan liuoksenmolaarisuudeksi. SI-yksikkönä pitäisi käyttää 1 mol/m3.[22]
Molaalisuus (tunnus m) on liuenneen aineen osuus liuottimen massaan. Yksikkönä on 1 mol/kg.
Mooliosuus (tunnus xi, kaasuilla yi) on seoksessa olevan komponentini ainemäärän suhde koko seoksen ainemäärään. Yksikkönä on 1 mol/mol eli mooliosuus on paljas suhdeluku.[23]
Moolimassa (tunnus M) on 1 moolin ainemäärän massa grammoina. Yksikkönä käytetään 1 g/mol.
Moolitilavuus (tunnus Vm) on 1 mol ainemäärän viemä tilavuus. Yksikkönä käytetään 1 m3/mol.
Katalyyttinen aktiivisuus onkatalyyttimäärä, joka riittää katalysoimaan reaktiota moolin verran sekunnissa optimaalisissa reaktio-olosuhteissa. Tässä käytetään yksikköäkatal (kat): 1 kat = 1 mol/s , jota suositellaan käytettäväksi entsyymien ja kliinisen kemian sovelluksissa.[24]
Energiasisällön yksikkönä käytetään 1 J/mol (joulea moolissa).[25]
Valokemiassa, esimerkiksifotosynteesitutkimuksessa on ollut käytössä yksikkö 1 einstein = 1 mooli fotoneita (6,022×1023 kpl).[24] Yksikköä mikromooli/m2/s käytetään kasvinkasvatuksessa kuvaamaan kasvin saamaa valoa, fotonivuota.[26]
Ainemääriä käytetään, kun lasketaan kemiallisissaprosesseissa reagoivien aineiden määriä. Esimerkiksivety palaa seuraavasti:
Kun 4 grammaa vetyä ja 32 grammaahappea reagoivat, syntyy 36 grammaa vettä. Määrät vastaavat kahta moolia vetyä, yhtä moolia happea ja kahta moolia vettä.
Ainemäärän voi laskea, kun tiedetään aineen massa ja sen perusosasten massa eli moolimassa. Alkuaineiden moolimassat saadaan suoraan atomimassataulukosta.
Vetyatomin moolimassa on noin 1 g/mol (u), joten yksi mooli vetykaasua (H2) painaa noin 2 grammaa. Hapen atomimassa on noin 16 g/mol, joten yhden happikaasumoolin (O2) massa on 32 grammaa. Veden (H2O) moolimassa on noin 18 g/mol (tarkemmin 18,015268 g/mol).
Yksi mooli inaktiivista kaasua, jonka lämpötila on 273,16 K (0,01 °C) ja paine on 101 325pascalia (normaali ilmanpaine), vie 22,414 dm3 tilaa.[7] Fysiikan kaasulaskuissa voidaan ainemääriä käsitellä mittaamalla pelkästään kaasujen tilavuuksia.
Paljon käytetty moolin kerrannainen on tuhannesosa, joka kirjoitetaan 1 millimooli = 1 mmol.[27]
- Lehtiniemi, Kalle & Turpeenoja, Tuija: Mooli – Ihmisen ja elinympäristön kemia. (Lukion kemian oppikirja) Helsinki: Otava, 2012. ISBN 978-951-1-23705-1
- Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI) (pdf) (nro 330) NIST Special Publication. 2008. Washington D.C.: National Institue Of Standards And Technology. Viitattu 15.2.2013. (englanniksi)
- ↑abSuomen Standardoimisliitto: SI-opas (myös painettuna, ISBN 952-5420-93-0) (PDF) (Sivu 3.) SFS-oppaat. 04.11.2002. Suomen Standardoimisliitto. Viitattu 18.2.2013.
- ↑Unit of amount of substance (mole) Kansainvälinen mittojen ja painojen toimisto BIPM. Viitattu 22.2.2013. (englanniksi)
- ↑abLehtiniemi & Turpeenoja: Mooli – Ihmisen ja elinympäristön kemia, s. 60
- ↑NIST:atomimassayksikkö, viitattu 22.2.2013
- ↑Lehtiniemi & Turpeenoja: Mooli – Ihmisen ja elinympäristön kemia, s. 61–64
- ↑abcOn the revision of the international system of units, Resolution 1 ((Yksiköiden määritelmät kohdassa Appendix 3: The base units of the SI)) Bureau international des poids et mesures. Viitattu 20.5.2019.
- ↑abcdSizes:Mooli
- ↑Wilhelm Ostwald: Hand- und Hilfsbuch zur Ausführung Physiko-Chemischer Messungen, s. 119. Wilhelm Engelmann, 1893. Teoksen verkkoversio.
- ↑Georg Helm: The Principles of Mathematical Chemistry: The Energetics of Chemical Phenomena, s. 6. (englanniksi kääntäneet J. Livingston, R. Morgan) New York: Wiley, 1897.
- ↑”Atomiteoria”, Tietosanakirja, 1. osa (A-), s. 690. Tietosanakirja Oy, 1908. Teoksen verkkoversio.
- ↑NIST:Moolin historiaa, viitattu 22.2.2013
- ↑BIPM – Resolution 3 of the 14th CGPM Bureau international des poids et mesures. Viitattu 20.5.2019.
- ↑NIST:Avogadron vakio, viitattu 22.2.2013
- ↑CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006 2006. National Institute of Standards and Technology. Viitattu 19.10.2010. (englanniksi)
- ↑SI-opas suomeksi
- ↑Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 21
- ↑abSizes:CGPM
- ↑abInternational Bureau of Weights and Measures:SI-mooli
- ↑Resolutions of the CGPM: 24th meeting (17–21 October 2011) CGPM. Viitattu 18.7.2016.
- ↑Resolutions of the CGPM: 25th meeting (18–20 November 2014) CGPM. Viitattu 18.7.2016.
- ↑Lehtiniemi & Turpeenoja: Mooli – Ihmisen ja elinympäristön kemia, s. 65
- ↑Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 24
- ↑Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 44
- ↑abIUPAC:Gold Book – Mooliin liittyviä yksiköitä
- ↑Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 26
- ↑Environmental Growth Chambers www.egc.com. Viitattu 27.2.2019.
- ↑Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 29
