Avaa päävalikko

Mooli

SI-järjestelmän mukainen ainemäärän yksikkö

Mooli (yksikön tunnus mol [1]) on SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö perussuureelle ainemäärä (tunnus n). Yksi mooli ainetta sisältää 6,022 140 76·1023 perusosasta. Tätä lukua sanotaan Avogadron luvuksi. Nämä perusosaset voivat olla atomeja, molekyylejä, ioneja, elektroneja tai muuta kulloinkin tarkasteltavaa aineen perusosasta tai hiukkasryhmää.[2] Esimerkiksi 1 mol hiilijauhetta on massaltaan 12 g ja 1 mol rautaa massaltaan noin 56 g.[1][3]

Käytännössä yksi mooli ainetta on yhtä monta grammaa kuin on kyseisen aineen atomi- tai molekyylipaino atomimassayksikköinä. Yhtä moolia vastaava massa riippuu siis siitä, mikä aine on kyseessä, sillä eri alkuaineiden atomit ovat eri massaisia. Esimerkiksi hiiliatomin massa on 12 ja rauta-atomin noin 56 atomimassayksikköä, ja näin ollen 1 mooli hiiltä on massaltaan 12 grammaa ja 1 mooli rautaa noin 56 grammaa.

Atomimassayksikkö on määritelmän mukaan 1/12 hiili-12-atomin massasta. Aikaisemmin myös mooli määriteltiin vastaavasti ainemääräksi, jossa on yhtä monta perusosasta kuin 12 grammassa hiili-isotooppia 12C on atomeja.

Moolia käytetään varsinkin kemiassa, mutta myös eräillä fysiikan aloilla, erityisesti lämpöopissa, sekä lisäksi joissakin lääketieteellisissä sovelluksissa kuten veren kolesterolipitoisuuden mittauksissa.

Mooli, moolimassa ja atomimassaMuokkaa

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 massaa m aineen omaan moolimassaan M

 

Tutkittavien aineiden moolimassat täytyy siis tietää, jotta punnituista massoista voidaan määrittää ainemäärät.

Aineen yhden hiukkasen (molekyyli, atomi, ioni, jne.) massa ilmoitetaan atomimassayksikköinä (yksikön tunnus u), joka on saatu jakamalla 12C-atomin massa luvulla 12 ja Avogadron vakiolla. Yksi 12C-atomi painaa siten 12 u eli sen atomimassa on 12 u. Raudan (tunnus Fe) atomimassa on 55,845 u, joten mooli rautaa painaa

 [4]

Atomimassan ja moolimassan skalaarit vastaavat siten toisiaan[5]

 

Käyttämällä alkuaineiden atomimassataulukoita voidaan laskea yhdisteiden molekyylimassojen likiarvoja. Niiden sekä punnittujen massojen avulla voidaan määrittää yhdistenäytteiden ainemääriä.

Yksikön määritelmäMuokkaa

Mooli, tunnus mol, on ainemäärän SI-yksikkö. Nykyisen määritelmän mukaan yksi mooli sisältää täsmälleen 6,022 140 76·1023 perusosasta. Tämä luku on Avogadron vakion NA kiinteä lukuarvo, kun yksikkönä on mol-1, ja sitä sanotaan Avogadron luvuksi.[6]

Systeemin ainemäärä, tunnus n, 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]

Yksikön historiaaMuokkaa

Moolia vastaavasta yksiköstä käytettiin aikaisemmin nimitystä grammamolekyyli.[7] Se määriteltiin ainemääräksi, jonka massa on yhtä monta grammaa kuin on kyseisen aineen molekyylipaino.

Yksikön lyhemmän nimen Mol, josta myös suomenkielinen muoto mooli on peräisin, otti käyttöön ensimmäisenä saksan kielessä Wilhelm Ostwald, joka vuonna 1894 muodosti sen lyhentymänä sanasta Molekül (molekyyli).[8] Englannin kielessä se tuli käyttöön vuonna 1897 muodossa mole.[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 ilmenevien yhtymispainojen, toisaalta eri aineiden ominaislämpöjen ja niihin liittyvän Dulongin ja Petit'n lain sekä kaasujen osalta Avogadron 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 -osaksi happiatomin massasta. Täten vetyatomin massaksi tuli 1,008 yksikköä.[10]

Myöhemmin ilmeni, että samankin alkuaineen atomit saattavat olla eri massaisia, sillä alkuaineella voi olla useita isotooppeja. 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 ja 18O. Fyysikot kykenivät erottelemaan isotoopit toisistaan massaspektrometrillään, ja ottivat vertailunäytteeksi 16 g isotooppia 16O. Näistä syntyi kaksi atomimassataulukkoa, joiden arvot erosivat hieman toisistaan. Vasta vuoden 1959 lopulla International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) ja International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) pääsivät yhteisymmärrykseen yhteisen määritelmän käyttöönotosta. Siinä päädyttiin käyttämään hiilen isotooppia 12C.[11]

Tämän sopimuksen mukaisen moolin määritelmän hyväksyi myös neljästoista yleinen 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 olevien 12C-atomien lukumäärä NA voidaan kuitenkin arvioida, jos tunnetaan yhden 12C-atomin massa m1

 

jolloin moolissa olevien hiukkasten lukumäärälle saadaan likiarvo NA = (6,02214129 ± 0,00000027)×1023 kappaletta[13]. Tätä lukumäärää kutsutaan Avogadron 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.

JohdannaisyksiköitäMuokkaa

Etenkin kemian sovelluksia varten on otettu käyttöön erilaisia moolista johdettuja johdannaisyksiköitä. Niiden tarkoituksena on helpottaa työskentelyä teknisen kemian tehtävissä.[1]

LiuoksetMuokkaa

Konsentraatio (tunnus c) on liuenneen aineen osuus liuoksen tilavuuteen. Yksikkönä on 1 mol/L = 1 mol/dm3 = 1 M.[21] Ominaisuutta kutsutaan liuoksen molaarisuudeksi. 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 komponentin i ainemäärän suhde koko seoksen ainemäärään. Yksikkönä on 1 mol/mol eli mooliosuus on paljas suhdeluku.[23]

MuutMuokkaa

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 on katalyyttimäärä, joka riittää katalysoimaan reaktiota moolin verran sekunnissa optimaalisissa reaktio-olosuhteissa. Tässä käytetään yksikköä katal (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, esimerkiksi fotosynteesitutkimuksessa 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]

LaskuesimerkkiMuokkaa

Kemiallisen reaktion laskuesimerkkiMuokkaa

Ainemääriä käytetään, kun lasketaan kemiallisissa prosesseissa reagoivien aineiden määriä. Esimerkiksi vety palaa seuraavasti:

 

Kun 4 grammaa vetyä ja 32 grammaa happea 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).

Kaasujen tapauksessaMuokkaa

Yksi mooli inaktiivista kaasua, jonka lämpötila on 273,16 K (0,01 °C) ja paine on 101 325 pascalia (normaali ilmanpaine), vie 22,414 dm3 tilaa.[7] Fysiikan kaasulaskuissa voidaan ainemääriä käsitellä mittaamalla pelkästään kaasujen tilavuuksia.

SI-kertoimetMuokkaa

Paljon käytetty moolin kerrannainen on tuhannesosa, joka kirjoitetaan 1 millimooli = 1 mmol.[27] Muut SI-kerrannaiset ovat

Kerroin Nimi Tunnus Kerroin Nimi Tunnus
100 mooli mol      
101 dekamooli damol 10−1 desimooli dmol
102 hehtomooli hmol 10−2 senttimooli cmol
103 kilomooli kmol 10−3 millimooli mmol
106 megamooli Mmol 10−6 mikromooli µmol
109 gigamooli Gmol 10−9 nanomooli nmol
1012 teramooli Tmol 10−12 pikomooli pmol
1015 petamooli Pmol 10−15 femtomooli fmol
1018 eksamooli Emol 10−18 attomooli amol
1021 tsettamooli Zmol 10−21 tseptomooli zmol
1024 jottamooli Ymol 10−24 joktomooli ymol


LähteetMuokkaa

  • 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)

ViitteetMuokkaa

  1. a b c Suomen Standardoimisliitto: SI-opas (myös painettuna, ISBN 952-5420-93-0) (PDF) (Sivu 3.) SFS-oppaat. 04.11.2002. Suomen Standardoimisliitto. Viitattu 18.2.2013.
  2. Unit of amount of substance (mole) Kansainvälinen mittojen ja painojen toimisto BIPM. Viitattu 22.2.2013. en
  3. a b Lehtiniemi & Turpeenoja: Mooli – Ihmisen ja elinympäristön kemia, s. 60
  4. NIST: atomimassayksikkö, viitattu 22.2.2013
  5. Lehtiniemi & Turpeenoja: Mooli – Ihmisen ja elinympäristön kemia, s. 61–64
  6. a b c On 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.
  7. a b c d Sizes: Mooli
  8. Wilhelm Ostwald: Hand- und Hilfsbuch zur Ausführung Physiko-Chemischer Messungen, s. 119. Wilhelm Engelmann, 1893. Teoksen verkkoversio.
  9. Georg Helm: The Principles of Mathematical Chemistry: The Energetics of Chemical Phenomena, s. 6. englanniksi kääntäneet J. Livingston, R. Morgan. New York: Wiley, 1897.
  10. ”Atomiteoria”, Tietosanakirja, 1. osa (A-), s. 690. Tietosanakirja Oy, 1908. Teoksen verkkoversio.
  11. NIST: Moolin historiaa, viitattu 22.2.2013
  12. BIPM – Resolution 3 of the 14th CGPM Bureau international des poids et mesures. Viitattu 20.5.2019.
  13. NIST: Avogadron vakio, viitattu 22.2.2013
  14. CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006 2006. National Institute of Standards and Technology. Viitattu 19.10.2010. (englanniksi)
  15. SI-opas suomeksi
  16. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 21
  17. a b Sizes: CGPM
  18. a b International Bureau of Weights and Measures: SI-mooli
  19. Resolutions of the CGPM: 24th meeting (17–21 October 2011) CGPM. Viitattu 18.7.2016.
  20. Resolutions of the CGPM: 25th meeting (18–20 November 2014) CGPM. Viitattu 18.7.2016.
  21. Lehtiniemi & Turpeenoja: Mooli – Ihmisen ja elinympäristön kemia, s. 65
  22. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 24
  23. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 44
  24. a b IUPAC: Gold Book – Mooliin liittyviä yksiköitä
  25. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 26
  26. Environmental Growth Chambers www.egc.com. Viitattu 27.2.2019.
  27. Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 29