Kemi A/Storheter

Kemi A - Storheter

Atomerna utgör den fundamentala byggstenen i all materia. För att förstå kemiska reaktioner är det väsentligt att hålla reda på hur de reagerande ämnena är sammansatta, både före och efter reaktionen. Emellertid är ju atomerna både fantastiskt många och mycket, mycket små. Kemister föredrar i praktiken att räkna i storheterna volym och massa. De använder därför storheter som är speciella för kemin och som ställer volym och massa i relation till antalet atomer. Det här avsnittet handlar om de viktigaste kemiska storheterna.

Atommassa

Atomer är som sagt väldigt små men man har faktiskt lyckats väga enskilda atomer. Genom en sorts jonfällor som består av en kombination av magnetiska och elektriska fält har man kunnat ange massan hos enskilda atomer med mycket stor precision. Vanligen mäter vi massa i enheten gram. Men gram är egentligen en mycket godtycklig enhet som inte utgår från någon naturkonstant. Istället baserar sig enheten gram på en kilogramprototyp som finns i Paris. Även om denna prototyp är utformad och förvarad så att den förändras mycket, mycket lite, är ändå denna förändring betydelsefull då man vill veta massan hos en enskild atom. Man använder därför en speciell enhet, 1 u, för atomernas massa. IUPAC, den internationella kemiunionen, har definierat 1 u som en tolftedel av kolisotopen ¹²C:s massa. Kol-12 innehåller 6 protoner och 6 neutroner och 1 u motsvarar ungefär massan hos nukleonerna, partiklarna i atomkärnan.

Eftersom protoner och neutroner inte väger exakt lika, motsvarar inte enheten 1 u den exakta massan hos någon elementarpartikel. För kemisternas del är detta emellertid inget större problem eftersom man mycket sällan sysselsätter sig med enskilda atomer. Oftare får man istället mycket stora mängder atomer att reagera med varandra. Därför är man mer intresserad av medelvärdet för grundämnenas massor, alltså medelvärdet för förekomsten av grundämnets olika isotoper. Kol t.ex. förekommer på jorden som tre isotoper: 98,89% av alla kolatomer uppträder som isotopen ¹²C, 1,11% som ¹³C och mindre än 0,01% som ¹⁴C. Medelvärdet för grundämnet kols massa blir därför 12,0112 u. Det är detta värde på atommassan som står i det periodiska systemet.

Molekylmassa

Molekylernas massa är summan av atommassorna för atomerna i molekylen, mätt i enheten 1 u. Vanligen avrundas atommassorna till tre värdesiffror och summan avrundas ofta till närmaste heltal.

Man skiljer på ett ämnes molekylformel som anger antalet atomer i en molekyl och ämnets empiriska formel som bara anger relationen mellan antalet atomer. När vi studerar kolföreningar ska vi se att båda formlerna är användbara.

Formelmassan

- När man räknar på kemiska reaktioner behöver man ett begrepp som inte tar hänsyn till de reagerande ämnenas kemiska bindning. Man har därför infört enheten formelmassa, också mätt i enheten 1 u, som används lika på jonföreningar, molekylföreningar och rena grundämnen. Formelmassan säger alltså hur mycket en formelenhet av ett ämne väger.

- För molekyler är ämnets formelmassa detsamma som dess molekylmassa.

Substansmängd

Vatten har formelmassan 18,0 u och natriumklorid 58,5 u. Detta är alltså massan hos en formelenhet av dessa två ämnen. Om man tar 18,0 g vatten och 58,5 g natriumklorid innehåller alltså dessa lika många formelenheter. Man kallar denna mängd för ämnets substansmängd.

Mol

Man har infört en speciell enhet för substansmängd, mol. Enligt SI-systemet definieras en mol som substansmängden i en portion av ett ämne som innehåller lika många formelenheter som 12 g ¹²C. 1 mol vatten (18,0 g) innehåller alltså lika många formelenheter som 1 mol kol-tolv (12 g). 1 mol innehåller 6,022 *10²³ formelenheter. Detta tal kallas Avogadros konstant, N_A.

Ordet mol är ursprungligen en förkortning av tyskans Molekulargewicht, "molekylvikt". Ordet molekyl kommer i sin tur från latinets molecula, diminutiv av moles, "massa".

Molmassa

Den vikt av ett ämne som motsvarar 1 mol kallas ämnets molmassa, enhet 1 g/mol.

Med hjälp av relationen

$n={{m} \over {M}}$

n = substansmängd m = massa M = molmassa

kan man beräkna substansmängden hos ett ämne.

Man brukar använda skrivsättet

M(H₂O) = 18 g/mol,

m(H₂O) = 1,0 g (t.ex.),

n(H₂O) = 1/18,0 mol

för att ange värdet hos dessa storheter för ett ämne, i det här fallet vatten.

Av formeln för ett ämne framgår proportionerna mellan ämnets substansmängder.

Sammanfattning

• Atommassenheten, 1 u, definieras som en tolftedel av massan hos en kol-12 atom, ¹²C.
• Atommassan för ett grundämne anges som massan på ett genomsnitt för grundämnets naturliga isotopblandning uttryckt i enheten 1 u.
• Molekylmassan är summan av atommassorna för atomerna som molekylen består av uttrycket i enheten 1 u.
• En formelenhet består av de atomer och joner som ingår i ämnet.
• Formelmassa är massan av en formelenhet uttryckt i enheten 1 u.
• Ett ämnes substansmängd är den massa av ämnet som innehåller lika många formelenheter som 12 g ¹²C uttryckt i enheten 1 mol.
• Molmassan är det samma som massan per mol. Molmassan anges i enheten 1 g/mol eller 1 g * mol^-1.
• Antalet formelenheter i substansmängden 1 mol kallas Avogadros konstant, N_A, och motsvarar ungefär ${6,022}\cdot {10^{23}}$ formelenheter.
• Sambandet mellan massa (m), substansmängd (n) och molmassa (M) ges av formeln: $m=M\cdot {n}$.
• En molekylformel anger antalet atomer i en molekyl.
• En empirisk formel anger proportionerna mellan antalet atomer i en kemiskförening.