Het begrip mol in de scheikunde

Om een hoeveelheid van een zuivere stof aan te geven, wordt er binnen de scheikunde meestal het begrip mol gebruikt. Eén mol van een bepaalde stof komt overeen met 6.023x10^23 deeltjes van die stof. Dit getal werd uiteraard niet lukraak gekozen. Het werd zo gekozen dat voor elke stof de getalwaarde van de relatieve massa ongeveer overeenkomt met de getalwaarde van de molaire massa.

De absolute massa van een atoom (m_a) en een molecule (m_m)

De absolute massa van een atoom is de echte massa van dat atoom. En daar een molecule is samengesteld uit atomen, is de absolute massa van een molecule gelijk aan de som van de absolute massa’s van de samenstellende atomen. Het is de massa die zou worden bepaald indien het atoom of het molecule zou kunnen worden afgewogen. Gewoon een atoom of een molecule op een weegschaal leggen, zal niet lukken daar de massa's van beiden zeer klein zijn. Een atoom is samengesteld uit protonen, neutronen en elektronen, elk met een erg lage massa:

Dus zelfs voor grote atomen en ook voor grote moleculen, welke dus veel elektronen, neutronen en protonen bevatten, zal de massa nog steeds heel erg klein zijn en dus niet te bepalen op een weegschaal.

De relatieve massa van een atoom (A_r) en een molecule (M_r)

Door de zeer lage absolute massa's zal men eerder gebruik maken van relatieve massa's. Om de relatieve massa van een atoom te kennen, wordt de absolute massa van dat atoom vergeleken met een referentiemassa. Als referentiemassa werd 1/12 van de absolute massa van een koolstof-12-atoom (₁₂C) gekozen. Een ₁₂C-atoom is samengesteld uit 6 neutronen, 6 protonen en 6 elektronen. De absolute massa van dit koolstofatoom kan dus als volgt worden berekend.

• m_a(₁₂C)= 6 x m_proton + 6 x m_neutron + 6 x m_elektron
• m_a(₁₂C)= 6 x 1.673x10^^-24g + 6 x 1.675x10^^-24g + 6 x 9.11x10^^-28g = 2.0088x10^^-23g

De absolute massa van 1/12 van een ₁₂C-atoom is dus ongeveer 1.67x10^^-24g, wat logischerwijze ongeveer overeenkomt met de massa van een proton en een neutron. Deze massa werd dus als referentiemassa aangenomen en werd de atoommassa-eenheid (u) genoemd.

• De relatieve massa van een atoom geeft aan hoeveel keer de absolute massa van het atoom in deze referentiemassa kan: A_r = m_a/u
• De relatieve massa van een molecule (M_r) is de som van de relatieve massa’s van de samenstellende atomen.

Het begrip mol

Stel bijvoorbeeld de reactie tussen natrium (Na) en chloorgas (Cl₂) waarbij keukenzout (NaCl) wordt gevormd.

Reactievergelijking: 2Na + Cl₂ → 2NaCl

Volgens de reactievergelijking zullen er 2 atomen natrium reageren met 1 molecule Cl₂ ter vorming van 2 moleculen NaCl. Bij het experimenteel uitvoeren van deze reactie, kunnen er uiteraard nooit 2 atomen natrium en 1 molecule Cl₂ worden samengevoegd. In werkelijkheid gaan er een groot aantal natriumatomen (bijvoorbeeld een brokje natriummetaal) worden samengevoegd met een groot aantal moleculen Cl₂ (een af te meten volume).
Omdat er tijdens een chemische reactie steeds een zeer groot aantal deeltjes zal reageren, heeft men ooit het begrip mol ingevoerd.

Een mol van een stof bevat evenveel atomen of moleculen als er koolstofatomen zijn in 12 g ¹²C.

• De relatieve massa van ¹²C  is zoals boven uitgelegd ongeveer gelijk aan 12
• De absolute massa van ¹²C is dus 12 x 1.66x10^^-24 = 1.992x10^^-23g

De absolute massa van een ¹²C-atoom kan dus 6.023x10^²³ keer (12g/1.992x10^^-23g) in 12g.
Het aantal atomen in 12g ¹²C is dus gelijk aan 6.023x10^²³. Dit aantal (getal) wordt het getal van Avogadro genoemd (N_A).

• 1 mol van een atoom bevat dus steeds 6.023x10^²³ atomen
• 1 mol van een molecule bevat dus steeds 6.023x10^²³ moleculen
• 1 mol peren bevat dus steeds 6.023x10^²³ peren (maar voor peren gebruikt men geen mol)

Voorbeeld

Neem terug bovenstaande chemische reactie: 2Na + Cl₂ → 2NaCl

Deze reactie kan dus worden gelezen als: 2 atomen natrium reageren met 1 molecule Cl₂ ter vorming van 2 moleculen NaCl.

Maar ze kan nu ook gelezen worden als:

• 2 x 6.023x10^²³ atomen natrium reageren met 1 x 6.023x10^²³ moleculen Cl₂ ter vorming van 2 x 6.023x10^²³ moleculen NaCl
• of: 2 mol Na reageert met 1 mol Cl₂ ter vorming van 2 mol NaCl

Het begrip molaire massa

De molaire massa van een stof is de massa van een mol van die stofdeeltjes. Om de absolute massa van een mol van een bepaald soort atomen te kennen, dient de absolute massa van dat atoom (m_a) dus vermenigvuldigd te worden met 6.023x10^²³.
Met m_a = A_r x 1.66x10^^-23 g, kan de absolute massa van een atoom dus ook als volgt worden berekend.

• m_a = A_r x 1.66x10^^-23 g x 6.023x10^²³ atomen/mol
• m_a = A_r x 1g/mol

De getalwaarde van de relatieve massa is dus gelijk aan de getalwaarde van de molaire massa: M = A_r g/mol
Hetzelfde geldt dan ook voor 1 mol moleculen: M = M_r g/mol

Rekenen met mol

Van massa naar mol

Om te weten hoeveel mol een bepaalde massa van een stof is, dient die massa vergeleken te worden met de molaire massa van die stof.

n = m/M

Voorbeelden

• Hoeveel mol Al bevat 30.0g Al?
  M(Al) = 26.98 g/mol
  n = 30.0 g/26.98 g/mol = 1.11 mol

• Hoeveel mol HNO₃ bevat 100.0g HNO₃?
  M(HNO₃) = M(H) + M(N) + 3 x M(O) = 1.01 g/mol + 14.01 g/mol + 3 x 15.99 g/mol = 62.99 g/mol
  n = 100.0 g/62.99 g/mol = 1.588 mol

Van mol naar massa

Om te weten wat de massa van een bepaalde hoeveelheid mol van een stof is, dient de molaire massa van die stof vermenigvuldigd te worden met de hoeveelheid mol.

m = n x M

Voorbeelden

• Wat is de massa van 1.50 mol Mg?
  M(Mg) = 24.30 g/mol
  m = 1.50 mol x 24.30 g/mol = 36.50 g
  
  
• Wat is de massa van 0.09 mol Na₂SO₄?
  M(Na₂SO₄) = 2 x M(Na) + M(S) + 4 x M(O) = 2 x 22.99 g/mol + 32.06 g/mol + 4 x 15.99 g/mol = 142.00 g/mol
  m = 0.09 mol x 142.00 g/mol = 12.80 g
  
  
• 2Na + Cl₂ → 2NaCl
  M(Na) = 22.99 g/mol
  M(Cl₂) = 2 x M(Cl) = 2 x 35.45 g/mol = 70.90 g/mol
  2mol Na heeft een massa van 2 x 22.99 g = 45.98 g
  1 mol Cl₂ heeft een massa van 70.90 g
  2 mol NaCl = 2 x(22.99 g + 35.45 g) = 116.88 g
  45.98 g Na reageert dus met 70.90 g Cl₂ ter vorming van 116.88 g NaCl