物質の量

物質の量
物質の量
	炭素12グラム当たり約1モルの物質量
一般的な記号	ん
SI単位	モル
寸法

化学では、与えられた物質サンプル中の物質量（記号 $n ）は、$ 基本実体数（ $N$ ）とアボガドロ定数（ $N$ $A$ ）の比（ $n$ $=$ $N$ $/$ $N$ $A$ ）として定義される。実体は通常、特定の種類の分子、原子、イオン、またはイオン対である。サンプルされた特定の物質は、下付き文字を使用して指定される場合がある。たとえば、塩化ナトリウム（NaCl）の量は $n$ $NaCl$ と表される。国際単位系における物質量の単位は、基本単位であるモル（記号：mol）である。^{[1] 2019年以降、アボガドロ定数} $N$ $A$ の値は正確に次のように定義されている。6.022 140 76 × 10 ²³ mol ⁻¹。物質の量は、化学量、または非公式には、特定の物質サンプル内の「モル数」と呼ばれることもあります。

使用法

歴史的に、モルは炭素 12 同位体12 グラムに含まれる物質の量として定義されていました。その結果、化学化合物1 モルの質量 (グラム)は、化合物の分子または化学式単位 1 個の質量 (ダルトン) と数値的に等しく (実際上) 、同位体のモル質量 (グラム/モル) は質量数とほぼ等しくなります (歴史的には、炭素 12 のモル質量が 12 g/モルの場合に正確です)。たとえば、水分子の質量は平均で約 18.015 ダルトンですが、水モル (炭素 12 には炭素 12 が含まれています) の質量は 1.5 です。6.022 x 140 x 76 × 10 ^{23 個}の水分子）の総質量は約 18.015 グラムです。

化学では、倍数比例の法則により、質量（グラム）や体積（リットル）よりも物質の量（つまり、モル数または分子数）を扱う方がはるかに便利な場合が多い。たとえば、「酸素1分子（O
₂）は2分子の水素（H
₂) が 2 分子の水 ( H ₂ O )を生成する」は、「1 モルのO ₂が 2 モルのH ₂と反応して2 モルの水を生成する」とも表現できます。同じ化学事実を質量で表すと、「32 g (1 モル) の酸素が約 4.0304 g (2 モルのH
₂「1 モルの水素から約 36.0304 g (2 モル) の水ができます」 (この数値は試薬の同位体組成によって異なります)。体積に関しては、この数値は試薬と生成物の圧力と温度によって異なります。同じ理由から、溶液中の試薬と生成物の濃度は、グラム/リットルではなくモル/リットルで指定されることが多いです。

物質の量もまた、熱力学では便利な概念です。たとえば、特定の温度で特定の体積の容器内にある特定の量の希ガスの圧力は、ガスの質量ではなく、ガス内の分子の数に直接関係しています（理想気体の法則による）。

「物質の量」という用語のこの専門的意味は、英語の「量」の一般的な意味と混同すべきではありません。後者は、粒子の数ではなく、質量や体積などの他の測定値を指す場合があります^{[2] 。「物質の量」を、}enplethy ^[3] や化学量論的量など、より区別しやすい用語に置き換える提案があります。^[2]

IUPACは、質量を「キログラム数」と呼ぶべきではないのと同様に、「モル数」の代わりに「物質の量」を使用することを推奨している。 ^[4]

粒子の性質

曖昧さを避けるために、物質の量を測定する際には粒子の性質を特定する必要がある。例えば、1モルの酸素分子（O
₂）の質量は約32グラムであるのに対し、酸素原子（O ） 1モルのサンプルの質量は約16グラムである。^[5]^[6]

導出量

モル量（モルあたり）

均質なサンプルの何らかの物理的量をその物質の量で割った商は、その物質の強勢特性であり、通常は接頭辞「モル」または接尾辞「モル当たり」で命名される。^[7]

たとえば、サンプルの質量をその物質の量で割った商がモル質量で、SI単位のキログラム/モルまたはグラム/モルを使用できます。これは、水の場合は約18.015 g/モル、鉄の場合は約55.845 g/モルです。同様に、体積についてはモル体積が得られ、これは室温で液体の水の場合は約18.069ミリリットル/モル、鉄の場合は約7.092 mL/モルです。熱容量からモル熱容量が得られ、これは水の場合は約75.385 J /( K ⋅mol)、鉄の場合は約25.10 J/(K ⋅mol)です。

モル質量

物質のモル質量( ) は、その物質のサンプルの質量 ( ) と物質量 ( )の比です。物質の量は、サンプル内のモル数で示されます。ほとんどの実用的な目的において、モル質量の数値は、ダルトンでの物質の 1 分子または式単位の平均質量の数値と同じです。これは、モルが歴史的に定義され、モル質量定数がちょうど 1 g /mol であったためです。したがって、分子量または式質量がダルトンで与えられている場合、同じ数値をグラムで表すと、物質 1 モルに非常に近い量が得られます。たとえば、水の平均分子量は約 18.015 Da で、水のモル質量は約 18.015 g/mol です。これにより、物質の質量を測定し、それを化合物のモル質量で割ることで、物質のモル量を正確に決定できます。[ ^8]たとえば、100 g の水は約 5.551 mol の水です。物質の量を決定する他の方法としては、モル体積の使用や電荷の測定などがあります。^[8] $M$ $m$ $n$ $M=m/n$ $n=m/M$

物質のモル質量は分子式だけでなく、その中に含まれる各化学元素の同位体の分布にも依存します。例えば、カルシウム40のモル質量は39.962 590 98 (22) g/molであるのに対し、カルシウム42のモル質量は41.958 618 01 (27) g/mol、そして通常の同位体混合物のカルシウムは40.078(4) g/モル。

量（モル）濃度（リットルあたりのモル数）

もう一つの重要な導出量はモル濃度（）（特に臨床化学では物質量濃度、^[9]量濃度、または物質濃度^[10]とも呼ばれる）であり、特定の物質（溶液中の溶質または混合物の成分）のモル量（）を溶液または混合物の体積（）で割ったものとして定義されます。 $c$ $n$ $V$ $c=n/V$

この量の標準的な SI 単位は mol/ m ³ですが、より実用的な単位として、モル/リットル(mol/L、mol/dm ³に相当) などが一般的に使用されています。たとえば、海水中の塩化ナトリウムの濃度は通常約 0.599 mol/L です。

分母は溶液の体積であり、溶媒の体積ではありません。したがって、たとえば、1 リットルの標準ウォッカには、約 0.40 リットルのエタノール(315 g、6.85 モル) と 0.60 リットルの水が含まれています。したがって、エタノールの量濃度は (6.85 モルのエタノール)/(1 リットルのウォッカ) = 6.85 モル/リットルであり、(6.85 モルのエタノール)/(0.60 リットルの水) の 11.4 モル/リットルではありません。

化学では、単位「mol/L」をモルと読み、記号「M」（どちらも数値の後に続く）で表すのが通例です。したがって、たとえば、「0.5 モル」または「0.5 M」の尿素溶液（CH
₄いいえ
₂O ) が水中に 0.5 モル含まれている。拡張すると、濃度は溶液中の対象物質のモル濃度とも呼ばれる。ただし、2007 年 5 月現在、これらの用語と記号は IUPAC では認められていない。^[11]

この量は質量濃度と混同しないでください。質量濃度は、対象物質の質量を溶液の体積で割った値です（海水中の塩化ナトリウムの場合は約 35 g/L）。

量（モル）分率（モルあたりモル）

紛らわしいことに、量（モル）濃度は、混合物（溶液など）中の物質のモル分率（モル分率または量分率とも呼ばれる）とも区別する必要があります。モル分率は、混合物の 1 つのサンプルに含まれる化合物のモル数を、すべての成分の合計モル数で割ったものです。たとえば、20 g のNaCl を100 g の水に溶かした場合、溶液中の 2 つの物質の量は、それぞれ (20 g)/(58.443 g/mol) = 0.34221 mol と (100 g)/(18.015 g/mol) = 5.5509 mol となり、NaClのモル分率は0.34221/(0.34221 + 5.5509) = 0.05807となります。

気体の混合物では、各成分の分圧はそのモル分率に比例します。

歴史

錬金術師、特に初期の冶金学者は、物質量という概念を持っていたと思われるが、一連のレシピを超えてその概念を一般化した記録は現存していない。1758年、ミハイル・ロモノーソフは、質量が物質の量の唯一の尺度であるという考えに疑問を呈したが^{[12] 、それは}重力に関する自身の理論との関連においてのみであった。物質量の概念の発展は、近代化学の誕生と同時に起こり、また近代化学の誕生に不可欠であった。

1777年：ヴェンツェルは『親和力の教訓』を出版し、2つの中性塩の反応では「塩基成分」と「酸成分」（現代の用語では陽イオンと陰イオン）の割合は同じままであることを実証した。^[13]
1789年：ラヴォアジエが『基礎化学』を出版し、化学元素の概念を導入し、化学反応における質量保存の法則を明らかにした。 ^[14]
1792年：リヒターが『化学量論または化学元素の測定技術』第1巻を出版（その後の巻の出版は1802年まで続く）。「化学量論」という用語が初めて使用される。酸塩基反応の当量表が初めて出版される。リヒターはまた、特定の酸について、酸の当量質量は塩基中の酸素質量に比例すると述べている。^[13]
1794年：プルーストの定比例の法則は、当量の概念を酸塩基反応だけでなく、あらゆる種類の化学反応に一般化しました。^[13]
1805年：ドルトンは「気体およびその他の物体の究極の粒子の相対的な重さの表」を含む現代の原子論に関する最初の論文を発表した。 ^[15]
原子の概念によって、その重さに関する疑問が生じました。原子の実在性について懐疑的な人が多かったのですが、化学者たちはすぐに原子量が化学量論的関係を表現するのに非常に役立つツールであることに気付きました。
1808年：ドルトンの『化学哲学の新体系』が出版され、 H = 1に基づく最初の原子量表が掲載された。 ^[16]
1809年：ゲイ＝リュサックの合成体積の法則。気体の化学反応における反応物と生成物の体積の間に整数関係があることを述べた。^[17]
1811年：アボガドロは、等体積の異なる気体（同じ温度と圧力）には同数の粒子が含まれているという仮説を立て、現在ではアボガドロの法則として知られています。^[18]
1813年/1814年：ベルセリウスは、m (O)=100のスケールに基づいた原子量の表の最初のものを出版した。^[13]^[19]^[20]
1815年：プラウトは、すべての原子量は水素の原子量の整数倍であるという仮説を発表しました。 ^{[21]この仮説は、}塩素の原子量が観測されたこと（水素に対して約35.5）により後に放棄されました。
1819年：固体元素の原子量と比熱容量を関連付けるデュロン・プティの法則。^[22]
1819年：ミッチェルリッヒの結晶同形に関する研究により、多くの化学式が明確化され、原子量の計算におけるいくつかの曖昧さが解決されました。^[13]
1834年：クラペイロンが理想気体の法則を提唱。^[23]
理想気体の法則は、質量以外の、システム内の原子または分子の数とシステムの他の物理的特性との間の多くの関係の中で最初に発見された法則です。しかし、これはすべての科学者に原子と分子の存在を納得させるには十分ではなく、多くの人はそれを単に計算に役立つツールであると考えていました。
1834年：ファラデーは電気分解の法則を唱え、特に「電流の化学分解作用は電気量が一定であれば一定である」と述べた。^[24]
1856年：クレーニヒが運動論から理想気体の法則を導出。^[25] クラウジウスは翌年独自の導出を発表。^[26]
1860年：カールスルーエ会議で「物理的分子」、「化学的分子」、原子の関係について議論されたが、合意には至らなかった。^[27]
1865年：ロシュミットが初めて気体分子の大きさと、与えられた体積の気体中の分子の数を推定した。これは現在ロシュミット定数として知られている。^[28]
1886年：ファントホフが希薄溶液と理想気体の挙動の類似性を実証。
1886年：オイゲン・ゴールドシュタインがガス放電中の離散粒子線を観測し、後に原子や分子の質量を確定するために使用される質量分析法の基礎を築きました。
1887年：アルレニウスは溶液中の電解質の解離を記述し、凝集特性の研究における問題の一つを解決した。^[29]
1893年：オストワルドが大学の教科書で物質の量の単位を表すために「モル」という用語を初めて使用した。 ^[30]
1897年：英語で「mole」という用語が初めて記録された。 ^[31]
20 世紀に入ると、原子と分子の概念は一般的に受け入れられるようになりましたが、原子の大きさや特定のサンプル内の原子の数など、多くの疑問が残っていました。1886年に始まった質量分析法の同時開発により、原子質量と分子質量の概念がサポートされ、直接的な相対測定のツールが提供されました。
1905年：アインシュタインのブラウン運動に関する論文は、原子の物理的実在性に関する最後の疑問を払拭し、原子の質量を正確に決定する道を開いた。^[32]
1909年：ペランがアボガドロ定数という名前を作り、その値を推定した。^[33]
1913年：ソディ^[34]とトムソン^[35]による非放射性元素の同位体の発見
1914年：リチャーズは「多数の元素の原子量の決定」によりノーベル化学賞を受賞。^[36]
1920年：アストンはプラウトの仮説の最新版である整数則を提唱した。^[37]
1921年：ソディは「放射性物質の化学と同位体の研究に関する研究」によりノーベル化学賞を受賞。^[38]
1922年：アストンは「多数の非放射性元素の同位体の発見と整数則の発見」によりノーベル化学賞を受賞。^[39]
1926年：ペランはアボガドロ定数の測定に関する研究によりノーベル物理学賞を受賞。 ^[40]
1959年/ 1960年： IUPAPとIUPACがm ( ^12C )=12uに基づく統一原子質量単位スケールを採用。^[41]
1968年：国際度量衡委員会（CIPM）がモルを国際単位系（SI）に含めることを推奨した。 ^[42]
1972年：モルがSI単位系における物質量の基本単位として承認される。 ^[42]
2019年：SIにおいてモルは「以下の物質を含むシステムの物質量」と再定義されました。6.022 140 76 × 10 ²³指定された基本エンティティ"。^[1]

参照

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[20] ベルゼリウスの最初の原子量測定は 1810 年にスウェーデン語で出版された: Hisinger, W.; JJ ベルゼリウス(1810)。「Forsok rorande de bestamda proporter, havari den ororganiska Naturens bestandsdelar finnas forenada」。ああ。補足、ケミミネラル。3：162

[21] プラウト、ウィリアム（1815）。「気体状態の物体の比重と原子の重さの関係について」。Annals of Philosophy。6：321-330。

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[27] 1860年9月3日、4日、5日にカールスルーエで開催された国際化学者会議のセッションに関するウルツの報告書。

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