Многие вещи можно поделить на части: пол-литра молока, четверть буханки хлеба, полтора метра ткани. А вот химики не могут взять полтора атома кислорода или две трети молекулы воды. Ведь атомы — это мельчайшие, неделимые химическим путем частицы вещества. Как же тогда ученые точно измеряют количество вещества?

Здесь на помощь приходит «моль» — единица измерения, которая помогает химикам «взвешивать» невообразимо крошечные объекты и говорить о них на языке количеств.

Поиск «атомных весов»

Идея, что всякое вещество состоит из мельчайших, неделимых частиц, возникла еще в Древней Греции. Философ Демокрит (V-IV вв. до н.э.) назвал эти частицы «атомами», что в переводе с греческого означает «неделимый».

Он считал, что атомы различаются формой, размером и движением, и именно эти различия определяют свойства веществ. Конечно, у Демокрита не было никаких экспериментальных доказательств своей теории, но его идеи оказались удивительно прозорливыми.

Прошли века, и ученые Нового времени вновь обратились к идее атомов. Но как доказать существование того, что нельзя увидеть даже в самый мощный оптический микроскоп? Ответ на этот вопрос был найден в ходе химических экспериментов.

Ученые заметили, что вещества взаимодействуют друг с другом в строго определенных пропорциях. Например, для образования воды всегда требуется два объема водорода и один объем кислорода. Это навело на мысль, что химические реакции происходят между целыми частицами вещества, которые соединяются друг с другом в определенных соотношениях.

В начале XIX века английский ученый Джон Дальтон сделал важный шаг в развитии атомной теории. Он предположил, что каждый химический элемент состоит из атомов определенного типа, которые имеют одинаковую массу. Дальтон создал первую таблицу «атомных весов», в которой принял массу атома водорода за единицу и определил массы других элементов относительно нее. Например, согласно таблице Дальтона, атом кислорода был примерно в 16 раз тяжелее атома водорода, а атом углерода — в 12 раз.

Конечно, Дальтон не мог точно измерить массы отдельных атомов. Его таблица была основана на анализе химических реакций и содержала некоторые неточности. Но она стала большим шагом на пути к количественному описанию химических процессов. Так появилась условная единица измерения массы атомов — атомная единица массы (а.е.м.), которую также называют Дальтоном (Да) в честь ученого.

Кислородные и водородные баталии

Таблица Дальтона, основанная на водороде как эталоне, была, конечно, революционной для своего времени. Но химики вскоре начали искать более удобные и точные способы определения атомных масс.

В 1818 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус предложил использовать в качестве эталона кислород. Он считал, что кислород более удобен для измерения в практических целях, так как он образует соединения с большинством других элементов. Берцелиус принял массу атома кислорода за 100 (позже это значение было изменено на 16) и пересчитал атомные массы других элементов относительно кислорода.

Кислородная шкала Берцелиуса быстро завоевала популярность и стала основной на протяжении почти 50 лет. Но в середине XIX века ученые вновь вернулись к водородной шкале. Это было связано с развитием методов определения атомных масс с помощью газовых законов. Водород, как самый легкий газ, оказался более удобным для таких измерений.

На этом история не закончилась. В начале XX века были открыты изотопы — атомы одного и того же химического элемента, которые имеют разную массу. Например, кислород имеет три изотопа: кислород-16, кислород-17 и кислород-18. Это открытие привело к появлению новой кислородной шкалы, основанной на массе изотопа кислород-16.

Таким образом, в химии существовало несколько разных шкал атомных масс, это создало путаницу и затрудняло работу ученых. Стало очевидно, что необходим единый стандарт, который был бы принят всем мировым научным сообществом.

Рождение современной шкалы

В 1960 году Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) утвердил новую шкалу атомных масс, основанную на изотопе углерода-12. Согласно этой шкале, 1 а.е.м. стала строго равна 1/12 массы атома углерода-12.

Почему же был выбран именно углерод-12? На это было несколько причин:

• Широкое распространение. Углерод — один из самых распространенных элементов в природе. Он входит в состав всех органических соединений, которые образуют основу живой материи.
• Удобство измерения. Массу атома углерода-12 можно было измерить с высокой точностью с помощью масс-спектрометрии.
• Отсутствие других стабильных изотопов. Углерод-12 — стабильный изотоп углерода, а это упрощает измерения и расчеты.

Углеродная шкала быстро прижилась и стала общепринятым стандартом в химии. Она позволила ученым точно определять атомные массы и молекулярные массы веществ, что имеет огромное значение для развития химии, физики, биологии и других наук.

Моль как связь между микромиром и макромиром

Итак, ученые научились определять относительные массы атомов и молекул. Но как же им измерять количество этих мельчайших частиц в реальных образцах веществ? Ведь даже в самом маленьком количестве вещества содержится огромное число атомов и молекул.

Здесь на помощь приходит понятие «моль». Этот термин появился в конце XIX века как сокращение немецкого слова «Molekül», что означает «молекула». Первоначально моль использовался для обозначения количества вещества, масса которого в граммах численно равна его молекулярной массе. Например, молекулярная масса воды равна 18 а.е.м., поэтому 1 моль воды имеет массу 18 граммов.

В XX веке определение моля было уточнено. В 1971 году XIV Генеральная конференция по мерам и весам приняла следующее определение:

Структурными элементами могут быть атомы, молекулы, ионы, электроны или любые другие частицы.

Это определение связывает моль с числом Авогадро, которое представляет собой количество структурных элементов в одном моле вещества. Число Авогадро — фундаментальная физическая константа, численно равная приблизительно 6,022 × 10^23 моль^(−1).

Таким образом, моль — это своего рода «мостик»между микромиром атомов и молекул и макромиром, в котором мы живем. Он позволяет нам «переводить» относительные атомные массы в реальные массы веществ, которые мы можем измерить в лаборатории.

Как моль используется на практике

Во-первых, важно понимать, что моль может быть дробным числом. Например, мы можем говорить о 0,5 моль воды или 1,75 моль кислорода. Это означает, что в данном образце вещества содержится соответствующее число молекул воды или атомов кислорода, умноженное на число Авогадро.

Во-вторых, существует минимальное значение моля, которое имеет физический смысл. Это значение определяется обратным числом Авогадро и равно приблизительно 1,66 × 10^(−24) моль. Если количество вещества меньше этого значения, то мы уже не можем говорить о нем как о макроскопическом объекте, который можно измерить в лаборатории.

Например, если мы возьмем 1 грамм воды, то в нем будет содержаться приблизительно 3,34 × 10^22 молекул воды, что соответствует 0,055 моль. А если мы возьмем 1 атом водорода, то его количество в молях будет равно 1,66 × 10^(−24) моль.

Так, моль позволяет нам работать с широким диапазоном количеств вещества — от отдельных атомов и молекул до макроскопических образцов, содержащих триллионы частиц.

Моль — это не просто единица измерения, очень важный инструмент, который позволяет нам понимать и описывать химический мир. Благодаря этой единице измерения можно:

• «Взвешивать» атомы и молекулы. Моль позволяет нам связывать относительные атомные массы с реальными массами веществ, которые мы можем измерить в лаборатории;
• Понимать химические реакции. Зная количество вещества реагентов и продуктов в молях, мы можем рассчитывать выходы реакций, определять стехиометрические коэффициенты и прогнозировать результаты химических превращений;
• Создавать новые материалы. Моль используется при разработке новых материалов с заданными свойствами, например, полимеров, сплавов, лекарственных препаратов.

Химики оперируют не отдельными атомами и молекулами, а огромными их скоплениями, которые удобно измерять в молях. Поэтому моль — это мостик между микромиром и макромиром, который помогает нам лучше понимать устройство нашего мира.