Kako (i zašto) mjerimo atom?

Jedan atom je veoma mali. Promjer atoma, u ovisnosti o vrsti atoma varira od 30 do 300 pm. Pikometar je milijarditi dio milimetra, odnosno jedan pikometar je 0.000 000 001 mm ili 0.000 000 000 001 m. U jednom zrnu pijeska ima pa... neprebrojivo mnogo atoma.

Sa pikometrima nije jednostavno raditi. Zato su naučnici došli na ideju da atom mjere u odnosu na neku dogovorenu veličinu. Ta dogovorena veličina je masa izotopa karbona C-12 - karbona koji u nukleusu ima 6 protona i 6 neutrona. Pošto se masa atoma mjeri u odnosu na nešto – u odnosu na masu atoma karbona C-12, kažemo da je to relativna atomska masa. Njena oznaka je Ar. Relativna atomska masa je prosječna masa jednog atoma neke supstance podijeljena sa jednom dvanaestinom mase izotopa atoma karbona C-12. Ona nema jedinicu jer se radi o omjeru.

Ovo bi bila jedna dvanaestina nečega, u našem slučaju mase izotopa atoma karbona C-12. Hidrogen ima relativnu masu jednaku jednoj 12-tini izotopa karbona C-12 i to znači da on ima relativnu atomsku mase otprilike 1.

Međutim dogovorena veličina je mogla biti i jedna dvadesetčetvrtina atoma izotopa karbona C-12...ili neka druga veličina. Prirodno je da se zapitamo zašto su naučnici odabrali baš ovu veličinu. Kao prvo, karbon je veoma čest element, pogotovu njegov izotop C-12 i kao takav je lako dostupan naučnicima. Također, biranjem ove veličine, mase ostalih elemenata su gotovo cijeli brojevi.

Druga bitna veličina u hemiji je relativna molekulska/molekularna masa, koju označavamo sa Mr.  Izračunavamo je tako što saberemo relativne atomske mase atoma u molekuli.

Primjerice, relativna atomska masa oksigena je 16. Molekula oksigena sadrži uvijek dva atoma oksigena, pa je formula molekule oksigena O₂. To znači da je relativna molekulska masa molekule oksigena 2x16 što iznosi 32.

Bitno je da znate kako neki elementi, neki gasovi poput hidrogena, oksigena, hlora, broma i nitrogena u prirodi samostalno dolaze u molekulskoj formi – kao H₂, O₂, Cl₂, Br₂, N₂ te se tako i računaju njihove molekulske mase.

Molekula magnezijum-hlorida ima jedan atom magnezijuma i dva atoma hlora. Znači, formula joj je MgCl₂. Relativna atomska masa magnezijuma je oko 24, a hlora 35.45. Pošto u ovoj molekuli postoje 2 atoma hlora, to relativnu molekulsku masu MgCl₂ izračunavamo kao Mr(MgCl₂)= Ar Mg +2xAr (Cl) =24 (Ar Mg)+2x35.45 (Ar Cl) pa je Mr od MgCl₂ = 94.9

U hemiji se koristi veličina koja se zove molarna masa, čija je oznaka veliko M.  Ona je jednaka relativnoj molekularnoj masi supstance, samo što se, za razliku od relativne atomske ili molekularne mase, izražava u gramima po molu. To je masa jednog mola date supstance. Međutim – mol – to je nešto sasvim novo. Dakle, šta je mol?

Mol je jedinica za količinu supstance. Naime, ista masa različitih supstanci ima različit broj atoma, odnosno, molekula. To je zbog toga što veličina atoma varira – neki elementi ima manje atoma, a drugi veće. Oznaka za količinu supstance je malo n, a  n=m/M gdje je m malo masa supstance, a M  veliko molarna masa suspstance.  Dakle, količina tvari je količnik mase tvari i molarne mase, koja,opet, nije ništa drugo nego relativna molekulska masa izražena u gramima po molu. Nemojte da vas zbune 2 „m“ u formuli – to su potpuno različite veličine i malo m je uvijek gore u razlomku.

Mol - količina tvari - usvojen je kao hemijsko mjerenje i dodan šest osnovnih količina SI (Međunarodni sustav znanstvenih jedinica) 4. oktobra 1971. Odluku je donijela Conférence Général des Poids et Mesures (CGPM). Mol je količina tvari u sustavu koja sadrži onoliko elementarnih entiteta koliko ima atoma ugljika u 0,012 kg ugljika C-12. Elementarni entiteti moraju biti specificirani, poput atoma, molekula, iona, elektrona, drugih čestica ili specificirani skupine takvih čestica. Dogovoreni simbol za jedinicu je mol, a simbol za količinu tvari je slovo n. 

Probajmo izračunati količinu tvari na primjeru kuhinjske soli.

Trebamo izračunati koliko mola supstance ima u 2 gr soli. Idemo postepeno. Prvo trebamo izračunati molarnu masu kuhinske soli. Njena formula je NaCl. Relativna atomska masa natrijuma je 23 – u preciznijim periodnim sistemima piše i 22.99 , relativna atomska masa hlora je 35.45.

Relativna molekulska masa NaCl je Mr (NaCl)= Ar(Na)+Ar(Cl) = 23+35.45= 58.45. Molarna masa kuhinske soli NaCl je onda 58.45 grama po molu. Jedan mol kuhinjske soli ima 58.45 grama kuhinjske soli.

Ali U zadatku se pitamo koliko mola supstance NaCl ima u 2 gr soli. To ćemo riješiti tako da uvrstimo masu supstance i molarnu masu u formulu n=m/M pa je n=2gr/58.45 grama po molu.

Gram i gram kratimo i ostaje nam samo mol. n= 0.034 mola.