А что, если взять не относительные единицы массы, а привычные для нас граммы, а числа оставить те же самые? Например, относительная молекулярная масса водорода равна 2. Возьмём два грамма газа водорода.
Это довольно большое количество: при нормальных условиях 2 г водорода имеют объём 22,4 л. Молекул же в этих двух граммах огромное множество, которое даже трудно представить. Но самое удивительное и одновременно замечательное заключается в том, что это число химикам и физикам знать и не требовалось!
И вот почему. Как мы знаем, относительная молекулярная масса газа азота равна 28. Возьмём теперь 28 граммов азота.
Если одна молекула азота в 14 раз тяжелее одной молекулы водорода, а 28 граммов в 14 раз больше, чем 2 грамма, то понятно, что в 28 г азота будет столько же молекул, сколько их в 2 г водорода.
И при нормальных условиях эти 28 г азота занимают те же 22,4 л! А по закону Авогадро во всех газах, имеющих объём 22,4 л, содержится одинаковое количество молекул. Значит, если мы от относительных атомных и молекулярных весов просто перейдём к граммам, то мы сможем оперировать этим несметным и неизвестным числом молекул, просто зная, что их число для разных веществ одинаково.
Что это даёт? Очень много!
Если, например, известно, что одна молекула азота N2 реагирует с тремя молекулами водорода Н2 и при этом образуются две молекулы газа аммиака NH3, то можно записать уравнение реакции: N2 + 3Н2 = 2NH3.
С отдельными молекулами химики работать не могли (это стало возможно только в последние годы). Но они могли работать с граммами.
И если относительные молекулярные массы азота, водорода и аммиака равны 28, 2 и 17 единицам, то 28 граммов азота должны вступить в реакцию с 6 граммами водорода и образовать 34 грамма аммиака.
Аналогично из уравнения реакции водорода и кислорода 2Н2 + О2 = 2Н2О следует, что две молекулы Н2 реагируют с одной молекулой 02 и дают две молекулы Н2О. Значит, 4 грамма водорода должны полностью прореагировать с 32 граммами кислорода, и в результате реакции (даже если она прошла со взрывом) должно получиться ровно 36 граммов воды.
Вот эти числа (2 для водорода Н2, 28 для азота N2, 17 для аммиака NH3, 32 для кислорода 02, 18 для воды Н2О), совпадающие с относительными массами этих молекул, но выраженные в граммах, и назвали молем (недаром раньше эта величина называлась грамм-молекулой).
В одном моле всех перечисленных веществ содержится одинаковое число молекул.
Значит, в соответствии с записанными уравнениями реакций один моль газа азота реагирует с тремя молями газа водорода и даёт два моля газа аммиака; аналогично два моля водорода реагируют с одним молем кислорода, в результате получается два моля воды. Очень удобно для реальных расчётов в граммах для любых реакций, если известны их уравнения.
И вовсе не нужно знать, сколько же на самом деле молекул в этом моле — главное, что их число в моле любого вещества одинаковое. Сейчас моль определяют так: это количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько атомов содержится в 12 г главного природного изотопа углерода, относительная масса которого равна 12. В честь Авогадро число частиц в одном моле вещества назвали постоянной Авогадро.
Сколько же молекул в одном моле? Химиков это не особенно занимало: ведь чтобы проводить расчёты с молями различных веществ, совсем необязательно знать, сколько частиц содержит 1 моль — миллион, миллиард, триллион или намного больше.
Главное, что моль любого вещества содержит одинаковое количество частиц.
И только в конце XIX века физики получили первые приблизительные оценки этой величины. Сейчас она известна с высокой точностью.
Оказалось, что постоянная Авогадро очень велика — это 6 с 23 нулями (то есть 6 • 1023).
Современное значение — 6,0221415 • 1023.
Преподаватели химии разных стран придумали множество способов дать наглядное представление громадности числа молекул в одном моле вещества. Например, если взять моль долларовых бумажек, они покроют все материки плотным двухкилометровым слоем.
А вот ещё один пример.
В некоем сказочном царстве находится огромная гранитная скала в виде куба с ребром, равным 1 км. Нужен целый час, чтобы обойти кругом эту скалу, а вершина её нередко скрыта за облаками.
И вот раз в сто лет на эту скалу садится ворон и чистит о неё клюв; при этом скала стирается всего на 0,0001 грамма, что совершенно незаметно. Так вот: число лет, за которое от скалы не останется ни песчинки, меньше, чем постоянная Авогадро!
Моль большинства веществ, в отличие от отдельных атомов и молекул, легко «пощупать», в буквальном смысле взять в руки (конечно, если вещество не ядовитое; ну а газы и жидкости придётся помещать в сосуды).
Так, в спичечной коробке (её объём около 27 см3) легко поместится один моль многих металлов: железа (56 г, 7 см3), меди (64 г, 7,1 см3), алюминия (27 г, 12,9 см3), серебра (108 г, 10,3 см3), золота (197 г, 10,2 см3), ртути (201 г, 14,8 см3), цинка (65 г, 9,2 см3), лития (7 г, 13,9 см3), урана (238 г, 12,5 см3). Видно, что мольные объёмы самых разных металлов мало отличаются.
И это понятно: чем тяжелее атомы, чем больше масса моля металла, тем больше и плотность металла.
Так, атомы урана в среднем в 34 раза тяжелее атомов лития, но и плотность урана примерно во столько же раз (точнее, в 35,7) больше плотности лития.
Легко помещается в объёме спичечного коробка также моль других металлов и твёрдых неметаллов — серы, фосфора, кремния, углерода. А вот моль газа занимает намного больший объём — примерно 24 л при обычных условиях (комнатная температура, давление 740-750 мм рт. ст.); это объём надутого воздушного шарика обычных размеров.