Massa molecolare e massa molare

In questo appunto vengono approfonditi nello specifico i concetti di mole, massa molare e massa molecolare, attraverso le definizioni e concetti fondamentali e attraverso anche esempi numerici specifici del caso.

La mole

Un campione di materia, anche piccolo, conterrà un gran numero di particelle (atomi, molecole, ioni). Per poter confrontare la quantità di sostanze differenti si deve utilizzare un’unità che indichi un numero molto alto di particelle, questa unità è la mole che può essere usata non solo per gli atomi ma anche per molecole, elettroni e ioni.
Nel Sistema Internazionale di misura essa rappresenta l’unità di sostanza e viene indicata col simbolo mol (n), la definizione è la seguente: la mole è la quantità di sostanza contenente tante particelle elementari quanti sono gli atomi che si trovano in 12,0 grammi di carbonio-12.
Nel SI (Sistema Internazionale) la massa molare di una sostanza è una quantità espressa in grammi/mol che è numericamente uguale alla massa molecolare o atomica della sostanza considerata.

Introduzione

Sai benissimo che la chimica è una scienza che si occupa dello studio della composizione della materia.
E dovresti sapere bene anche che la materia è composta da atomi tra di loro raggruppati per formare delle molecole.
Queste particelle non sono visibili ad occhio nudo e hanno una massa estremamente ridotta. Immagina di dover scrivere in grammi la massa di un atomo di idrogeno sarebbe proprio pari a questo numero piccolissimo:

Si è pensato di esprimere queste masse ridotte con delle unità di misura particolari. È il caso della massa atomica. Il problema è che a noi interessa la massa molecolare, non quella atomica!
Aspetta, ma non abbiamo appena detto che gli atomi compongono le molecole?

La massa molecolare

La massa molecolare è un concetto abbastanza facile, se conosciamo il concetto della massa atomica.
La massa molecolare non è altro che la somma di tutte le masse atomiche degli atomi che compongono la molecola in esame.
Calcoliamo la massa molecolare dell'acqua. Si ricorda che la formula molecolare dell'acqua è pari a:

Procuriamoci le masse atomiche dell'idrogeno (1,0) e dell'ossigeno (16,0).

Pertanto per il calcolo della massa molecolare andremo ad ottenere che:

La molecola di acqua ha pertanto una massa molecolare pari a 18 uma (unità di massa atomica)

La massa molare

Se conosciamo la massa molecolare di una sostanza, trovare la massa molare, ovvero a quanti grammi equivale una mole di una sostanza, sarà un gioco da ragazzi.
Il valore numerico resta invariato, ma cambia l'unità di misura. Infatti la massa molare si esprime in g/mol.
Quindi la massa molare dell'acqua sarà 18,0 g/mol!

Esempi numerici

È possibile calcolare il numero di moli presenti in una determinata quantità di sostanza, se si conosce la quantità della sostanza in grammi e si divide per la sua massa molare. Se si vuole conoscere il numero di moli contenute in 22 g di azoto (N) dobbiamo svolgere la seguente operazione:

Si ricorda che la massa molare dell'azoto è pari a:

Questo numero dunque corrisponde alla massa atomica dell’azoto.

Se vogliamo conoscere il numero di moli presenti in 153g di acido nitrico, che possiede la seguente formula molecolare riportata:

Da qui quindi procediamo e calcoliamo il numero di moli come segue:

Dalle precedenti relazioni è possibile ricavare i grammi di una sostanza conoscendo il numero di moli della sostanza e la sua massa molare.
Per sapere quanti grammi sono contenuti in 1,4 moli di alluminio (Al) si procederà nel modo seguente riportato qui di seguito:

Concetti legati alla mole

Strettamente collegato al concetto di mole è quello di volume molare per il quale: una mole di un qualsiasi gas, in condizioni standard (STP), alla temperatura di 0°C e alla pressione di 1 atm, occupa il volume di 22,4 litri, detto volume molare. Standard Temperature and Pressure cioè STP equivalgono a 0°C di temperatura e 1 atm di pressione. Ad esempio, una mole di acqua ha massa 18 grammi e contiene 6,02×1023 molecole di acqua; una mole di metano pesa 16,043 grammi
e contiene molecole, una mole di C-12 pesa 12g e contiene esattamente un numero di atomi pari a:

Si dovrebbe pensare alla mole non come ad un peso ma come un insieme di particelle, così come si pensa ad un paio, ad una dozzina, un centinaio. Determinazione di una formula del composto Un composto è formato da due o più elementi, per determinare la sua formula chimica, ovvero il rapporto numerico tra gli atomi, è necessario conoscere il numero di moli di ciascun elemento.

Calcolo formula chimica

Se vogliamo conoscere la formula chimica di un composto dobbiamo conoscere la quantità, espressa in grammi, del composto e conoscere esattamente la quantità in grammi di ogni singolo elemento contenuto in quel composto. Consideriamo che in 68 g di un composto sono contenuti 4g di H e 64 g di O, calcoliamo il numero di moli di ogni elemento ed avremo:

Questo numero si va ad approssimare a 4.

Si divide ciascun numero di moli ottenuto per il valore più piccolo in modo da stabilire il rapporto minimo tra gli atomi (formula minima) che in questo caso è 4 quindi dividendo il numero di moli ottenute per quattro andremo ad ottenere la nostra formula molecolare ricercata. Di conseguenza la formula minima sarà HO.
Per ricavare la formula molecolare è necessario conoscere la sua massa molecolare determinata sperimentalmente, quindi si divide la massa molecolare del composto per la massa della formula minima:

Massa molecolare

Massa molecolare

Si moltiplica il numero ottenuto per gli indici della formula minima:

La formula del composto sarà H2O2.