몰당 그램
물 분자 6.022·10²³개를 얻으려고 화학자가 그것을 세지는 않는다. 그냥 18.015 g을 단다. 이 수가 바로 몰질량, 즉 물질 일 몰의 그램 수다. 소금은 58.44 g/mol, 설탕은 342.3, 헤모글로빈은 약 64 500이다.
몰질량은 분자식에 따라 원자 질량을 더해서 얻는다. 원자 질량은 질량 분석기로 잰다. 자석이 이온을 질량에 따라 나누고, 무거운 이온일수록 더 완만한 호를 그린다. SI 단위는 kg/mol이지만, 실험실에서는 g/mol로 쓴다. 그러면 이 수가 돌턴으로 나타낸 분자의 질량과 같아진다.
| 기호 | g/mol · SI에서는 kg/mol |
| 정의 | M = m / n — 물질의 질량을 그 물질의 양으로 나눈 값 |
| 기준값 | M(¹²C) = 12.000 000 012 6 g/mol · M_u = 1.000 000 001 05 g/mol |
| 도입 | 그램 원자량 — 십구 세기부터 · kg/mol — 몰이 SI에 채택된 1971년부터 |
| 규격 | ISO 80000-9 · IUPAC Green Book · CIAAW 2021 |
| 대표 값 | 18.015 g/mol — 물 · 180.16 — 포도당 · 64 500 — 헤모글로빈 |
01 · 정의
일 몰의 질량
물질을 하나 골라 그 질량을 몰 단위의 물질의 양으로 나눈다. 그러면 몰질량 M이 나온다. 순물질에서는 이 값이 일정하다. 물 9 g은 0.5 mol, 36 g은 2 mol이고, 비는 언제나 18.015 g/mol이다.
몰질량은 분자식으로 계산한다. 각 원소의 원자량을 IUPAC 표에서 가져와 원자 수를 곱하고 모두 더한다. 원자량은 천연 동위 원소 혼합물의 평균이다. 그래서 염소는 정수가 아니라 35.45다.
분자를 조립하고 일 몰을 달아 보자
공은 분자를 이루는 원자이고, 원자 질량이 클수록 크다. 아래 띠는 같은 질량을 나누어 보여 준다: 몰질량 가운데 각 원소가 차지하는 몫이다. 검정은 탄소, 파랑은 수소, 초록은 질소, 진홍은 산소, 회색은 염소.
분석기로 날아드는 것
칸마다 실험에 쓰인 물질의 골격 구조식이 들어 있다. 꼭짓점과 선 끝은 탄소 원자이고, 거기에 붙은 수소는 그리지 않는다. 이중선은 이중 결합이다. 질소는 초록, 산소는 진홍으로 표시했다. 식 아래 초록 숫자는 g/mol 단위의 몰질량이다. 가운데는 카페인이다: 파란 불꽃이 고리를 따라 달린다.
자석이 이온을 질량에 따라 나눈다
가운데에는 질량 분석기의 단면이 있다. 물질의 증기가 이온원으로 들어가면, 뜨거운 필라멘트가 분자에서 전자를 떼어 내고, 전압 U가 이온을 가속한다. 자기장 B 속에서 이온은 반지름 r = √(2mU/e) / B인 호를 따라 난다: 무거울수록 호가 완만하다. 파란 점선은 질량이 다른 이온 빔이고, 밝기는 자연에서 그런 분자가 차지하는 비율이다. 그림에서는 빔의 벌어짐을 8배로 키웠다. 그러지 않으면 이웃한 질량이 하나의 호로 겹친다. 수집기 슬릿에는 반지름이 정확히 200 mm인 빔만 들어가고, 그때 수집기가 진홍빛으로 켜진다. 자기장이 천천히 바뀌면서 오른쪽 화면에 진홍색 선으로 스펙트럼이 기록되고, 파란 선은 지금 슬릿에 있는 질량이다. 화면 아래에는 저울이 있고, 그 위에 물질을 정확히 일 몰 올린다. 왼쪽 콘솔은 몰질량과 기기의 모드를 보여 준다. 분석기를 클릭하면 자기장이 가장 높은 피크에 맞춰지고, 저울을 클릭하면 일 몰이 올라간다. 20 s 동안 아무것도 건드리지 않으면 실험이 저절로 진행된다.
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02 · 환산
| {n} | {v} | {note} |
돌턴과 g/mol은 같은 수를 주지만, 서로 다른 양이다. 돌턴은 분자 하나의 질량이고, g/mol은 일 몰의 질량이다. 2019년 이후로 두 수는 정확히 일치하지 않는다: CODATA 2022에 따르면 1.05·10⁻⁹만큼 차이가 나는데, 어떤 저울로도 잴 수 없는 수준이다.
공학 표에는 kg/kmol과 lb/lb-mol도 나온다. 수치는 g/mol과 같다: 킬로몰은 몰의 천 배이고, 킬로그램도 그램의 천 배다. 파운드몰은 453.59 mol이다.
03 · 크기의 차수
04 · 측정 기기
05 · 표기 규칙
06 · 이웃 단위
07 · 역사 부문
원소의 원자량은 시료를 어디서 얻었는지에 따라 달라진다. 바닷물의 수소와 천연가스의 수소는 중수소 비율이 다르다. 그래서 CIAAW는 수소에 대해 1.007 84–1.008 11이라는 구간을 주고, 계산에는 관례값 1.008을 쓴다. 이 때문에 물의 몰질량은 다섯째 자리까지만 정확하다.
눈금 자체는 탄소-12에 기대고 있다. 2019년까지 M(¹²C)는 정의에 따라 정확히 12 g/mol이었다. 몰을 아보가드로수로 정의한 뒤로는 이 값을 측정하게 되었다: CODATA 2022에 따르면 12.000 000 012 6 g/mol이고 불확도는 3.7·10⁻⁹ g/mol이다. 화학자는 이 차이를 알아채지 못한다.
산 한 방울이 즙의 색을 바꾸고, 소금은 불꽃에 색을 입히고, 물은 한 번 두드리면 언다. 그 아래에 Simetrium의 모든 페이지가 분야별, 가나다순으로 있다.
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