Mol en molmassa

Het begrip mol is gedefinieerd als het aantal atomen koolstof C in 12 gram ¹²C van dat materiaal, dus zuiver ¹²C. Dit is gelijk aan het getal van Avogadro :

N_Avogadro = 6,022 · 10²³ atomen/mol.

De molmassa van een atoom of molecuul is dan de massa van een mol atomen respectievelijk moleculen. N_Avogadro koolstofatomen (zuiver ¹²C) hebben dus een molmassa van 12 g/mol.

Het begrip mol duidt dus een aantal aan en is daarmee te vergelijken met de begrippen 'dozijn' en 'gros'. Een dozijn computers is hetzelfde als 12 computers, een gros computers staat gelijk aan 144 computers en een mol computers betekent maar liefst een hoeveelheid van 6,022 · 10²³ computers!

Elk element (C, Al, U etc.) heeft een unieke molmassa. De molmassa van zuurstofatomen is bijvoorbeeld 16 g/mol, dat van zuurstof O₂ is daarmee 32 g/mol. Nota bene: voor (eerste orde) systeemanalyses wordt meestal de op 2 of 3 cijfers afgeronde molmassa gebruikt. Elke chemische stof (soort molecuul), zoals C₂H₆, C₂H₄ en H₂O etc., heeft eveneens een unieke molmassa. De molmassa van een molecuul kan eenvoudigweg worden bepaald met behulp van de verhoudingsformule.

Een algemene formule voor de molmassa van koolwaterstoffen met verhoudingsformule C_xH_y is:

molmassa_CxHy = x·molmassa_C + y·molmassa_H

Als van een stof niet precies bekend is uit welk molecuul of welke moleculen deze bestaat, kan vaak wél de verhoudingsformule bepaald worden. Uit deze verhoudingsformule kan dan een quasi-molmassa berekend worden, waaruit dan weer eigenschappen per massaeenheid (kilogram, ton) berekend kunnen worden. De verhoudingsformule van droge biomassa is bijvoorbeeld bij benadering CH₂O. De quasi-molmassa is dus 30 g/mol.

Andersom vertegenwoordigt elke hoeveelheid massa van een stof ook een aantal molen. Bijvoorbeeld voor een kilogram aluminium (Al) geldt: 1 kg Al = 1000 g / 27 g/mol = 37 mol aluminium. Op dezelfde manier volgt uit de quasi-molmassa van biomassa dat een kilogram biomassa 33 (quasi-)molen bevat.

Het begrip mol is handig én noodzakelijk om te kunnen rekenen aan chemische reacties. Het impliceert dat niet alleen 2 atomen C met één molecuul O₂ reageren tot 2 moleculen CO, maar ook dat 2 mol C met één mol O₂ reageert tot 2 mol CO. Als de molmassa van elk afzonderlijk element bekend is, dan kan de massaverhouding van de benodigde reactanten en ontstane producten berekend worden. Deze informatie kan gehaald worden uit het Periodiek systeem^w. Voor de vorming van koolmonoxide volgt dan eenvoudig dat 24 gram koolstof en 32 gram zuurstof reageren tot 56 gram koolmonoxide. Immers, volgens de reactievergelijking reageert 2 mol C met 1 mol O₂ tot 2 mol CO, en de molmassa van koolstof (C) is gelijk aan 12 g/mol, dat van zuurstof (O₂) is 32 g/mol, en koolmonoxide (CO) heeft een molmassa van 28 g/mol.

Het begrip mol stelt ook in staat de relatie te leggen tussen chemie en de inputs en outputs van industriële systemen, immers voor de laatste wordt zonder uitzondering met massa gerekend. De relatie tussen de inputs en outputs wordt echter vaak (mede)bepaald door de vaste verhoudingen waarin chemische reacties optreden.

Bij de voorbeelden van massabalansen bij fabrieken is het voorbeeld gegeven dat een moderne 1000 MW aardgascentrales zo'n 33,3 kg/s methaan met 600 kg/s lucht inneemt. De verbrandingsreactie van aardgas, methaan (CH₄) suggereert dat methaan met zuurstof (uit lucht) reageert tot kooldioxide en water:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + H₂O

De molmassa van methaan is ongeveer gelijk aan 1 · 12 + 4 · 1 = 16 g/mol. De molmassa van zuurstof is 2 · 16 = 32 g/mol. Als aardgas precies met de juiste hoeveelheid zuurstof wordt verbrand dan is volgens de vergelijking voor élke mol methaan 2 mol zuurstof nodig, dus voor elke 16 gram methaan is 2 · 32 = 64 gram zuurstof nodig. In een conventionele centrale wordt lucht gebruikt voor de verbranding. Naast zuurstof bevat lucht ook stikstof (lucht bevat bij benadering 21 vol.% zuurstof en 79 vol.% stikstof wat betekent dat, ervan uitgaande dat lucht zich gedraagt als een ideaal gas waardoor volumepercentage gelijk is aan molpercentage, lucht per mol zuurstof ook 79/21 mol stikstof bevat). Dat betekent dat voor elke 16 g CH₄ er 2 · 32 g O₂ en 79/21 · 2 · 28 g N₂ wordt toegevoerd. Dat is dus: (2 · 32 + 79/21 · 2 · 28) / 16 = 17 g lucht per g methaan. Dus bij 33,3 kg/s CH₄ hoort (stoichiometrisch) 33,3 · 17 = 566 kg/s lucht.