몰

몰은 물질량의 단위로 국제단위계의 기본단위이며, 기호로 mol을 사용한다. 몰은 1971년 제14차 국제도량형총회(Conference generale des poids et mesures, CGPM)에서 정의되었다가 2018년 제26차 CGPM에서 재정의되었다. 재정의된 1 몰은 6.022 140 76 x 10²³개의 구성요소를 포함한다. 이 숫자는 아보가드로 상수 @@NAMATH_INLINE@@N_A@@NAMATH_INLINE@@를 mol^-1 단위로 나타낼 때 정해지는 수치로서 아보가드로수라고 부른다. 어떤 계의 물질의 양(기호: @@NAMATH_INLINE@@n@@NAMATH_INLINE@@)은 명시된 특정 구성요소들의 수를 나타내는 척도이다. 특정 구성요소들이란 원자, 분자, 이온, 전자, 그 외의 입자 또는 그런 입자들의 특정한 집합체가 될 수 있다.

몰은 기본적으로 원자나 분자 등 매우 작은 입자로 구성된 물질의 양을 입자의 개수로 나타내기 위해 사용하는 단위이며, 따라서 엄청나게 큰 숫자이다. 이렇게 큰 숫자임에도 물질의 양을 질량 등 다른 개념이 아닌 개수로 나타내는 이유는 이 개념이 주로 화학반응을 설명하는데 쓰이는 개념이기 때문이다. 화학반응은 원자나 분자와 같은 입자들 사이에서 일어나며, 예를 들어 산소와 수소가 반응해서 물을 만드는 경우 산소 원자 두 개와 수소 원자 한 개가 반응해서 물 분자 한 개가 만들어 진다. 이 반응은 반응에 참여하는 입자의 개수로 설명하는 것이 가장 이해가 쉽다. 만일 이 반응을 질량으로 표현한다면 산소 1kg 과 반응하는 수소의 질량 0.125 kg 인데, 이는 반응에 참여하는 원자의 원자량과 개수를 모두 고려해야 얻을 수 있는 값이다.

1971년 제14차 CGPM에서 몰은 탄소-12(¹²C)의 0.012 kg에 있는 원자의 개수와 같은 수의 구성 요소를 포함한 어떤 계의 물질량으로 정의되었다. 탄소-12, 즉 핵자가 12개인 탄소의 동위원소 12 g 안에 있는 ¹²C의 개수를 아보가드로수라고 한다. 따라서 어떤 물질 1 mol 안에 있는 구성 요소의 개수는 아보가드로수인데, 2018년 12월의 CODATA의 값은 6.022 140 857(74) x 10²³이다.¹⁾ 탄소-12의 질량의 1/12를 원자질량단위(atomic mass unit, 기호 u)라고 하는데, 2018년 12월의 CODATA의 값은 1 u ≈ 1.660 539 040(20) x 10⁻²⁷ kg이다.²⁾

1971년 제14차 CGPM에서 정의된 몰은 특정 물질인 탄소에 의존하는 단점이 있었다. 2018년 제26차 CGPM에서는 국제단위계의 기본단위 7개를 모두 불변량인 상수를 기반으로 정의하기로 하였고, 1 몰은 6.022 140 76 x 10²³개의 구성요소를 포함하는 것으로 정의되었다. 몰을 이렇게 정의함으로써 아보가드로수는 6.022 140 76 x 10²³으로 고정되었고, 원자질량단위 u도 1 u = 1/(6.022 140 76 x 10²³) g = 1. 660 539 067 … x 10⁻²⁷ kg으로 고정되었다. 이 값들은 2019년 5월 20일부터 공식 사용된다.

어떤 원소의 원자량은 그 원소의 평균 질량을 u로 표시한 값이다. 바꾸어 말하면, 어떤 원소의 평균 질량은 그 원소의 원자량에 u의 단위를 붙인 것이 된다. 원자량은 대략 그 원소의 핵자의 숫자와 같지만, 동위원소의 존재나 결합에너지 등으로 인해 정확히 자연수는 아니다. 그 원소 1 mol의 질량, 즉 몰 질량(molar mass)을 g으로 표시하면 원자량과 같은 숫자가 된다. 마찬가지로 어떤 분자의 분자량도 그 분자의 평균 질량을 u로 표시한 값이고, 그 분자의 몰 질량은 분자량에 g의 단위를 붙인 값이다.

원자량은 ¹²C의 원자량을 12라고 하고 다른 원소의 질량을 ¹²C와 비교하여 나타낸 상대 질량이라고 할 수 있다. 이 원자량의 기준이 되는 원소는 처음에는 수소이었다, 즉 수소의 원자량을 1로 정했었다. 그 다음에는 자연 산소, 즉 자연에 존재하는 비율로 산소의 동위원소(산소-16,17,18)를 가중 평균한 산소이었다가 산소-16(¹⁶O)을 거쳐 탄소-12가 되었다. 탄소-12를 기준으로 하면 수소, 자연 산소, 산소-16의 원자량은 각각 1.0079, 15.9994, 15.9949 정도이다. 제14차 CGPM에서의 몰의 정의에 나오는 탄소-12는, 더욱 정확하게 말하면, 바닥상태에 정지해 있으며 속박되어 있지 않은 원자를 가리킨다.³⁾ 탄소-12 원자핵은 그림 1에서와 같이 양성자 6개와 중성자 6개를 가지고 있는데, 그림 1은 원자번호 1-29인 원소들의 동위원소들 가운데 탄소-12의 위치를 보여주고 있다.

그림 1. 원자번호 1-29인 원소들의 동위원소들 가운데 탄소-12의 위치

몰은 화학 반응식을 설명할 때 유용하게 쓰인다. 예를 들어

라는 화학식은, 2 mol의 수소 분자가 1 mol의 산소 분자와 결합하여 2 mol의 물 분자를 생성한다고 읽을 수 있다.

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