摩尔分数是描述混合物组成的无量纲量,等于某一组分的物质的量与所有组分物质的量之和的比值。国际纯粹与应用化学联合会将“物质的量分数”用作同义术语。由于物质的量与所指定实体的数目成正比,摩尔分数也等于相应的数目分数。它描述的是相对组成,而不是所含物质的多少。(goldbook.iupac.org)
定义与符号
组分 的摩尔分数为
其中, 是该组分的物质的量,通常以摩尔表示;分母包括指定混合物中的所有组分。液体和固体混合物通常采用符号 ;气体混合物则常用 ,尤其是在需要区分液相和气相组成时。(goldbook.iupac.org)
对于非空混合物,
纯物质唯一组分的摩尔分数为 1。对于二元混合物,,因此,只需一个独立的摩尔分数即可确定其组成。对于含有 个组分的混合物,归一化条件使独立的组成变量只有 个。这些关系都直接由定义得出。(openstax.org)
利用阿伏伽德罗常数,由 可得
必须明确所计数的实体:它们可以是分子、原子、离子,或其他指定的基本实体。分子分数和原子分数所描述的组成不一定相同。(bipm.org)
单位与数值表示
在国际单位制中,摩尔分数是同类量的比值,因此其单位为一,数值可以直接写成一个数。明确写出 ,可以说明该比值涉及的是物质的量,而不是质量或体积。也允许使用 和 等带有倍数或分数词头的形式。因此, 表示的摩尔分数为 。(bipm.org)
将摩尔分数乘以 100,即可得到以百分数表示时的数值。例如, 对应于 25%。表述时仍须明确所指的量,否则相同的百分数也可能表示质量比或体积比。(bipm.org)
计算及与其他组成量的关系
举例来说,含有 mol 氮和 mol 氧的混合物,其摩尔分数为
将两者的物质的量都加倍,这些分数仍保持不变。这说明摩尔分数表示的是比例,而不是样品的多少。(openstax.org)
当组成以质量给出时,可利用各组分的摩尔质量 计算其物质的量。将 代入定义,得到
同样,若 表示质量分数,经代数变换可得
因此,质量相等通常并不意味着摩尔分数相等。(bipm.org)
物质的量浓度是物质的量与溶液体积的比值,而摩尔分数不含体积项。质量摩尔浓度是溶质的物质的量与溶剂质量的比值,而摩尔分数的分母同时包括溶剂和溶质的物质的量。对于二元溶液,代入各自的定义可得
其中, 为质量摩尔浓度,单位为 ; 的单位为 。(openstax.org)
在各组分物质的量固定的情况下,摩尔分数不会仅因温度或压强变化而改变。这与基于体积的浓度不同,后者可能因膨胀或压缩而变化。当有物质进入、离开或发生反应时,“物质的量固定”这一限定条件尤为重要。(openstax.org)
气体混合物与气液平衡
对于理想气体混合物,道尔顿分压定律将组成与分压联系起来:
其中, 为总压强。因此, 的组分所贡献的分压为总压强的五分之一。这一压强关系以气体具有理想气体行为为前提;摩尔分数本身的定义并不要求体系具有理想性。(openstax.org)
对于理想溶液,拉乌尔定律将液相组成与平衡蒸气压联系起来:
其中, 是纯组分 在相同温度下的蒸气压。若蒸气为理想气体,结合上述两条定律可得 。因此,液相与气相的摩尔分数通常不同,这一区别在蒸馏中十分重要。对于含有非挥发性溶质的溶液,拉乌尔定律通过溶剂的摩尔分数描述溶剂蒸气压的降低。(openstax.org)
热力学解释
在热力学中,组成会影响化学势。对于以纯组分为标准态的液体或固体混合物,
其中, 为气体常数, 为热力学活度, 为活度系数。在理想混合物中,,因此活度等于摩尔分数。在非理想混合物中,摩尔分数仍表示组成,而活度系数则用于反映实际热力学行为对理想行为的偏离。使用这些方程时,必须明确所采用的标准态约定;并非在所有混合物中都能仅凭摩尔分数确定活度。(goldbook.iupac.org)