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摩爾??表示物質(zhì)微觀粒子數(shù)量的單位

發(fā)布時(shí)間:2016-04-28 作者: 來(lái)源:中國(guó)計(jì)量雜志 陳大舟 瀏覽:2708

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心  陳大舟


  在現(xiàn)實(shí)生活中,為了方便地表示數(shù)量很多的物體,人們可以使用不同單位來(lái)描述。例如在商店里,香煙是以“盒”來(lái)計(jì)算的,二十支為一盒。古時(shí)候人們把一千個(gè)銅錢用繩子串起來(lái)叫“貫”,當(dāng)錢數(shù)比較多時(shí)就用“貫”來(lái)計(jì)算。

  在天文學(xué)中表示恒星間的距離時(shí),通常用“光年”來(lái)表示距離。因?yàn)樵谟钪婵臻g,恒星間的距離太遙遠(yuǎn)了,即使以每秒30萬(wàn)公里的光速至少也要花上千年才能到達(dá)。如果用“米”或“公里”,顯然很不方便。

  對(duì)于微觀世界的原子、分子等粒子,我們當(dāng)然無(wú)法一個(gè)一個(gè)地?cái)?shù),更不可能稱出單個(gè)原子的重量。因?yàn)樵訉?shí)在太小了,假設(shè)把一萬(wàn)億個(gè)碳原子放在一起,也只有1.2皮克(pg),用世界上最準(zhǔn)確的天平也稱不出來(lái)。為了深入研究分子間的反應(yīng)機(jī)理,又需要測(cè)定和計(jì)算反應(yīng)前后分子的數(shù)量,怎樣才能比較方便地表示它們的個(gè)數(shù)呢?

  意大利科學(xué)家阿伏伽德羅早在1811年就提出,在相同條件下,相同體積的氣體含有同樣數(shù)量的分子。這一論點(diǎn)后來(lái)被證明在早期的原子量和分子量測(cè)定中非常有用,并且因此引出了“摩爾”這個(gè)概念。為了方便地表示數(shù)量非常巨大的微觀粒子,科學(xué)家在分子水平上研究物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)時(shí),就開始使用摩爾這個(gè)單位。一摩爾氧氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積接近22.4升,重36克。用摩爾為單位來(lái)計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的分子數(shù)量非常方便,單個(gè)原子不能稱量,而一摩爾原子就可以很容易地用普通天平稱量出來(lái)。

  盡管科學(xué)家們很早就開始使用“摩爾”,但是對(duì)這個(gè)單位的認(rèn)識(shí)卻有所不同,直到1971年第十四屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)(CGPM)才正式?jīng)Q定將摩爾(mole)列為國(guó)際單位制(SI)中七個(gè)基本單位之一,并對(duì)摩爾明確地給予了如下定義:“摩爾是一系統(tǒng)的物質(zhì)的量(amount of substance),該系統(tǒng)中所包含的基本單元數(shù)與0.012千克碳-12的原子數(shù)目相等。使用摩爾時(shí),基本單元應(yīng)予指明,可以是原子、分子、離子、電子及其它粒子,或是這些粒子的特定組合?!?/FONT>

  這個(gè)定義直接從翻譯文字上看比較抽象,我們可以理解為:摩爾是表示在一個(gè)特定體系中某類微觀粒子(原子、分子等)數(shù)量的一種單位,一摩爾微觀粒子在數(shù)量上等于12克12C(碳-12,碳的一種同位素)所含有的原子數(shù)目。

  應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出的是,摩爾不是表示質(zhì)量的單位,而是表示物質(zhì)所含有的某類微觀粒子數(shù)量的單位。摩爾這個(gè)單位中包含了一個(gè)非常巨大的數(shù)字,12克12C的原子有多少呢?經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定大約是6.022?1023個(gè),這個(gè)數(shù)字也被稱為阿伏伽德羅常數(shù)。例如,一摩爾氧分子實(shí)際上表示的是6.022?1023個(gè)氧分子。一摩爾的任何物質(zhì)中所含的微觀粒子數(shù)量是相同的,例如一摩爾碳原子含有的原子數(shù)和一摩爾氧分子含有的分子數(shù)相同。

  為什么要把摩爾和12克12C所含的原子數(shù)量聯(lián)系在一起呢?因?yàn)橄鄬?duì)原子質(zhì)量是以12C為標(biāo)準(zhǔn)的,國(guó)際上把相對(duì)原子質(zhì)量(以下簡(jiǎn)稱原子量)單位定義為12C原子質(zhì)量的1/12,即12C的原子量為12。這樣,一摩爾的原子或分子的質(zhì)量用克來(lái)表示時(shí),在數(shù)值上剛好等于它們各自的原子量或分子量。也就是說(shuō),一摩爾原子與單個(gè)原子質(zhì)量的比值就是阿伏伽德羅常數(shù)。例如,12C的原子量為12,一摩爾12C原子的質(zhì)量為12克;氫原子的原子量為1,一摩爾氫原子的質(zhì)量為1克。

  這樣規(guī)定的方便之處是,知道了物質(zhì)的原子量或分子量,就知道了一摩爾物質(zhì)的質(zhì)量。一摩爾物質(zhì)的質(zhì)量也稱為摩爾質(zhì)量。盡管現(xiàn)在的科學(xué)水平還不能非常準(zhǔn)確地測(cè)出12克12C所含的原子數(shù)量,但這并不妨礙我們準(zhǔn)確地使用摩爾這個(gè)單位。只要準(zhǔn)確測(cè)出某種物質(zhì)的原子或分子與12C原子間的相對(duì)質(zhì)量比值,就可以準(zhǔn)確得到該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量,因?yàn)樵又g的相對(duì)質(zhì)量比值可以比較準(zhǔn)確地用現(xiàn)代測(cè)量方法(如質(zhì)譜分析等方法)求得。

  用摩爾為單位來(lái)研究原子、分子等微觀粒子非常方便。例如研究水的電解時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)每分解2摩爾水,就會(huì)產(chǎn)生1摩爾氧氣和2摩爾氫氣,于是可以推斷每2個(gè)水分子分解成1個(gè)氧分子和2個(gè)氫分子。在研究物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)如內(nèi)能、熵、焓時(shí),用摩爾來(lái)表示同樣非常直觀和方便。通過(guò)摩爾這個(gè)單位,可以很容易地把難以計(jì)量的微觀粒子與容易計(jì)量的宏觀物質(zhì)聯(lián)系在一起。

  摩爾作為一個(gè)國(guó)際單位制基本單位,怎樣才能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)呢?從理論上說(shuō),只要準(zhǔn)確數(shù)出12克12C所含的原子數(shù)量即可,然而目前的科學(xué)技術(shù)水平還遠(yuǎn)未達(dá)到。假設(shè)能夠把碳原子一個(gè)一個(gè)地分離出來(lái),即使通過(guò)每秒一萬(wàn)億次的計(jì)數(shù)器,也要用一萬(wàn)九千年才能數(shù)完這么多的原子。但是科學(xué)家可以利用其他的物理、化學(xué)方法比較準(zhǔn)確地測(cè)出阿伏伽德羅常數(shù),例如通過(guò)x射線衍射測(cè)定硅單晶的密度等方法。隨著科學(xué)的進(jìn)步和測(cè)量技術(shù)的提高,阿伏伽德羅常數(shù)正在被不斷修正,目前國(guó)際上由CODATA推薦的值為6.0221367?1023。準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)摩爾量值正是計(jì)量學(xué)家和其他科學(xué)家們追求的目標(biāo)。

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