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摩爾——表示物質(zhì)微觀粒子數(shù)量的單位
在現(xiàn)實生活中,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描述。例如在商店里,香煙是以“盒”來計算的,二十支為一盒。古時候人們把一千個銅錢用繩子串起來叫“貫”,當(dāng)錢數(shù)比較多時就用“貫”來計算。
在天文學(xué)中表示恒星間的距離時,通常用“光年”來表示距離。因為在宇宙空間,恒星間的距離太遙遠(yuǎn)了,即使以每秒30萬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。
對于微觀世界的原子、分子等粒子,我們當(dāng)然無法一個一個地數(shù),更不可能稱出單個原子的重量。因為原子實在太小了,假設(shè)把一萬億個碳原子放在一起,也只有1.2皮克(pg),用世界上最準(zhǔn)確的天平也稱不出來。為了深入研究分子間的反應(yīng)機理,又需要測定和計算反應(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。這一論點后來被證明在早期的原子量和分子量測定中非常有用,并且因此引出了“摩爾”這個概念。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,就開始使用摩爾這個單位。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。用摩爾為單位來計算化學(xué)反應(yīng)的分子數(shù)量非常方便,單個原子不能稱量,而一摩爾原子就可以很容易地用普通天平稱量出來。
盡管科學(xué)家們很早就開始使用“摩爾”,但是對這個單位的認(rèn)識卻有所不同,直到1971年第十四屆國際計量大會(CGPM)才正式?jīng)Q定將摩爾(mole)列為國際單位制(SI)中七個基本單位之一,并對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,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。”
這個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。摩爾這個單位中包含了一個非常巨大的數(shù)字,12克12C的原子有多少呢?經(jīng)實驗測定大約是6.022×1023個,這個數(shù)字也被稱為阿伏伽德羅常數(shù)。例如,一摩爾氧分子實際上表示的是6.022×1023個氧分子。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。2012年注冊計量師考試
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?因為相對原子質(zhì)量是以12C為標(biāo)準(zhǔn)的,國際上把相對原子質(zhì)量(以下簡稱原子量)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)量用克來表示時,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,一摩爾原子與單個原子質(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)確地使用摩爾這個單位。只要準(zhǔn)確測出某種物質(zhì)的原子或分子與12C原子間的相對質(zhì)量比值,就可以準(zhǔn)確得到該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量,因為原子之間的相對質(zhì)量比值可以比較準(zhǔn)確地用現(xiàn)代測量方法(如質(zhì)譜分析等方法)求得。
用摩爾為單位來研究原子、分子等微觀粒子非常方便。例如研究水的電解時,實驗結(jié)果證實每分解2摩爾水,就會產(chǎn)生1摩爾氧氣和2摩爾氫氣,于是可以推斷每2個水分子分解成1個氧分子和2個氫分子。在研究物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)如內(nèi)能、熵、焓時,用摩爾來表示同樣非常直觀和方便。通過摩爾這個單位,可以很容易地把難以計量的微觀粒子與容易計量的宏觀物質(zhì)聯(lián)系在一起。
摩爾作為一個國際單位制基本單位,怎樣才能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)呢?從理論上說,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)能夠把碳原子一個一個地分離出來,即使通過每秒一萬億次的計數(shù)器,也要用一萬九千年才能數(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)確地測出阿伏伽德羅常數(shù),例如通過x射線衍射測定硅單晶的密度等方法。隨著科學(xué)的進步和測量技術(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)摩爾量值正是計量學(xué)家和其他科學(xué)家們追求的目標(biāo)。
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