摩尔

物质的量单位

摩尔(英文名称:Mole)现时定义为 国际单位制 中物质的量单位,简称摩,符号为mol,1摩尔精确包含6.02214076×10 23 个基本单元。该数称为 阿伏伽德罗 数,以单位mol –1 表示的阿伏伽德罗 常数 N A 的固定数值。是moles的译音词,起源于希腊文,原意为堆量,最早是在1900年由 德国 化学家威廉·奥斯瓦尔德( Ostwald )提出用来代替克分子量、克原子量的。1971年,第14届国际计量大会(CGPM)通过决议将摩尔定为第7个国际单位制基本单位,作为物质的量的单位使用,用来计算粒子的数量、物质的质量、气体的体积、溶液的浓度、反应过程的热量变化等。

发展历史

德国物理及化学家威廉· 威廉·奥斯特瓦尔德 (Ostwald)首次提出使用“摩尔”来代替“克分子量”。 10月23日属于世界“摩尔日”,是为了纪念当年的 意大利 化学家 阿莫迪欧·阿伏伽德罗 。 摩尔日由国家摩尔日基金会组织,以促进人们对 化学 的意识及热情。 摩尔日的庆祝活动从10月23日早晨6:02开始。这是因为在美式 英语 中,这一天的表示方法为6:0210/23,这与阿伏伽德罗常量1摩尔中的微粒数6.02×10 23 有些相似。

萌芽期

1805年, 英国 物理及化学家 约翰·道尔顿 (Dalton)提出近代原子学说。1808年道尔顿将氢的相对重量定为1。1809年, 法国 化学及物理学家 约瑟夫·路易·盖-吕萨克 (Gay-Lussac)提出盖·吕萨克定律。1811年, 阿莫迪欧·阿伏伽德罗 提出分子学说,并计算出氧的相对原子量为16。

确立期

1860年,在德国 卡尔斯鲁厄 举行的第1次化学家国际会议将 原子 与分子的概念、原子量与当量、双原子O 2 中O原子质量的1/16为单位原子量等问题达成了一致。1881年, 德国 物理学家霍特斯曼(Horstmann)引入克分子量等概念。1900年,德国物理及化学家威廉· 威廉·奥斯特瓦尔德 ( Ostwald )提出使用“摩尔”来代替“克分子量”,将摩尔定义为:在正常情况下,22414毫升任何气体分子的数量为1摩尔。

成熟期

1908年, 法国 物理学家 让·佩兰 (Perrin)首次将正常情况下1克分子量体积中的分子数定为1 阿莫迪欧·阿伏伽德罗 数 ,用来纪念阿伏伽德罗的贡献。1960年国际纯粹与应用物理联合会(IUPAP)和 国际纯粹与应用化学联合会 (IUPAC)就相对原子量的统一标准达成一致,同意将 12 C的原子量确定为12个单位,通过该标准可计算其他原子量。 在1968年 国际计量委员会 (CIPM)会议的建议下,1971年国际计量大会(CGPM)通过决议同意将摩尔纳入国际基本单位。1980年将 12 C限定为 基态 、未成键状态。2018年11月的国际计量大会(CGPM)更改摩尔的定义,将其直接定义为确定的 量纲 ,不再依靠物质的质量而存在。

定义变迁

在摩尔成为 国际单位制 前," 克 原子 "" 克分子 "等普遍用作 表征 化学元素 或化合物的量单位。这些单位与原子量或分子量有直接联系,而原子量或分子量实际上是指相对质量。此后科学家把天然 氧 16 O的原子量定义为16。

1960年国际纯粹与应用物理联合会和 国际纯粹与应用化学联合会 就相对原子量的统一标准尺度达成一致,将 12 C的相对原子量定义为12,基于该统一标度给出其他的 相对原子质量 和相对分子质量,也可以将其称为原子量和分子量。

1971年第14届国际计量大会(CGPM)通过决议,以摩尔为物质的量单位,其定义如下:摩尔是一系统的物质的量,该系统中所包含的 基本单元数 与0.012 千克 12 C 原子 数目 相等 。在使用摩尔时,基本单元应予指明,可以是分子、原子、离子、 电子 及其他粒子,或是这些粒子的特定组合。0.012kg 12 C中所含 碳原子 的数目以 阿伏伽德罗 命名,用符号N A 表示,非常接近6.022×10 23 。该定义表明摩尔与质量的国际单位千克直接相关,质量由保存在 国际计量局 的千克原器实物基准复现。

2018年11月16日,第26届国际计量大会(CGPM)在法国巴黎召开。会议确定自2019年5月20日起,摩尔的定义为:摩尔, 国际单位制 中物质的量单位,符号mol。1摩尔精确包含6.02214076×10 23 个基本单元。该数称为阿伏伽德罗数,为以单位mol -1 表示的阿伏伽德罗 常数 N A 的固定数值。在使用摩尔时基本单元应予以指明,可以是 原子 、分子、离子、 电子 及其他粒子,或是这些粒子的特定组合。

应用

摩尔作为物质的量的单位使用,可以用来计算粒子的数量、物质的质量、气体的体积、溶液的浓度、反应过程的热量变化等。

重新定义的意义

摩尔的重新定义的最大意义在于,不管是在 地球 的任何角落还是在地外某个星球上,对于某个特定物质所获得的物质的量将完全一致。代表着不再通过质量单位 千克 实现,而是直接与 阿伏伽德罗 常数 相关联,真正实现了将基本单位定义到基本物理常数上。并且新定义带来的不确定度并不会实质性改变 摩尔质量 的数值,在目前的测量水平下,摩尔的重新定义并不会对当前的 化学 分析带来真正的影响。

有关摩尔作为单位的争议

自1971年摩尔成为 国际单位制 中的单位,对此存在许多争议:

①物质所含分子的数量是 无量纲量 ,可以单纯用数字来表示,不需要再设一个单位。

②单位摩尔和 分析化学 没有什么关系,而且在某方面会增加一些其实可以避免的费用。

③摩尔不是可以真正测量的单位,算是一个参数性的单位,并且物质的量本身也是参数性的量。

起初摩尔的概念是等于克分子量,后来曾被理解为是质量一类的量。比如1摩尔的 氧气 为32g。不论哪一种分子,只要是1摩尔,其分子数都相同,故对摩尔有第二种理解,它表示的是某个数目,尽管这个数很大,总之还是一个数,称之为分子数或 粒子数 。但是以上的两种理解也都有学者反对,认为摩尔所表达的既不是质量一类的量,也不是数量,而 应是 具有独立 量纲 的 物理量 。即不能从其它基本量导出的一个量。这三种不同意见在学术界争论了很久,直到1971年国际计量大会(CGPM)通过决议同意将摩尔纳入国际基本单位,这些争议才结束。

相关单位

摩尔为物质的量单位,物质的量是一个基本物理量,符号为n。物质的量是 计量单位 物质的 微观 基本单元的物理量,被计量的物质微粒可以是分子、 原子 、离子、 光子 、 电子 等微观粒子,也可以是某些微观粒子的特定组合;当物质的微粒数或其特定组合数与0.012kg 12 C的 原子数 相等 时,其物质的量为1mol。0.012kg 12 C的原子数叫作 阿莫迪欧·阿伏伽德罗 数。阿伏伽德罗数是个 纯粹数学 ,当阿伏伽德罗数以mol -1 为单位时,称为阿伏伽德罗 常数 ,符号为NA或L。

摩尔质量

摩尔质量 是指单位摩尔的物质所具有的质量,符号为 M ,国际制单位为 千克 mol -1 。

例如:

O 2 的相对分子质量, M r (O 2 )=32

1molO 2 的质量 m(O 2 )=0.032kg

O 2 的摩尔质量 M=m(O 2 )/n(O 2 )=0.032kg/1mol=32g·mol -1

摩尔体积

摩尔体积是指单位摩尔物质所具有的体积,符号为 Vm ,单位m 3 ·mol -1 或L·mol -1 。如 标准状况 (273.1k,101.325kPa)下 理想气体 的摩尔体积为0.022414m 3 ·mol-1=22.414L·mol -1 ≈22.4L·mol -1 。摩尔体积的概念不限于气体,固体和液体也都可以使用摩尔体积的概念。

物质的量浓度

物质的量浓度,在以前还称“体积摩尔浓度”,指的是每升溶液中 溶质 B的物质的量,符号为 c ,单位为mol·L -1 或mol·dm -3 。

即:

例如, c NaCl =0.1mol·L -1 ,意思为每升溶液含0.1mol NaCl 。

物质的量分数

物质的量分数又称 摩尔分数 ,在 混合物 中,组分物质的量与混合物物质的量之比,符号为 x 。若混合物由j种物质组成,则各组分的摩尔分数x j 之和等于1。

即:

质量摩尔浓度

质量摩尔浓度,定义为每1kg 溶剂 中 溶质 的物质的量,符号为 b ,单位为mol·kg -1 。

即:

其中,B是溶质,A是溶剂。例如, b NaCl =0.1mol·kg -1 ,意思为每1kg溶剂中含 NaCl 0.1mol。

参考资料

  1. 物质的量(摩尔,mol) 中华人民共和国香港特别行政区政府创新科技署 2023-04-07
  2. 摩尔(mol)- 物质的量单位 中国计量科学研究院 2023-04-07