摩爾(英文名稱:Mole)現時定義為國際單位制中物質的量單位,簡稱摩,符號為mol,1摩爾精確包含6.02214076×1023個基本單元。該數稱為阿伏伽德羅數,以單位mol–1表示的阿伏伽德羅常數NA的固定數值。是moles的譯音詞,起源于希臘文,原意為堆量,最早是在1900年由德國化學家威廉·奧斯瓦爾德(Ostwald)提出用來代替克分子量、克原子量的。1971年,第14屆國際計量大會(CGPM)通過決議將摩爾定為第7個國際單位制基本單位,作為物質的量的單位使用,用來計算粒子的數量、物質的質量、氣體的體積、溶液的濃度、反應過程的熱量變化等。
發展歷史
德國物理及化學家威廉·威廉·奧斯特瓦爾德(Ostwald)首次提出使用“摩爾”來代替“克分子量”。10月23日屬于世界“摩爾日”,是為了紀念當年的意大利化學家阿莫迪歐·阿伏伽德羅。摩爾日由國家摩爾日基金會組織,以促進人們對化學的意識及熱情。摩爾日的慶祝活動從10月23日早晨6:02開始。這是因為在美式英語中,這一天的表示方法為6:0210/23,這與阿伏伽德羅常量1摩爾中的微粒數6.02×1023有些相似。
萌芽期
1805年,英國物理及化學家約翰·道爾頓(Dalton)提出近代原子學說。1808年道爾頓將氫的相對重量定為1。1809年,法國化學及物理學家約瑟夫·路易·蓋-呂薩克(Gay-Lussac)提出蓋·呂薩克定律。1811年,阿莫迪歐·阿伏伽德羅提出分子學說,并計算出氧的相對原子量為16。
確立期
1860年,在德國卡爾斯魯厄舉行的第1次化學家國際會議將原子與分子的概念、原子量與當量、雙原子O2中O原子質量的1/16為單位原子量等問題達成了一致。1881年,德國物理學家霍特斯曼(Horstmann)引入克分子量等概念。1900年,德國物理及化學家威廉·威廉·奧斯特瓦爾德(Ostwald)提出使用“摩爾”來代替“克分子量”,將摩爾定義為:在正常情況下,22414毫升任何氣體分子的數量為1摩爾。
成熟期
1908年,法國物理學家讓·佩蘭(Perrin)首次將正常情況下1克分子量體積中的分子數定為1阿莫迪歐·阿伏伽德羅數,用來紀念阿伏伽德羅的貢獻。1960年國際純粹與應用物理聯合會(IUPAP)和國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)就相對原子量的統一標準達成一致,同意將12C的原子量確定為12個單位,通過該標準可計算其他原子量。在1968年國際計量委員會(CIPM)會議的建議下,1971年國際計量大會(CGPM)通過決議同意將摩爾納入國際基本單位。1980年將12C限定為基態、未成鍵狀態。2018年11月的國際計量大會(CGPM)更改摩爾的定義,將其直接定義為確定的量綱,不再依靠物質的質量而存在。
定義變遷
在摩爾成為國際單位制前,"克原子""克分子"等普遍用作表征化學元素或化合物的量單位。這些單位與原子量或分子量有直接聯系,而原子量或分子量實際上是指相對質量。此后科學家把天然氧16O的原子量定義為16。
1960年國際純粹與應用物理聯合會和國際純粹與應用化學聯合會就相對原子量的統一標準尺度達成一致,將12C的相對原子量定義為12,基于該統一標度給出其他的相對原子質量和相對分子質量,也可以將其稱為原子量和分子量。
1971年第14屆國際計量大會(CGPM)通過決議,以摩爾為物質的量單位,其定義如下:摩爾是一系統的物質的量,該系統中所包含的基本單元數與0.012千克12C原子數目相等。在使用摩爾時,基本單元應予指明,可以是分子、原子、離子、電子及其他粒子,或是這些粒子的特定組合。0.012kg12C中所含碳原子的數目以阿伏伽德羅命名,用符號NA表示,非常接近6.022×1023。該定義表明摩爾與質量的國際單位千克直接相關,質量由保存在國際計量局的千克原器實物基準復現。
2018年11月16日,第26屆國際計量大會(CGPM)在法國巴黎召開。會議確定自2019年5月20日起,摩爾的定義為:摩爾,國際單位制中物質的量單位,符號mol。1摩爾精確包含6.02214076×1023個基本單元。該數稱為阿伏伽德羅數,為以單位mol-1表示的阿伏伽德羅常數NA的固定數值。在使用摩爾時基本單元應予以指明,可以是原子、分子、離子、電子及其他粒子,或是這些粒子的特定組合。
應用
摩爾作為物質的量的單位使用,可以用來計算粒子的數量、物質的質量、氣體的體積、溶液的濃度、反應過程的熱量變化等。
重新定義的意義
摩爾的重新定義的最大意義在于,不管是在地球的任何角落還是在地外某個星球上,對于某個特定物質所獲得的物質的量將完全一致。代表著不再通過質量單位千克實現,而是直接與阿伏伽德羅常數相關聯,真正實現了將基本單位定義到基本物理常數上。并且新定義帶來的不確定度并不會實質性改變摩爾質量的數值,在目前的測量水平下,摩爾的重新定義并不會對當前的化學分析帶來真正的影響。
有關摩爾作為單位的爭議
自1971年摩爾成為國際單位制中的單位,對此存在許多爭議:
①物質所含分子的數量是無量綱量,可以單純用數字來表示,不需要再設一個單位。
②單位摩爾和分析化學沒有什么關系,而且在某方面會增加一些其實可以避免的費用。
③摩爾不是可以真正測量的單位,算是一個參數性的單位,并且物質的量本身也是參數性的量。
起初摩爾的概念是等于克分子量,后來曾被理解為是質量一類的量。比如1摩爾的氧氣為32g。不論哪一種分子,只要是1摩爾,其分子數都相同,故對摩爾有第二種理解,它表示的是某個數目,盡管這個數很大,總之還是一個數,稱之為分子數或粒子數。但是以上的兩種理解也都有學者反對,認為摩爾所表達的既不是質量一類的量,也不是數量,而應是具有獨立量綱的物理量。即不能從其它基本量導出的一個量。這三種不同意見在學術界爭論了很久,直到1971年國際計量大會(CGPM)通過決議同意將摩爾納入國際基本單位,這些爭議才結束。
相關單位
摩爾為物質的量單位,物質的量是一個基本物理量,符號為n。物質的量是計量單位物質的微觀基本單元的物理量,被計量的物質微粒可以是分子、原子、離子、光子、電子等微觀粒子,也可以是某些微觀粒子的特定組合;當物質的微粒數或其特定組合數與0.012kg12C的原子數相等時,其物質的量為1mol。0.012kg12C的原子數叫作阿莫迪歐·阿伏伽德羅數。阿伏伽德羅數是個純粹數學,當阿伏伽德羅數以mol-1為單位時,稱為阿伏伽德羅常數,符號為NA或L。
摩爾質量
摩爾質量是指單位摩爾的物質所具有的質量,符號為M,國際制單位為千克mol-1。
例如:
O2的相對分子質量,Mr(O2)=32
1molO2的質量m(O2)=0.032kg
O2的摩爾質量M=m(O2)/n(O2)=0.032kg/1mol=32g·mol-1
摩爾體積
摩爾體積是指單位摩爾物質所具有的體積,符號為Vm,單位m3·mol-1或L·mol-1。如標準狀況(273.1k,101.325kPa)下理想氣體的摩爾體積為0.022414m3·mol-1=22.414L·mol-1≈22.4L·mol-1。摩爾體積的概念不限于氣體,固體和液體也都可以使用摩爾體積的概念。
物質的量濃度
物質的量濃度,在以前還稱“體積摩爾濃度”,指的是每升溶液中溶質B的物質的量,符號為c,單位為mol·L-1或mol·dm-3。
即:
例如,cNaCl=0.1mol·L-1,意思為每升溶液含0.1mol NaCl。
物質的量分數
物質的量分數又稱摩爾分數,在混合物中,組分物質的量與混合物物質的量之比,符號為x。若混合物由j種物質組成,則各組分的摩爾分數xj之和等于1。
即:
質量摩爾濃度
質量摩爾濃度,定義為每1kg溶劑中溶質的物質的量,符號為b,單位為mol·kg-1。
即:
其中,B是溶質,A是溶劑。例如,bNaCl=0.1mol·kg-1,意思為每1kg溶劑中含NaCl 0.1mol。
參考資料 >
物質的量(摩爾,mol).中華人民共和國香港特別行政區政府創新科技署.2023-04-07
摩爾(mol)- 物質的量單位.中國計量科學研究院.2023-04-07