國家標(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描述。例如在商店里，香煙是以“盒”來計(jì)算的，二十支為一盒。古時(shí)候人們把一千個(gè)銅錢用繩子串起來叫“貫”，當(dāng)錢數(shù)比較多時(shí)就用“貫”來計(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(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。為了深入研究分子間的反應(yīng)機(jī)理，又需要測定和計(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(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。

　　盡管科學(xué)家們很早就開始使用“摩爾”，但是對這個(gè)單位的認(rèn)識卻有所不同，直到1971年第十四屆國際計(jì)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(gè)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(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。”

　　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υ淤|(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(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，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?yàn)樵又g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(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)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(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)，用摩爾來表示同樣非常直觀和方便。通過摩爾這個(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(gè)一個(gè)地分離出來，即使通過每秒一萬億次的計(jì)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(jìn)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(jì)量學(xué)家和其他科學(xué)家們追求的目標(biāo)。