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摩爾——表示物質微觀粒子數量的單位

在現實生活中，為了方便地表示數量很多的物體，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”，當錢數比較多時就用“貫”來計算。

在天文學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。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，我們當然無法一個一個地數，更不可能稱出單個原子的重量。因為原子實在太小了，假設把一萬億個碳原子放在一起，也只有1.2皮克（pg），用世界上最準確的天平也稱不出來。為了深入研究分子間的反應機理，又需要測定和計算反應前后分子的數量，怎樣才能比較方便地表示它們的個數呢？

意大利科學家阿伏伽德羅早在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。為了方便地表示數量非常巨大的微觀粒子，科學家在分子水平上研究物質的物理化學性質時，就開始使用摩爾這個單位。一摩爾氧氣在標準狀態下的體積接近22.4升，重36克。用摩爾為單位來計算化學反應的分子數量非常方便，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。

盡管科學家們很早就開始使用“摩爾”，但是對這個單位的認識卻有所不同，直到1971年第十四屆國際計量大會（CGPM）才正式決定將摩爾（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：“摩爾是一系統的物質的量（amount of substance），該系統中所包含的基本單元數與0.012千克碳-12的原子數目相等。使用摩爾時，基本單元應予指明，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）數量的一種單位，一摩爾微觀粒子在數量上等于12克12C（碳-12，碳的一種同位素）所含有的原子數目。

應該強調指出的是，摩爾不是表示質量的單位，而是表示物質所含有的某類微觀粒子數量的單位。摩爾這個單位中包含了一個非常巨大的數字，12克12C的原子有多少呢？經實驗測定大約是6.022×1023個，這個數字也被稱為阿伏伽德羅常數。例如，一摩爾氧分子實際上表示的是6.022×1023個氧分子。一摩爾的任何物質中所含的微觀粒子數量是相同的，例如一摩爾碳原子含有的原子數和一摩爾氧分子含有的分子數相同。2012年注冊計量師考試

為什么要把摩爾和12克12C所含的原子數量聯系在一起呢？因為相對原子質量是以12C為標準的，國際上把相對原子質量（以下簡稱原子量）單位定義為12C原子質量的1/12，即12C的原子量為12。這樣，一摩爾的原子或分子的質量用克來表示時，在數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量的比值就是阿伏伽德羅常數。例如，12C的原子量為12，一摩爾12C原子的質量為12克；氫原子的原子量為1，一摩爾氫原子的質量為1克。

這樣規定的方便之處是，知道了物質的原子量或分子量，就知道了一摩爾物質的質量。一摩爾物質的質量也稱為摩爾質量。盡管現在的科學水平還不能非常準確地測出12克12C所含的原子數量，但這并不妨礙我們準確地使用摩爾這個單位。只要準確測出某種物質的原子或分子與12C原子間的相對質量比值，就可以準確得到該物質的摩爾質量，因為原子之間的相對質量比值可以比較準確地用現代測量方法（如質譜分析等方法）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，實驗結果證實每分解2摩爾水，就會產生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。在研究物質的物理化學性質如內能、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聯系在一起。

摩爾作為一個國際單位制基本單位，怎樣才能準確復現呢？從理論上說，只要準確數出12克12C所含的原子數量即可，然而目前的科學技術水平還遠未達到。假設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器，也要用一萬九千年才能數完這么多的原子。但是科學家可以利用其他的物理、化學方法比較準確地測出阿伏伽德羅常數，例如通過x射線衍射測定硅單晶的密度等方法。隨著科學的進步和測量技術的提高，阿伏伽德羅常數正在被不斷修正，目前國際上由CODATA推薦的值為6.0221367×1023。準確復現摩爾量值正是計量學家和其他科學家們追求的目標。

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