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6.02214076×1023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NA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6.02×1023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O2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12C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12C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16O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12C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12C
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。0.012kg12C中所含碳原子的数目以阿伏伽德罗命名,用符号NA表示,非常接近6.022×1023。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6.02214076×1023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NA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0.012kg12C的
原子数相等时,其物质的量为1mol。0.012kg12C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:
O2的相对分子质量,Mr(O2)=32
1molO2的质量m(O2)=0.032kg
O2的摩尔质量M=m(O2)/n(O2)=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m3·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0.022414m3·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,cNaCl=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xj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,bNaCl=0.1mol·kg-1,意思为每1kg溶剂中含NaCl 0.1mol。