摩尔的定义
摩尔,国际单位制中物质的量单位,符号mol。1摩尔精确包含6.022 140 76×1023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。
一个系统的物质的量,符号n,是该系统包含的特定基本单元数的量度。基本单元可以是原子、分子、离子、电子、其它任意粒子或粒子的特定组合。
摩尔定义的变迁
摩尔的产生源自近代化学和物理科学研究实践,其含义和内容随着科学的发展而不断完善,应用价值随着科学技术发展而不断扩大和提高。
1811年,意大利化学家A·阿伏伽德罗发现在相同温度和压力下,相同体积的气体含有相同的分子数,与分子种类无关,即阿伏伽德罗定律。在此基础上,人们将标准状态(273 K,101.3 kPa)下,22.4L理想气体所含有的分子数目定义为阿伏伽德罗常数。十八世纪末,随着阿伏伽德罗分子学说被普遍接受和认可,德国物理化学家Nernst和Ostwald分别在编著的教科书中使用了克分子(g-molecule), Mol作为克分子的缩写很快在科学研究中得到了广泛的应用。在摩尔成为国际单位制前, 克分子、克原子、克当量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。1860年比利时化学家Stas用氧原子质量的1/16作为标准并沿用了一个世纪。1929年,质谱分析发现了天然氧元素含有三种同位素16O、17O、18O。于是,物理学家将16O的原子量定义为16,而化学家由于原子量表的测定及使用的连贯性和一致性,仍然将氧元素的原子量定义为16。这样的结果使得科学界在很长一段时间内一直使用两套原子量数据,并造成两者存在10-4量级的差异。为了结束这种奇怪现象,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)在1959至1960年达成了共识,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,由此消除了物理学家和化学家在原子量认知上的分歧。
与此同时,鉴于科学界对于一个描述含有特定粒子数目实体的统一量和单位的诉求及实践,1971年第十四届国际计量大会通过决议,“物质的量”(amount of substance)成为了国际单位制的一个基本物理量,摩尔是物质的量的基本单位,定义为:摩尔是一系统的物质的量,该系统中所包含基本单元数与0.012kg碳-12的原子数目相等。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。0.012kg碳-12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。由此,化学测量有了特有的国际基本单位,摩尔成为把微观粒子与宏观物质联系起来的桥梁,并建立起与其他基本单位之间的定量关系,极大的促进了化学学科的发展,广泛用于化学、生物等基础科学研究与分析测试,以及化工、医药等多个行业的生产实践活动。
在1971年的摩尔定义中,摩尔的定义与质量单位千克直接关联,其质量由保存在国际计量局的千克原器实物基准复现。但是,实物千克基准的量值随时间、地点等外部条件的改变而不断发生变化。21世纪以来,测量技术有了飞跃发展,测量不确定度水平的提高使宏观与微观质量之间的相互影响逐渐显现出来,质量单位千克原器的不确定性影响了摩尔的不确定度,原有的定义已经不能满足精确测量的要求。因此,2005年国际计量委员会提出了重新定义包括摩尔在内的SI基本单位的建议,将SI单位直接定义在基本物理常数上。
2018年第26届国际计量大会通过了修订国际单位制的决议,摩尔的定义被诠释为:1摩尔准确包含6.022 140 76 × 1023个基本单元。当用单位mol-1表达时,这个数是阿伏伽德罗常数常数的固定数值NA,也称阿伏伽德罗数值。新定义中替换了旧定义的“基本单元数与0.012Kg 碳-12原子数目相等”。由此,物质的量测量从质量溯源转变为粒子数量溯源,不再依赖质量单位“千克”而独立存在,摩尔的定义回归由阿伏伽德罗定律揭示的科学内涵。