化学和物理的纠缠，微观与宏观的桥梁，物质的量和摩尔的前世今生

#化学 3 个 #物理 4 个 #微观 1 个

所谓前沿科技，往小了说就是粒子，往大了说就是天文；天文过于遥远，但粒子就在我们身边。

微观小世界

微观粒子直到今天，到底长成什么样，见识过它庐山真面目的吃瓜群众都还是少数，但同学们都能对它的存在深信不疑，这还得多亏了两个物理概念——物质的量以及摩尔。

听到专业物理概念就懵的同学，别慌，我来讲一个故事吧。

拓展现代原子论的道尔顿

量子论的大佬泡利曾说过，现代物理学，若只用一句话概括，那一定首推“物质是由原子构成的”。这个观点一点都不现代，最早可以追溯到古希腊时期的留基伯，他认为世界上所有物质都是由一种原子构成的——这就是古典的原子论。

年轻时候的泡利

道尔顿继承和发展了原子论学说，说起道尔顿，当然不是魔性洗脑神曲中的“蓝脸的窦尔敦盗御马，红脸的关公战长沙”。此窦非彼道啊，同学。道尔顿是英国的化学家、物理学家，妥妥的科学界大佬。

道尔顿首创把原子论和元素说结合在一起，他认为自然界中元素有很多种，自然组成物质的原子也有很多种，这是现代原子论和古典原子论最大的区别。

我就是道尔顿本人

科学讲究的是眼见为实耳听为虚，没证据，那就是瞎扯淡，无论是在2019年的今天还是道尔顿提出原子论的1803年都一样。道尔顿决定以理服人，他面临两个艰难的选择——要么测量出原子的大小，要么测量出原子的质量。

道尔顿无法穿越到现代弄来电子显微镜，让大家直接观测到原子这条路被堵死；他决定从质量入手试试运气，从结果看，道尔顿的运气不差。一个人类从未踏足的世界，就此被他亲手打开。

微观领域中，化学家一直领先

物理学一直号称自然科学领域中的皇冠，但是在探索微观粒子世界的前一百年，领先的其实是化学。

道尔顿本人就是一个出色的化学家。他研究了氢气和氧气燃烧生成水这个普通的化学反应，通过定量分析，道尔顿发现了一个重要的规律——物质反应的质量是按照一定的比例来进行的。

微观操作示意图

道尔顿虽然没有办法单独测量出一个原子的质量，但是根据氢气、氧气燃烧生成水反应的物质质量比例，加上大胆猜测的反应模型，道尔顿上了第一个实锤——推断出一个氧原子的质量是一个氢原子质量的8倍！

道尔顿这一通玩火操作，侧面透露了一个的事实——原子的确有很多种，而且不同原子它的质量是不同的！

道尔顿把一个氢原子的质量定义为单位1，顺理成章，氧原子就是8。这个数值，就是相对原子质量，也就是今天我们统称的原子量。

微观粒子模型示意图

道尔顿同学乘胜追击，他通过其他化学反应去推算其他原子的原子量，最终交出了第一份原子量表，这实在是一个了不起的成就。

但是道尔顿同学的运气不佳，他仅仅猜对了开头，结尾却是一场悲剧。

贝采里乌斯的修正

道尔顿开了个好头，把通向微观的道路铺设完毕，大家可以试着走走了。

但是他自己千辛万苦的计算成果，却是一个天大的错误。因为他一开始就把水的分子式猜错了，他认为氢氧是一一对应反应的，简单的说，水在他眼里是HO，而不是H2O！

发现这个错误的并且给予修正的人，是瑞典伯爵贝采里乌斯，现代化学命名体系的建立者，同样是一个伟大的化学家。

贝采里乌斯

贝采里乌斯发现了正确的氧和氢反应比例——16：1，也就是水是H2O。他又用了近20年时间，测量了近2千种化合反应，给出了人类历史上第一个较为精确的相对原子质量表。

贝采里乌斯对氧原子情有独钟，他规定氧原子为基准，其质量为100，按此计算，氢原子的相对质量被修正为6.25。其他的各个元素，也在这个基础上拥有了新的原子量。贝采里乌斯的原子量表，获得大家的认可，并且在历史上使用了整整40年。

氧原子示意图

同学们请注意了，贝采里乌斯的体系中，氧原子的原子量是整个元素原子量的核心，好比物质质量中的国际千克原器，其他所有元素的原子量的精度，都必须依赖氧原子本身的精确度存在。

正如质量和千克后来多变坎坷的命运，物质的量和相对原子量的定义，注定也会迎来一场意想不到的风暴。

阿斯顿质谱仪带来的乌云

随着化学的发展，涉及到的计算日益增多，1860年左右，科学家决定放弃贝采里乌斯的原子量表，无他，计算太过麻烦。

化学大佬斯塔斯提议，重新将氧原子相对质量改回16，这样氢就近似于1，相对计算能够极大的简便，没人喜欢繁琐，大家很快接受了新的体系，开始愉快的玩耍。但真正的对原子量造成冲击的发明，马上就要到来。

引发科学界振荡的发明是——英国物理学家阿斯顿获得1922年诺贝尔奖的——质谱仪。

质谱仪是一个好工具，它可以使带电粒子在电磁场中偏转，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成。

困惑

简单的说，虽然还是看不清粒子长啥样，但它可以帮助科学家检测不同的粒子。

阿斯顿收获了诺贝尔奖，其他的科学家们却头大了。因为随之而来的，大家发现了同位素。自然界中稳定的氧同位素中，氧-16的丰度是99.757%，氧-17和氧-18大约在0.238%左右。

同位素占比虽不高，但情况相当复杂，氧原子同位素稳定存在的就有仨，带放射性的更达到14种之多。简单的说，好比用作锁定质量的国际千克原器，一下子进行了分裂，化身成17个，每个质量都不一样！这简直就是一场灾难啊。

维系整个原子相对质量准确度的基石不再稳固，其余的原子量精度如何保证？

物理学家和化学家都很头疼。

摆平物理学家与化学家的马陶赫

质谱仪面世，同位素出场，物理学家和化学家友谊的小船说翻就翻了，长达二十年的原子量定义之争开始了。

物理学家认为应该以氧-16为基准，其他元素则按照丰度取加权平均数即可。化学家认为应该直接取氧元素按照丰度取加权平均后的相对质量数为氧原子的相对质量，然后在按此分别计算其他元素的原子量。简单的说，科学界出现了两个原子量，分别是：物理原子量=1.000275化学原子量。谁都不服谁，这对科学界是一个灾难。

马陶赫以一人之力，解决了这个问题。

碳元素结构

马陶赫解决的方法相当的有智慧，他提出用碳12原子的1/12取代氧原子，作为原子量的基本单位。

这一招绝了！碳12绝对是一个理想的存在。

首先碳12无论自身性质还是丰度，都很稳定。简直就是为物理学家量身定做的材料。

同时，以碳12为基准的原子量计算，氧元素的原子量最接近于之前的数值，另外其他元素的原子量，都特别接近于整数，简单的说，化学家也无可无缝连接。

皆大欢喜，1960年，马陶赫的方案获得国际认可，并且一直沿用至今。

今天我们对原子量基准的定义——静止未键结且处于基态的碳12原子质量的1/12为1个相对原子量单位。单位称作1U或者1Da（道尔顿）。

达成共识的物理学家和化学家

这个定义的逻辑依然延续了马陶赫的方法，只是比马陶赫时代更加精确，本质上并没有变化。啥也不说了，再次感谢马陶赫吧。

连接宏观与微观的桥梁

道尔顿提出的相对原子质量，宏观和微观之间，架起了一座桥梁。

根据定义，以碳12原子的1/12为单位1，我们只要测量出，1g碳12中包含了多少个碳12原子，顺利成章，其他元素的原子个数，就呼之欲出了。

我们再进一步假设1g碳12包含m个碳原子，一个碳12原子的真实质量应该就是1/m，单位是g。按照相对原子质量的定义，我们规定了碳12原子的1/12为1u，也就是1u等于1/m再除以12。

简单的说，我们只要明确12g碳12所包含的原子个数，把这个数设为m，那按照定义1u就等于1/m了。这个m，就是大名鼎鼎的阿伏伽德罗常数，记为NA。

阿伏伽德罗

阿伏伽德罗常数就表示12g碳原子所包含的原子个数，我们只要知道了阿伏伽德罗常数是多少，我就能够知道1个碳12原子的真实质量了。知道碳12原子的真实质量之后，那么根据相对原子质量表，所有原子的真实质量就唾手可得了，而“阿伏伽德罗常数个”就此成为物质的量的单位。

有了道尔顿的原子量铺路，结合阿伏伽德罗常数的数值，我们可以确信，宏观和微观的次元壁就此被打破。

姗姗来迟的基本单位——摩尔

原理和模型都没问题，科学家们开心的玩耍了一段时间后，又开始摇头了，因为每次计算，的单位，用“阿伏伽德罗常数个”表示，过于抽象繁琐，明显不如其他的单位简洁，例如一“把”、一“堆”之类，朗朗上口简单易记。

物理大佬让佩兰表示，不如叫“克分子”、“克原子”吧，于是大家愉快的接收了。

但很快，又有反对意见诞生，这次是化学界大佬奥斯特瓦尔德，他创建了一个词，取分子molecule这个词的前三位mol，用1mol来取代“1克分子”，当然后来也不再区分原子和分子，都演变成了mole，这个词就是我们今天的国际7个基本单位之一“摩尔”！

国际单位制7种基本单位示意图

2018年11月16日，国际计量大会通过决议，1摩尔将定义为“精确包含6.02214076×10²³个原子或分子等基本单元的系统的物质的量”。与此同时修改了阿伏伽德罗常数为6.02214076×10²³。

结语

1971年，物质的量被加入国际单位制基本物理量当中，同时摩尔也成为了物质的量的基本单位。

科学家还进一步规定，物质的量，可以用来度量所有的粒子，包含分子、原子、电子等等。

具体应用示意图

阿伏伽德罗常数不仅能表示原子，还应用在电、热、光等一切领域，表示宏观与微观的换算。

前人的智慧结合现代显微镜技术的进步，特别是电子显微镜的发明，人类终于可以进入到曾经梦想而不可得的微观世界。

努力吧，少年，科学之路永无止境。

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