国家标准物质研究中心 陈大舟

　　在现实生活中，为了方便地表示数量很多的物体，人们可以使用不同单位来描述。例如在商店里，香烟是以“盒”来计算的，二十支为一盒。古时候人们把一千个铜钱用绳子串起来叫“贯”，当钱数比较多时就用“贯”来计算。

　　在天文学中表示恒星间的距离时，通常用“光年”来表示距离。因为在宇宙空间，恒星间的距离太遥远了，即使以每秒30万公里的光速至少也要花上千年才能到达。如果用“米”或“公里”，显然很不方便。

　　对于微观世界的原子、分子等粒子，我们当然无法一个一个地数，更不可能称出单个原子的重量。因为原子实在太小了，假设把一万亿个碳原子放在一起，也只有1.2皮克(pg)，用世界上最准确的天平也称不出来。为了深入研究分子间的反应机理，又需要测定和计算反应前后分子的数量，怎样才能比较方便地表示它们的个数呢？

　　意大利科学家阿伏伽德罗早在1811年就提出，在相同条件下，相同体积的气体含有同样数量的分子。这一论点后来被证明在早期的原子量和分子量测定中非常有用，并且因此引出了“摩尔”这个概念。为了方便地表示数量非常巨大的微观粒子，科学家在分子水平上研究物质的物理化学性质时，就开始使用摩尔这个单位。一摩尔氧气在标准状态下的体积接近22.4升，重36克。用摩尔为单位来计算化学反应的分子数量非常方便，单个原子不能称量，而一摩尔原子就可以很容易地用普通天平称量出来。

　　尽管科学家们很早就开始使用“摩尔”，但是对这个单位的认识却有所不同，直到1971年第十四届国际计量大会(CGPM)才正式决定将摩尔(mole)列为国际单位制(SI)中七个基本单位之一，并对摩尔明确地给予了如下定义:“摩尔是一系统的物质的量(amount of substance)，该系统中所包含的基本单元数与0.012千克碳-12的原子数目相等。使用摩尔时，基本单元应予指明，可以是原子、分子、离子、电子及其它粒子，或是这些粒子的特定组合。”

　　这个定义直接从翻译文字上看比较抽象，我们可以理解为:摩尔是表示在一个特定体系中某类微观粒子(原子、分子等)数量的一种单位，一摩尔微观粒子在数量上等于12克¹²C(碳-12，碳的一种同位素)所含有的原子数目。

　　应该强调指出的是，摩尔不是表示质量的单位，而是表示物质所含有的某类微观粒子数量的单位。摩尔这个单位中包含了一个非常巨大的数字，12克¹²C的原子有多少呢？经实验测定大约是6.022×1023个，这个数字也被称为阿伏伽德罗常数。例如，一摩尔氧分子实际上表示的是6.022×10²³个氧分子。一摩尔的任何物质中所含的微观粒子数量是相同的，例如一摩尔碳原子含有的原子数和一摩尔氧分子含有的分子数相同。

　　为什么要把摩尔和12克¹²C所含的原子数量联系在一起呢？因为相对原子质量是以¹²C为标准的，国际上把相对原子质量(以下简称原子量)单位定义为¹²C原子质量的1/12，即¹²C的原子量为12。这样，一摩尔的原子或分子的质量用克来表示时，在数值上刚好等于它们各自的原子量或分子量。也就是说，一摩尔原子与单个原子质量的比值就是阿伏伽德罗常数。例如，¹²C的原子量为12，一摩尔¹²C原子的质量为12克；氢原子的原子量为1，一摩尔氢原子的质量为1克。

　　这样规定的方便之处是，知道了物质的原子量或分子量，就知道了一摩尔物质的质量。一摩尔物质的质量也称为摩尔质量。尽管现在的科学水平还不能非常准确地测出12克¹²C所含的原子数量，但这并不妨碍我们准确地使用摩尔这个单位。只要准确测出某种物质的原子或分子与¹²C原子间的相对质量比值，就可以准确得到该物质的摩尔质量，因为原子之间的相对质量比值可以比较准确地用现代测量方法(如质谱分析等方法)求得。

　　用摩尔为单位来研究原子、分子等微观粒子非常方便。例如研究水的电解时，实验结果证实每分解2摩尔水，就会产生1摩尔氧气和2摩尔氢气，于是可以推断每2个水分子分解成1个氧分子和2个氢分子。在研究物质的物理化学性质如内能、熵、焓时，用摩尔来表示同样非常直观和方便。通过摩尔这个单位，可以很容易地把难以计量的微观粒子与容易计量的宏观物质联系在一起。

　　摩尔作为一个国际单位制基本单位，怎样才能准确复现呢？从理论上说，只要准确数出12克¹²C所含的原子数量即可，然而目前的科学技术水平还远未达到。假设能够把碳原子一个一个地分离出来，即使通过每秒一万亿次的计数器，也要用一万九千年才能数完这么多的原子。但是科学家可以利用其他的物理、化学方法比较准确地测出阿伏伽德罗常数，例如通过x射线衍射测定硅单晶的密度等方法。随着科学的进步和测量技术的提高，阿伏伽德罗常数正在被不断修正，目前国际上由CODATA推荐的值为6.0221367×10²³。准确复现摩尔量值正是计量学家和其他科学家们追求的目标。