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裡面有多少?莫耳濃度、重量莫耳濃度與莫耳分數

「濃」和「淡」對科學來說太含糊了。認識化學家計量「溶解了多少」的三種誠實方法——學會該用哪一種,以及為什麼其中一種會在升溫時悄悄背叛你。

為什麼一個數字不夠用

回想一下,濃度回答的是「一定量溶液裡有多少溶質」。夠簡單了——只是,「多少」是指什麼的多少?「一定量」又是怎麼計量的?你可以按質量數,可以按體積數,也可以按粒子數目數。每一種選擇都給出一個不同卻完全正確的數字。這正是化學家把好幾種濃度量並排放在一起的原因,也是你該弄清誰是誰的原因。

還有一個轉折。對化學來說,數粒子遠比其他方式有用,因為反應是一個粒子接一個粒子地發生的——可粒子小得無法想像、又多得荒謬。於是化學家用一種叫「莫耳」的大包裝來成批地數它們,我們接下來就會認識它。

莫耳:像論打一樣數,只是更大

一打就是十二,不管是雞蛋還是星星。莫耳就是化學家的「打」:一個固定的、非常大的粒子計數——大約六千零二億億億個,這個數叫做亞佛加厥常數。我們用這麼巨大的一包,是因為真實的化學要應對多到無法想像的原子,而說「一莫耳水」遠比說「六千零二萬億億個分子」容易得多。

莫耳濃度:每升溶液裡的莫耳數

日常的主力是莫耳濃度每升溶液中溶質的莫耳數。標著「1莫耳每升」(寫作1 M)的溶液,每升最終液體裡含有一莫耳溶質。它之所以是實驗室的最愛,是因為升很好量——你把溶液倒進有刻度的容量瓶、加到那條線為止,就完成了。

  1. 決定你想要多少莫耳溶質——比如說,0.5莫耳的鹽。
  2. 用秤稱出那個量,把它加進容量瓶裡。
  3. 加入溶劑,直到體積達到一升——注意不是一升水,而是一升做好的溶液。
  4. 你現在有了一份0.5 M的溶液:每升0.5莫耳。

但莫耳濃度藏著一個缺陷。液體受熱會膨脹、受冷會收縮——所以同一瓶溶液在炎熱的一天裡會比寒冷的一天更稀,因為它的「升」變大了。在溫度會變化的精細工作裡,溫度帶來的這種搖擺是個實實在在的麻煩。

重量莫耳濃度:那個不理會溫度的量

為了避開這種搖擺,化學家發明了重量莫耳濃度每千克溶劑中溶質的莫耳數。訣竅在於從體積切換到質量。你儘管去加熱一個樣品——它的質量永遠不變。所以無論溫度如何,重量莫耳濃度都穩如磐石,這使它成為「凡是溶液會被加熱或冷卻時」最誠實的選擇。

莫耳分數:只是這群粒子裡的份額

第三種量最容易在腦海裡畫出來。想像溶液裡每一個粒子都排成一群。某種物質的莫耳分數,就只是它在這群粒子裡所佔的份額:它的莫耳數,除以在場所有東西的總莫耳數。如果一份混合物是1莫耳糖和9莫耳水,那麼糖的莫耳分數就是十分之一,也就是0.1。

因為它是一個純粹的比值,莫耳分數沒有單位,而且所有組分的分數加起來永遠恰好等於1——它們彼此分享了整群粒子。這使它成為理論裡天然的語言:後面幾篇裡關於溶液的定律,用莫耳分數寫出來最為乾淨俐落。

三種量,三種用途:莫耳濃度用於實驗室裡的快速傾倒,重量莫耳濃度用於任何會變熱變冷的場合,莫耳分數用於乾淨的理論。它們不是對手——它們是對同一個問題的三個誠實答案,各以自己的方式為真。