小得没法数
举起一滴水。它包含的物质粒子——水分子——多到这样的程度:哪怕你每秒数一个,等太阳烧尽之后你还在数。原子和分子实在太小、太多,没法一个一个地处理。
可化学的核心,恰恰是多少个粒子和多少个别的粒子反应。于是化学家面对一个很实际的问题:你怎么去数那些你永远看不见、数量又大到写不出来的东西?他们的答案,是全部科学中最有用的想法之一。
妙招:按「打」来数,只是大得多
你早就习惯把小东西按一捆一捆来数了。鸡蛋按「打」(12 个)卖,纸按「令」(500 张)卖。「打」不过是某个固定数目的名字。摩尔是同样的想法,只是这一捆大得惊人:一摩尔就是固定的、确定数目的粒子——原子、分子,或你正在数的任何东西。
这一捆有多大?大约是 602,000,000,000,000,000,000,000——六千零二十万亿亿。简洁地写出来,就是 6.022 × 10²³。这个「每摩尔的个数」就是阿伏伽德罗常数,以那位想法促成了它的科学家命名。
为什么偏偏是这个捆的大小?
摩尔被选定,并不是为了凑一个圆整、漂亮的数字。它被选定,是为了让记账和实验台上的操作对得上。摩尔是一个叫做物质的量的量的单位——这是化学家表达有多少个粒子的方式,用摩尔来说,而不用一长串零。
美妙的回报是:摩尔把看不见的(原子的个数)和看得见的(你能称量的克数)连了起来。粗略地说,一摩尔碳原子大约重 12 克;一摩尔水大约重 18 克。所以当你在普通天平上称重时,你其实是在数粒子——一次数上亿亿个。
在实践中使用摩尔
下面是化学家几乎不假思索就会执行的日常流程:
- 在天平上以克为单位称量你的物质。
- 把克换算成摩尔,于是你就知道自己真正拥有多少个粒子。
- 利用反应的「配方」——它讲的是粒子的比例——来预测你能做出多少产物。
- 把预测出的摩尔再换算回克,这样你就能称量结果并核对。
注意这个节奏:克 → 摩尔 → 推理 → 摩尔 → 克。摩尔坐在中间,充当一个翻译,沟通你能称量的世界和无数粒子的世界。同样数目的粒子,可以是固体、液体或气体——这个个数不会随物质的状态或温度而改变,改变的只是形态。