为什么一个数字不够用
回想一下,浓度回答的是「一定量溶液里有多少溶质」。够简单了——只是,「多少」是指什么的多少?「一定量」又是怎么计量的?你可以按质量数,可以按体积数,也可以按粒子数目数。每一种选择都给出一个不同却完全正确的数字。这正是化学家把好几种浓度量并排放在一起的原因,也是你该弄清谁是谁的原因。
还有一个转折。对化学来说,数粒子远比其他方式有用,因为反应是一个粒子接一个粒子地发生的——可粒子小得无法想象、又多得荒谬。于是化学家用一种叫「摩尔」的大包装来成批地数它们,我们接下来就会认识它。
摩尔:像论打一样数,只是更大
一打就是十二,不管是鸡蛋还是星星。摩尔就是化学家的「打」:一个固定的、非常大的粒子计数——大约六千零二亿亿亿个,这个数叫做阿伏伽德罗常数。我们用这么巨大的一包,是因为真实的化学要应对多到无法想象的原子,而说「一摩尔水」远比说「六千零二万亿亿个分子」容易得多。
摩尔浓度:每升溶液里的摩尔数
日常的主力是摩尔浓度:每升溶液中溶质的摩尔数。标着「1摩尔每升」(写作1 M)的溶液,每升最终液体里含有一摩尔溶质。它之所以是实验室的最爱,是因为升很好量——你把溶液倒进有刻度的容量瓶、加到那条线为止,就完成了。
- 决定你想要多少摩尔溶质——比如说,0.5摩尔的盐。
- 用秤称出那个量,把它加进容量瓶里。
- 加入溶剂,直到总体积达到一升——注意不是一升水,而是一升做好的溶液。
- 你现在有了一份0.5 M的溶液:每升0.5摩尔。
但摩尔浓度藏着一个缺陷。液体受热会膨胀、受冷会收缩——所以同一瓶溶液在炎热的一天里会比寒冷的一天更稀,因为它的「升」变大了。在温度会变化的精细工作里,温度带来的这种摇摆是个实实在在的麻烦。
质量摩尔浓度:那个不理会温度的量
为了避开这种摇摆,化学家发明了质量摩尔浓度:每千克溶剂中溶质的摩尔数。诀窍在于从体积切换到质量。你尽管去加热一个样品——它的质量永远不变。所以无论温度如何,质量摩尔浓度都稳如磐石,这使它成为「凡是溶液会被加热或冷却时」最诚实的选择。
摩尔分数:只是这群粒子里的份额
第三种量最容易在脑海里画出来。想象溶液里每一个粒子都排成一群。某种物质的摩尔分数,就只是它在这群粒子里所占的份额:它的摩尔数,除以在场所有东西的总摩尔数。如果一份混合物是1摩尔糖和9摩尔水,那么糖的摩尔分数就是十分之一,也就是0.1。
因为它是一个纯粹的比值,摩尔分数没有单位,而且所有组分的分数加起来永远恰好等于1——它们彼此分享了整群粒子。这使它成为理论里天然的语言:后面几篇里关于溶液的定律,用摩尔分数写出来最为干净利落。
三种量,三种用途:摩尔浓度用于实验室里的快速倾倒,质量摩尔浓度用于任何会变热变冷的场合,摩尔分数用于干净的理论。它们不是对手——它们是对同一个问题的三个诚实答案,各以自己的方式为真。