公克每莫耳
要取 6.022·10²³ 個水分子,化學家並不去數。他只需稱出 18.015 g。這個數就是莫耳質量:一莫耳物質有多少公克。食鹽是 58.44 g/mol,蔗糖是 342.3,血紅素約為 64 500。
莫耳質量是按分子式把各原子的質量加起來得到的。原子質量用質譜儀測定:磁鐵按質量把離子分開,越重的離子弧線越平緩。SI 單位是 kg/mol,但實驗室裡寫 g/mol。這樣,這個數就等於以道爾頓為單位的分子質量。
| 記號 | g/mol · SI 單位 kg/mol |
| 定義 | M = m / n——物質的質量除以它的物質的量 |
| 參考值 | M(¹²C) = 12.000 000 012 6 g/mol · M_u = 1.000 000 001 05 g/mol |
| 引入 | 公克原子量——十九世紀起 · kg/mol——自莫耳納入 SI 起,1971 年 |
| 標準 | ISO 80000-9 · IUPAC Green Book · CIAAW 2021 |
| 典型值 | 18.015 g/mol——水 · 180.16——葡萄糖 · 64 500——血紅素 |
01 · 定義
一莫耳的質量
取一種物質,用它的質量除以以莫耳計的物質的量,就得到莫耳質量 M。純淨物的莫耳質量是恆定的。9 g 水是 0.5 mol,36 g 是 2 mol,比值始終是 18.015 g/mol。
莫耳質量按分子式計算。每種元素的原子質量取自 IUPAC 的表,乘以原子個數,再全部相加。原子質量是天然同位素混合物的平均值,所以氯是 35.45,而不是整數。
搭一個分子,稱一莫耳
小球是分子中的原子,大小隨原子質量增大。下面的色條把同一質量分成幾段:每種元素佔莫耳質量的多少。黑色是碳,藍色是氫,綠色是氮,品紅色是氧,灰色是氯。
什麼飛進了質譜儀
每個格子裡是實驗中一種物質的鍵線式。拐角和線端是碳原子,碳上的氫不畫出,雙線表示雙鍵。氮用綠色標出,氧用品紅色。式子下方的綠色數字是莫耳質量,單位 g/mol。中間是咖啡因:一個藍色火花沿著它的環奔跑。
磁鐵按質量分開離子
中間是質譜儀的剖面。物質的蒸氣進入離子源,熾熱的燈絲從分子中打出電子,電壓 U 使離子加速。離子在磁場 B 中沿半徑 r = √(2mU/e) / B 的弧線飛行:越重,弧線越平緩。藍色虛線是不同質量的離子束,亮度表示這種分子在自然界中的佔比。圖中離子束的分散放大了 8 倍,否則相鄰的質量會併成一條弧線。只有半徑恰好為 200 mm 的離子束能進入收集器狹縫,收集器隨即亮起品紅色。磁場緩慢變化,右邊的螢幕用品紅色線記錄下譜圖,藍色豎線是此刻位於狹縫處的質量。螢幕下方是天平:上面放著恰好一莫耳的物質。左邊的控制台顯示莫耳質量和儀器模式。點選質譜儀,磁場就調到最高峰;點選天平,就放上一莫耳。如果 20 s 內不做任何操作,實驗會自動進行。
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02 · 換算
| {n} | {v} | {note} |
道爾頓和 g/mol 給出相同的數,但它們是不同的量。道爾頓是一個分子的質量,g/mol 是一莫耳的質量。2019 年以後,這兩個數不再嚴格相等:按 CODATA 2022,它們相差 1.05·10⁻⁹,遠遠超出任何天平的分辨能力。
工程資料表中會用到 kg/kmol 和 lb/lb-mol。它們的數值與 g/mol 相同:千莫耳是莫耳的一千倍,公斤也是公克的一千倍。一磅莫耳等於 453.59 mol。
03 · 數量級
04 · 測量儀器
05 · 書寫規則
06 · 相鄰單位
07 · 歷史部分
元素的原子質量取決於樣品取自何處。海水中的氫和天然氣中的氫含氘的比例不同。因此 CIAAW 給出氫的區間 1.007 84–1.008 11,計算時取約定值 1.008。正因如此,水的莫耳質量只精確到第五位數字。
這個標度本身以碳-12 為基礎。2019 年以前,按定義 M(¹²C) 恰好是 12 g/mol。自從莫耳改由亞佛加厥常數定義,這個值就需要測量了:按 CODATA 2022,它是 12.000 000 012 6 g/mol,不確定度為 3.7·10⁻⁹ g/mol。化學家察覺不到這個差別。
一滴酸改變果汁的顏色,鹽為火焰染色,水被輕敲一下就結冰。下面是 Simetrium 的全部頁面,按學科和字母順序排列。
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