今天既然聊到了‘筷子’,那就先問幾個跟吃飯有關的問題吧。
你吃了嗎?吃了幾粒米?有多少個澱粉分子?有多少個葡萄糖分子?能為你提供多少熱量?能維持你多少的運動量?
你可能會覺得以上幾個問題太過無厘頭,可是我們吃飯最大的目的不就是為生命提供能量支持嗎?這應該是最有意義的問題啊。
你會覺得如此有意義的問題很無厘頭,最主要是你根本無法回答,然後理所當然地覺得沒必要。
其實要回答這些問題也很簡單,它只是一個宏觀(幾碗飯)問題轉到微觀問題(幾個澱粉分子、幾個葡萄糖分子),然後在轉化到宏觀問題(多少能量、運動量)。
所以,我們只要找到或者定義一個聯繫宏觀與微觀的一個物理量就可以迎刃而解,而這個物理量就是‘物質的量’。它就像高中化學學習的一雙‘筷子’一樣,有了它,你就可以隨便夾起你想吃的‘菜’了。
所謂的‘物質的量’,其實就是認為規定的將一定粒子數目與可計量的宏觀物質聯繫起來的物理量。比如,我們日常生活中規定‘一打’即為12個單位、‘一個師’為10000個單位、‘一兆’為10000億個單位一樣,都是為了方便人們將物質進行‘打包’處理。
而‘物質的量’這個‘包裝袋’打包的數目又是多少呢?科學家規定,1個物質的量單位即1mol(物質的量單位)某種微粒集合體中所含的微粒數與0.012kgC-12中所含的原子數相同,約為6.02×10^23個。這個數字就稱為‘阿伏加德羅常數’,用NA表示。例如:1molC中約含6.02×10^23個碳原子。據此可以得出結論公式:N(微粒數)=n(物質的量)×NA(阿伏加德羅常數)
這樣,我們就可以把數目巨大的微觀粒子通過物質的量進行打包,接下來的事情就是將打包好的‘集裝箱’運送出去,也就是將這個微觀粒子的集合體與宏觀物質聯繫起來。
我們可以規定,單位物質的量(1mol)的物質所具有的質量稱為該物質的摩爾質量(M)。
那麼,1mol微粒的質量到底是多少呢?可以從上面關於阿伏加德羅常數的描述中獲知。很明顯,1molC-12的質量為12g。我們都知道不同原子的質量之比就是它們相對原子質量之比,所以不難推出1mol氧原子的質量就是16g、1mol鐵原子的質量為56g。也就是說,摩爾質量在數值上等於該物質的相對原子(或分子)質量,單位為g/mol。
由此,我們也不難推出這樣的結論公式:m(質量)=n(物質的量)×M(摩爾質量)。我們同樣也可以通過‘物質的量’將微觀粒子與物質體積、濃度等宏觀物理量聯繫起來。
這樣,通過‘物質的量’,就可以實現微觀粒子與宏觀物質的轉化與換算,為化學學習打開了一扇大門。
化學本來就是一門‘微中見宏、宏中析微’的學科,而有了‘物質的量’這雙‘筷子’,我們就可以在物質的微觀世界和宏觀世界之間暢行無阻。有了這雙‘筷子’,那麼高中化學這盤‘大菜’你就可以想怎麼吃就怎麼吃了。
另外,把物質的量比做是高中化學的‘筷子’還有一個原因就是,‘物質的量’是一個比較抽象的概念,又是在學生剛接觸高中化學的時候,所以很多學生在接受和使用上,剛開始會覺得有點困難和彆扭。但是,物質的量作為學習化學的一個工具,它就像人們學習使用筷子一樣,起初有點彆扭,隨著後來不斷地使用強化,就慢慢成為了你身體中不可分離的一部分,自然而然地就會用了,而且用得很好。
讓我們再回到最開始的問題,我們只需要稱一下大米的質量(假設大米都是由澱粉組成),然後折算成澱粉的物質的量,我們就可得知這些大米能產生多少mol的葡萄糖,進一步就可以計算出這些葡萄糖大約能提供多少的熱量了。
所以,同學們,物質的量這雙‘筷子’你學會用了嗎?