化学主要研究的就是物质及其变化规律,当我们要研究一个物质以及它的化学变化的时候,我们都是要从宏观到微观,从定性到定量。
那我们应该如何以微观的视角,定量描述物质及其变化呢?也就是说我们应该如何把宏观的体积质量和微观的粒子数联系起来呢?
比如有100毫升的水,我们可以根据水的密度求出这个水的质量。这是一种定量的方式,但这只是在宏观层面以质量和体积来进行定量。那我们如何通过这100毫升水,求出它里面有多少个水分子呢?
我们可以用这100毫升水的宏观质量除以每个水分子的质量,这样我们就可以算出水分子的数量了。但是由于一个水分子的质量太小了,我们没有办法精确的测量出一个水分子的质量。
我们还可以将100毫升水中的水分子分成若干份,比如一分钟有2000个水分子,而这样一个水分子的集合的质量相较于之前一个水分的质量就容易测量了很多。我们用宏观的质量除以每一包水分子的质量,算出来的就是有多少包,然后再用包数乘以一包中的水分子的数量算出来的,就是这100毫升中水分子的数量。
这样的方法也就是一个新的定量体系,我们可以用这样一个定量体系,将宏观的质量体积与微观的粒子个数联系起来。
在这个新的定量体系中,我们需要的物理量有包数、每包当中有多少个微观粒子、每一包微观粒子的质量,以及每一包微观粒子的体积。
物质的量就相当于是包数,其指的就含有一定数目粒子的集合体。物质量的符号是n,单位是摩尔。阿伏加德常数就是每一包当中的粒子数,指的是一摩尔任何粒子的粒子数。符号是NA,单位是每摩尔。一摩尔粒子集合体所含的粒子数等于0.012千克碳12所含的碳原子数约等于6.02×10的23次方每摩尔。一包粒子的质量就是摩尔质量,摩尔质量指的就是单位物质的量的物质所具有的质量符号是M,单位是克每摩尔,表达式为m/n。根据测量,我们发现物质的摩尔质量在数值上与该物质的相对原子质量或相对分子质量相等。
而对于气体而言,我们通常用气体摩尔体积计算。气体摩尔体积就指单位物质的量的气体所占的体积,其符号是Vm,单位是升每摩尔,表达式为V/n。因为粒子间的距离远远大于粒子本身的大小,所以粒子本身大小可以忽略不计,气体体积也就只和粒子数量以及粒子之间的距离有关,而一摩尔气体体积也就只和粒子间的距离有关,离子间的距离又受温度和压强的影响。所以在相同温度和压强下,气体分子间间隙相等,一摩尔气体分子的体积也就相等。也就是说只要温度和压强相等,任何气体摩尔体积就相等。在标准状况下气体摩尔,体积约为22.4升每摩尔,而在常温常压下气体摩尔,体积约为24.5升每摩尔。温度越高,相同物质的量气体体积越大,压强越大,相同物质的量气体体积越小,气体物质的量越大,气体体积越大。根据以上这三条定性的温度,压强以及物质量与气体体积之间的关系,我们可以得到理想气体状态方程:pV=nRT其中R是一个常数。
以上我们说的这些都是针对纯净物而言的,如果是混合物,我们应该如何在微观层面定量描述这个混合物的浓度呢?
我们创造出了一个新的物理量,就是物质的量浓度。物质量浓度指的就是在单位体积的溶液内所含有溶质的物质的量。符号是CB(B是角标指的是溶质的物质量浓度),单位是摩尔每升,表达式是C=n/V。我们可以根据溶液的体积以及物质量浓度配置一定物质量浓度的溶液。但由于我们不能直接根据体积算出需要多少g水,所以我们也不能完全按照之前配置一定溶质质量分数溶液的方法,配置一定物质量浓度的溶液。我们需要使用新的方法。
首先我们要先计算出我们所需溶质的质量。然后在天平上测量出所需质量的溶质。其次将称好的溶质放入烧杯中,向烧杯中加入少量蒸馏水,用玻璃棒搅拌,使溶质完全溶解。待溶液冷却到室温后进行移液,将烧杯中的溶液沿玻璃棒注入所需体积的容量瓶,要注意玻璃棒要深入刻度线以下,防止溶液溅到杯壁上。随后洗涤,用少量蒸馏水洗涤烧杯内壁和玻璃棒2~3次。并将洗涤液也都注入容量瓶,防止溶质残留在烧杯内壁或玻璃棒上,随后轻轻摇动容量瓶使溶液混合均匀。
以上就是一个新的定量体系,这个定量体系可以从微观的角度定量的描述物质及其变化规律。依据这个新的定量体系,我们可以将宏观的物质的质量,体积,质量分数等等,与微观的粒子个数联系起来。而架起这个桥梁的,就是我们最初提到的物质的量。