什麼是摩爾?
原子和分子一個一個地反應,但沒有人能一個一個地數它們。摩爾是化學的計數單位——相當於放大到 6.022×1023 個的“一打”(阿伏伽德羅常量 NA,自 2019 年 SI 修訂起為精確定義值)。它的魔術在於:一個碳原子重 12.011 原子質量單位,而一摩爾碳原子重 12.011 克——同樣的數字,換了單位。於是摩爾質量 (g/mol) 在天平上的質量和參與反應的粒子數之間即時換算——這正是化學計量的全部業務。
要記住的一條規則:摩爾數的是粒子,不是質量。每種物質一摩爾都含有相同數目的分子——但它們的重量像物質本身一樣千差萬別。
週期表就是質量目錄
週期表中每個元素的格子都標著平均原子質量;按化學式逐一相加就得到摩爾質量。示例 Ca3(PO4)2(磷酸鈣)解析為 3 Ca + 2 P + 8 O = 3(40.078) + 2(30.974) + 8(15.999) = 310.174 g/mol,面板還逐項列出每種元素的克貢獻。括號把裡面的所有原子翻倍,CuSO4·5H2O 中的點在硫酸銅上再疊五個結晶水——同一個解析器全都處理。數清水很關鍵:CuSO4·5H2O 應為 ≈ 249.7 g/mol,而不是 ≈ 159.6。
質量分數
用摩爾質量去除每種元素的質量貢獻,就得到它的質量分數——營養成分表和化肥袋上印的那個數(“P2O5 來源,20% P”)。水是經典示例:每 18.015 g 中 H 貢獻 2(1.008) = 2.016 g、O 貢獻 15.999 g,所以水按質量是 11.19% 氫、88.81% 氧——提醒我們按原子數的“主要是氫”與按質量相差甚遠。
實驗式 vs 分子式
實驗式是原子的最小整數比(CH2O);分子式是分子中的實際數目(C6H12O6,葡萄糖——同一比例的六份)。燃燒分析給你質量百分數;把它們換成摩爾:示例的 40.00% C、6.71% H、53.29% O 變成 3.330 : 6.657 : 3.331 mol,約簡為乾淨的 1 : 2 : 1——CH2O,實驗式量 30.026 g/mol。要從實驗式爬到分子式需要摩爾質量:n = 180.16 ÷ 30.026 = 6.000,所以分子是 (CH2O)6。許多物質(水、氨、CO2)本來就處於 n = 1,兩個式子相同。
克、摩爾、粒子
摩爾/克/粒子面板一口氣走完整個三角形:示例把 18.015 g 水換算成精確的 1.000000 mol 和 6.022×1023 個分子——而且由於每個 H2O 有三個原子,即 1.807×1024 個原子。這個三角形是方程式配平頁每道化學計量題和溶液計算頁每個摩爾濃度的發動機。
常見誤區
- 一摩爾什麼東西都差不多重。摩爾數的是粒子;一摩爾 H2 是 2 g,一摩爾金是 197.0 g——同樣的數目,天差地別的質量。
- 百分數可以直接換算成下標。必須先除以原子質量(換成摩爾)——氫的 6.71% 之所以比氧的 53.29% 貢獻更多原子,正因為 H 原子太輕。
- 分子式總是實驗式的放大版。只在 n > 1 時如此。對 H2O 兩者相同,分子式面板的 n = 1.000 情形很常見。
- 原子質量是精確的整數原子質量單位。表列數值是按同位素丰度加權的平均值——氯的 35.45 g/mol 是 35-Cl 和 37-Cl 的混合。
相關工具:元素週期表(本頁加總的原子質量來源)、方程式配平(建立在摩爾之上的化學計量)以及 溶液計算(每升摩爾數)。