阿伏加德羅常數(shù)的新定義對(duì)高中化學(xué)教學(xué)的影響

萬長(zhǎng)江 魏釗

關(guān)鍵詞：物質(zhì)的量;阿伏加德羅常數(shù);摩爾;高中化學(xué)教學(xué)

2018年11月16日，在法國巴黎凡爾賽舉行的第26屆國際計(jì)量大會(huì)（CGPM）代表大會(huì)，正式通過了修改部分國際單位制（SI）定義的決議。決議將物質(zhì)的量的單位“摩爾”定義為：包含6. 022140 76x10個(gè)基本粒子的物質(zhì)的量。由此帶來的問題是：（1）為什么摩爾和阿伏加德羅常數(shù)要重新定義？（2）重新定義后的阿伏加德羅常數(shù)，為什么取6. 02214076x10這一數(shù)值呢？（3）新的定義對(duì)高中化學(xué)教學(xué)有何影響？（4）高中化學(xué)教學(xué)該如何調(diào)整呢？

1為什么摩爾和阿伏加德羅常數(shù)要重新定義

計(jì)量學(xué)是一門關(guān)于測(cè)量的科學(xué)，是在科學(xué)和技術(shù)某一領(lǐng)域的一定不確定度的水平上對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)方面的測(cè)量。國際單位制（International System of Units，SI）是全球統(tǒng)一的計(jì)量單位制，是構(gòu)成國際計(jì)量體系的基石，于1960年第11屆國際計(jì)量大會(huì)（GeneralConference on Weights and Measures，CGPM）通過而建立。國際計(jì)量委員會(huì)根據(jù)國際純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)、國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的建議，于1967年制定并于1969年批準(zhǔn)了摩爾和阿伏加德羅常數(shù)的定義，最后由1971年第14屆國際計(jì)量大會(huì)通過。

伴隨世界的全球化趨勢(shì)，無論是國際貿(mào)易、高科技制造產(chǎn)業(yè)，還是環(huán)境保護(hù)、全球氣候研究與各門基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，都需要更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定和更普適的SI基本單位。早期國際單位制的基本單位是在經(jīng)典物理學(xué)的理論基礎(chǔ)上，以實(shí)物基準(zhǔn)、自然基準(zhǔn)來定義的。近代物理學(xué)革命之后，隨著計(jì)量科學(xué)及相關(guān)科學(xué)技術(shù)手段的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)計(jì)量學(xué)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤傲孔佑?jì)量學(xué)”，基于基本物理常數(shù)的國際單位制的量子化定義的條件逐漸成熟。經(jīng)過全球各國國家計(jì)量院以及國際計(jì)量局多年的研究，證明基于基本常數(shù)來定義SI的基本單位更加具有足夠的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。因此2018年第26屆國際計(jì)量大會(huì)將SI的7個(gè)基本單位全部實(shí)現(xiàn)由普適的宇宙基本常數(shù)定義，這是一次全新的歷史性變革。量子化定義與實(shí)物基準(zhǔn)相比，對(duì)科學(xué)研究、科技生產(chǎn)和科學(xué)教育均會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

對(duì)比阿伏加德羅常數(shù)和摩爾的新舊定義，如表1所示。

1971年的定義，將摩爾與0. 012 kgC的原子數(shù)目相關(guān)聯(lián)?！捌渲凶畲蟮膯栴}就是摩爾作為7個(gè)SI單位之一，其定義是通過另一個(gè)SI單位——千克實(shí)現(xiàn)的”。相比早期的實(shí)物基準(zhǔn)和自然基準(zhǔn)，2018年的國際計(jì)量大會(huì)已全部實(shí)現(xiàn)用普適不變的基本物理常數(shù)給基本單位下定義，這樣會(huì)讓基本單位更穩(wěn)定、更易復(fù)現(xiàn)、更易統(tǒng)一。摩爾的新定義不再通過質(zhì)量單位千克實(shí)現(xiàn)，而是直接基于阿伏加德羅常數(shù)Ⅳ。來定義，真正實(shí)現(xiàn)了將基本單位定義到物理基本常數(shù)上。這就實(shí)現(xiàn)了“元測(cè)量”的精神——用一套穩(wěn)定的基準(zhǔn)來實(shí)施所有測(cè)量，而不是用一次測(cè)量來指導(dǎo)或修正另一次測(cè)量，這是SI制非常重要的突破。由宇宙常數(shù)出發(fā)來規(guī)定就可讓各種物理量不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間和空間的改變以及人工操作而產(chǎn)生偏差又去更改其定義和標(biāo)準(zhǔn)?？傊?，新定義的最大意義在于：無論是在地球的任何角落還是在地球外的某個(gè)星球上，某個(gè)特定物質(zhì)所獲得的物質(zhì)的量將完全一致。

2為何阿伏加德羅常數(shù)取6. 022140 76x1023這一數(shù)值

在2018年國際計(jì)量大會(huì)的決議中，對(duì)于阿伏加德羅常數(shù)定義有這樣的英文表述：“One mole containsexactly 6.02214076x10elementary entities。我們注意到，其中用了“exactly”這個(gè)詞，翻譯為中文就是“精確地”。為什么決議會(huì)如此表述？這要從計(jì)量學(xué)家測(cè)量阿伏加德常數(shù)的方法來理解。

計(jì)量學(xué)家目前采用現(xiàn)代X射線晶體密度法（X-RayCrystal density method，XRCD）來測(cè)定阿伏加德羅常數(shù)。其原理是：

3定義的修改對(duì)高中化學(xué)教學(xué)有何影響

重新定義之后，摩爾與質(zhì)量的基本單位——千克之間不再有關(guān)系。但是在實(shí)際的化學(xué)測(cè)量工作中，由于很難直接測(cè)得某種物質(zhì)中待測(cè)微粒的個(gè)數(shù)，也就無法通過公式N/NA計(jì)算得到該微粒的物質(zhì)的量。因此，化學(xué)分析時(shí)依然經(jīng)常需要先稱量該物質(zhì)的質(zhì)量，然后利用其摩爾質(zhì)量M通過公式m/M計(jì)算得到該粒子的物質(zhì)的量。也就是說，摩爾重新定義之后，依然需要以物質(zhì)的質(zhì)量作為量傳溯源的方式，也因此計(jì)算物質(zhì)的量的方法并不會(huì)改變。

那么新的變化對(duì)高中化學(xué)教學(xué)有何影響？應(yīng)該說，計(jì)算上基本不受影響，但是新定義會(huì)導(dǎo)致許多和概念本質(zhì)有關(guān)的說法發(fā)生了變化。主要有：

（1）1·mol某種微粒集合體中所含的微粒數(shù)與0. 012 kgC中所含的原子數(shù)完全相同。此說法原先對(duì)，現(xiàn)在就不對(duì)了?，F(xiàn)在不是完全相同，而是大約相同。因?yàn)?. 012 kgC中所含的原子數(shù)并不恰好是6. 022140 76x1023個(gè)，但相差很小，不影響目前化學(xué)分析的精確度。

（2）某種同位素原子的摩爾質(zhì)量與該同位素相對(duì)原子質(zhì)量在數(shù)值上完全相同。此說法原先對(duì)，現(xiàn)在也不對(duì)了。現(xiàn)在不是完全相同，而是大約相同。但其差別非常小，也完全不影響目前化學(xué)分析的精確度。

（3）阿伏加德羅常數(shù)N.已是一個(gè)固定值（Fixednumber），不是約為6.022140 76x10個(gè)基本單元，而是完全等于該數(shù)值。

（4）原來中學(xué)教師往往強(qiáng)調(diào)要把0.012 kgC中所含的原子數(shù)認(rèn)定為阿伏加德羅常數(shù)，而不是說一個(gè)具體數(shù)據(jù)，現(xiàn)在恰恰要用固定值6. 022 140 76x10來指代阿伏加德羅常數(shù)。

4高中化學(xué)教學(xué)如何調(diào)整

關(guān)于以上相關(guān)概念在目前的人教版新教材和魯科版新教材中的表述方法有所不同，我們可做一個(gè)對(duì)比，見表2。

根據(jù)實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，我們的建議是：（1）像魯科版那樣明確地說出新的定義比較好，因?yàn)閲H單位制的宣傳與傳播應(yīng)從中小學(xué)基礎(chǔ)教育做起。（2）仍可以像以往那樣進(jìn)行計(jì)算，但相關(guān)的概念判斷題，只要和與0. 012 kg相關(guān)的表述都應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的審核與修訂或推翻。（3）由于規(guī)定摩爾包含6.022 140 76×1023個(gè)基本單元，因此摩爾中直接就包含了數(shù)量的含義，因此有人說，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2mol這一說法是有一定道理的。但作為一線教師，我們?nèi)圆唤ㄗh直接說電子轉(zhuǎn)移數(shù)為2mol，因?yàn)槿绱藢W(xué)生容易把它和2個(gè)或2萬完全等同處理，但實(shí)際是需要通過阿伏加德常數(shù)換算成具體個(gè)數(shù)的。（4）還有人說，現(xiàn)在阿伏加德常數(shù)無單位，實(shí)際此點(diǎn)并未改變，阿伏加德羅常數(shù)單位還是mol。（5）教師應(yīng)認(rèn)識(shí)新定義的本質(zhì)，命題時(shí)要避免出現(xiàn)下列題目。如：某元素1個(gè)原子的質(zhì)量是ag，又知1個(gè)C原子的質(zhì)量為6g，NA表示阿伏加德羅常數(shù)，則下列各式中能表示該原子的相對(duì)原子質(zhì)量數(shù)值的是

原答案為B，現(xiàn)在則無答案。

阿伏加德羅常數(shù)作為一個(gè)基本物理常數(shù)，它的意義是建立了宏觀尺度和微觀尺度之間的聯(lián)系，使人們認(rèn)識(shí)到宏觀尺度的物質(zhì)與微觀尺度的同一物質(zhì)之間存在確定的數(shù)值關(guān)系。阿伏加德羅常數(shù)在中學(xué)教學(xué)中是非常重要的核心概念，對(duì)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”維度的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)意義重大。因此一線教師既要關(guān)注此概念的科學(xué)性，又要關(guān)注教學(xué)的現(xiàn)實(shí)性，對(duì)此知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)深入探究如何適度處理是非常重要的。