摘要:本文介绍了化学计量中一个重要的概念——物质的量及其单位,并针对这个概念的特点进行了教与学的探讨,指出物质的量及其单位在学科教学中作用。
关键词:物质的量;摩尔;学习探讨;应用
“物质的量”是化学中一个很重要的基本概念,被广泛地应用于工农业生产和科学研究领域中。随着现代科学技术的发展,物质的量对物理化学和分子物理学的发展影响较大,物质的量在化学计量中也很重要,它是联系宏观物质与微观领域的桥梁。学好物质的量及其单位,对培养学生的化学计算技能和实验技能都有十分重要的意义,特别是对学生思维的扩展具有举足轻重的作用。
一、 物质的量及其单位
1. 物质的量的历史来源。19世纪末20世纪初,原子秘密被揭开,化学进入微观领域。发现了一些化学基本定律以后,就开始有了物质的量的单位。例如:“克分子”、“克原子”、“克当量”。可是使用这些单位时,并未明确它所表达的是“物质的量”。1959—1960年,国际纯粹与应用物理协会(IUPAP)和国际纯粹与应用化学协会(IUPCP)取得一致协议,都同意将碳—12的原子量定为12作为标准,然后通过确定碳—12的相应质量用作定义“物质的量”的单位。到1961年,化学家E·A·Guggen把摩尔叫做“化学家的物质的量”并阐明了它的含义。1971年,由41个国家派代表参加的第十四届国际计量大会,正式通过的有关物质的量的单位——摩尔,并作出了决议。从此,“物质的量”就成为国际单位制的基本物理量之一,符号为mol。
国际单位制(SI)的7个基本物理量及其单位
2.物质的量及其单位的本质。1971年的第14届国际计量大会上决议中通过了有关“物质的量”的单位——摩尔,定义为:
(1)摩尔是一系列的物质的量,该系统中所包含的基本单元与0.012千克碳—12原子数目相等;
(2)在使用摩尔时,基本单元应予指明,可以是原子、分子、离子、电子以及其他粒子,或是这些粒子的特定组合。
同其他基本物理量一样,物质的量也有计量单位,规定为摩尔,符号为mol,根据摩尔的定义,可用0.012kg 12C中所含碳原子数目来量度1mol。据实验测定,这个数就是阿伏加德罗常数,所以我们把基本粒子集体与物质的量、阿伏加德罗常数联系起来,例如:
1mol12C含有阿伏加德罗常数个12C原子,约为6.022 ×1023个12C原子;
1mol H2O含有阿伏加德罗常数个H2O分子,约为6.022 ×1023个H2O分子;
可见1mol微粒的粒子数就是阿伏加德罗常数,约是6.022 ×1023个微粒,不同的是具体的摩尔数是个准确值,阿伏加德罗常数是个比较准确的值,而6.022 ×1023是个约数值,是个近似值。当我们指1mol的物质时,是比较准确地指出该物质的物质的量,而当我们指6.022 ×1023个微粒时,只是知道我们所取的物质是近似取1mol。从以上的讨论可知,虽然1mol、阿伏加德罗常数、6.022 ×1023这三者有所不同,但是它又是意义相同的:
1mol H2O含有阿伏加德罗常数个H2O分子,也是近似取6.022 ×1023个H2O分子;
6.022 ×1023个H2O分子,也近似看做是1mol。所以三者有不同,但在一定程度上又是相同的,在刚接触物质的量及其单位时,必须要很好的区分、认识。
3. 物质的量的教与学方法探讨。“物质的量”虽是国际单位制中的七基本物理量之一,但学生在这之前对物质的量没有任何具体的感性认识,而物质的量概念很抽象、理论性强,学生学起来很吃力,要很好的掌握有一定的难度。又由于粒子太小,数目太多,如果用个做单位,表示数字太大,使用很不方便。所以,在教学过程中,我们必须给予具体的感受,例如6.022 ×1023粒米,全球有60亿人每天每人吃一斤,要吃14万年,1mol水分子一个接一个地摆在赤道上,可以绕地球300万圈,学生真正感受到了粒子个数太多,使用起来的确很不方便,而用物质的量就简便多了,学生学起来也轻松。因此,在物质的量的教学实践中,应事先让学生了解物质的量的历史来源,让学生明确物质的量是一个表示组成物质的基本单元数目多少的物理量,单位摩尔是一个规定,然后用通俗易懂的比较法讨论“物质的量”的概念,又用类比法推出“物质的量”的单位——摩尔。
4. 物质的量及其单位的注意事项。物质的量是一个重要的基本物理量,在学的过程中应注意:
(1)在使用摩尔这个单位时,应指明是什么样的基本单元。对于一定质量的物质,其物质的量是随所指定的基本单元的不同而不同的,如95克MgCl2含有1mol的MgCl2,或1molMg2+,或2mol的Cl-等多种表示式,在使用时必须指明具体的基本单元。
(2)在使用摩尔时,必须是微观粒子,可以是分数、小数、整数,例如:
1/2mol NaCl 3mol HCl 0. 5mol O2
(3)“物质的量”四个字是一个整体,不得简化或增添任何字,更不能按普通的字面意义把“物质的量”当做表示物质数量多少的量或物质质量多少的量。物质的量与质量在概念是根本不同的,质量是代表物质惯性大小的物理量;而物质的量是量纲与质量相互独立的另一个物理量,更不能把物质的量理解为两重性质:既是代表系统的物质的量又代表系统的质量。物质的量和质量是各自独立的。
二、 物质的量及其单位在学科中的作用
物质的量处于整套关系的核心地位,把可称量的宏观物质与难称量的微观粒子有机的联系起来。物质的量是基础科学中非常重要的概念,同时物质的量统摄着十一个概念(物质的量、摩尔、摩尔质量、阿伏加德罗常数、气体摩尔体积、物质的量浓度、溶解度、溶质的质量分数、密度、气体体积、溶液体积、物质质量),这些在化学学习中有重要作用的概念,同时也是为物质的量应用于化学方程式计算打好基础,所以理解概念之间的关系,把握好气体定律及其推论,对学科中培养学生实验操作技能和化学计算技能,培养学生演义、归纳、类比推理的能力,培养学生语言表达能力和对知识的概括能力都具有举足轻重的作用。
物质的量这个物理量,是表示一定微观粒子数目的物理量,虽然比较抽象,不管是教师在教的过程还是学生在学的过程中,都是具有一定的难度的,但是通过研究,加强教学探讨,在一定程度上又可以方便老师的教,同时又有利于学生的学。掌握好了物质的量及其相关内容,并熟练地应用于相关科学中,对培养学生各方面的能力都是很重要的。
参考文献:
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