阿伏加德羅常數(shù)的新定義對高中化學教學的影響

萬長江 魏釗

關鍵詞：物質的量;阿伏加德羅常數(shù);摩爾;高中化學教學

2018年11月16日，在法國巴黎凡爾賽舉行的第26屆國際計量大會（CGPM）代表大會，正式通過了修改部分國際單位制（SI）定義的決議。決議將物質的量的單位“摩爾”定義為：包含6. 022140 76x10個基本粒子的物質的量。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）新的定義對高中化學教學有何影響？（4）高中化學教學該如何調整呢？

1為什么摩爾和阿伏加德羅常數(shù)要重新定義

計量學是一門關于測量的科學，是在科學和技術某一領域的一定不確定度的水平上對理論和實驗方面的測量。國際單位制（International System of Units，SI）是全球統(tǒng)一的計量單位制，是構成國際計量體系的基石，于1960年第11屆國際計量大會（GeneralConference on Weights and Measures，CGPM）通過而建立。國際計量委員會根據(jù)國際純粹與應用物理聯(lián)合會、國際純粹與應用化學聯(lián)合會及國際標準化組織的建議，于1967年制定并于1969年批準了摩爾和阿伏加德羅常數(shù)的定義，最后由1971年第14屆國際計量大會通過。

伴隨世界的全球化趨勢，無論是國際貿(mào)易、高科技制造產(chǎn)業(yè)，還是環(huán)境保護、全球氣候研究與各門基礎科學的發(fā)展，都需要更準確、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)典物理學的理論基礎上，以實物基準、自然基準來定義的。近代物理學革命之后，隨著計量科學及相關科學技術手段的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)計量學逐漸轉變?yōu)椤傲孔佑嬃繉W”，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)過全球各國國家計量院以及國際計量局多年的研究，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確性和穩(wěn)定性。因此2018年第26屆國際計量大會將SI的7個基本單位全部實現(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。量子化定義與實物基準相比，對科學研究、科技生產(chǎn)和科學教育均會產(chǎn)生很大的影響。

對比阿伏加德羅常數(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)目相關聯(lián)。“其中最大的問題就是摩爾作為7個SI單位之一，其定義是通過另一個SI單位——千克實現(xiàn)的”。相比早期的實物基準和自然基準，2018年的國際計量大會已全部實現(xiàn)用普適不變的基本物理常數(shù)給基本單位下定義，這樣會讓基本單位更穩(wěn)定、更易復現(xiàn)、更易統(tǒng)一。摩爾的新定義不再通過質量單位千克實現(xiàn)，而是直接基于阿伏加德羅常數(shù)Ⅳ。來定義，真正實現(xiàn)了將基本單位定義到物理基本常數(shù)上。這就實現(xiàn)了“元測量”的精神——用一套穩(wěn)定的基準來實施所有測量，而不是用一次測量來指導或修正另一次測量，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因為時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準。總之，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星球上，某個特定物質所獲得的物質的量將完全一致。

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

在2018年國際計量大會的決議中，對于阿伏加德羅常數(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”這個詞，翻譯為中文就是“精確地”。為什么決議會如此表述？這要從計量學家測量阿伏加德常數(shù)的方法來理解。

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

3定義的修改對高中化學教學有何影響

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

那么新的變化對高中化學教學有何影響？應該說，計算上基本不受影響，但是新定義會導致許多和概念本質有關的說法發(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，現(xiàn)在就不對了。現(xiàn)在不是完全相同，而是大約相同。因為0. 012 kgC中所含的原子數(shù)并不恰好是6. 022140 76x1023個，但相差很小，不影響目前化學分析的精確度。

（2）某種同位素原子的摩爾質量與該同位素相對原子質量在數(shù)值上完全相同。此說法原先對，現(xiàn)在也不對了。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分析的精確度。

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

（4）原來中學教師往往強調要把0.012 kgC中所含的原子數(shù)認定為阿伏加德羅常數(shù)，而不是說一個具體數(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高中化學教學如何調整

關于以上相關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，我們可做一個對比，見表2。

根據(jù)實際教學經(jīng)驗，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，因為國際單位制的宣傳與傳播應從中小學基礎教育做起。（2）仍可以像以往那樣進行計算，但相關的概念判斷題，只要和與0. 012 kg相關的表述都應該進行相應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，我們仍不建議直接說電子轉移數(shù)為2mol，因為如此學生容易把它和2個或2萬完全等同處理，但實際是需要通過阿伏加德常數(shù)換算成具體個數(shù)的。（4）還有人說，現(xiàn)在阿伏加德常數(shù)無單位，實際此點并未改變，阿伏加德羅常數(shù)單位還是mol。（5）教師應認識新定義的本質，命題時要避免出現(xiàn)下列題目。如：某元素1個原子的質量是ag，又知1個C原子的質量為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原子質量數(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，使人們認識到宏觀尺度的物質與微觀尺度的同一物質之間存在確定的數(shù)值關系。阿伏加德羅常數(shù)在中學教學中是非常重要的核心概念，對“宏觀辨識與微觀探析”維度的化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)意義重大。因此一線教師既要關注此概念的科學性，又要關注教學的現(xiàn)實性，對此知識點的教學深入探究如何適度處理是非常重要的。