阿伏加德罗常数的新定义对高中化学教学的影响

万长江 魏钊

关键词：物质的量;阿伏加德罗常数;摩尔;高中化学教学

2018年11月16日，在法国巴黎凡尔赛举行的第26届国际计量大会（CGPM）代表大会，正式通过了修改部分国际单位制（SI）定义的决议。决议将物质的量的单位“摩尔”定义为：包含6. 022140 76x10个基本粒子的物质的量。由此带来的问题是：（1）为什么摩尔和阿伏加德罗常数要重新定义？（2）重新定义后的阿伏加德罗常数，为什么取6. 02214076x10这一数值呢？（3）新的定义对高中化学教学有何影响？（4）高中化学教学该如何调整呢？

1为什么摩尔和阿伏加德罗常数要重新定义

计量学是一门关于测量的科学，是在科学和技术某一领域的一定不确定度的水平上对理论和实验方面的测量。国际单位制（International System of Units，SI）是全球统一的计量单位制，是构成国际计量体系的基石，于1960年第11届国际计量大会（GeneralConference on Weights and Measures，CGPM）通过而建立。国际计量委员会根据国际纯粹与应用物理联合会、国际纯粹与应用化学联合会及国际标准化组织的建议，于1967年制定并于1969年批准了摩尔和阿伏加德罗常数的定义，最后由1971年第14届国际计量大会通过。

伴随世界的全球化趋势，无论是国际贸易、高科技制造产业，还是环境保护、全球气候研究与各门基础科学的发展，都需要更准确、更稳定和更普适的SI基本单位。早期国际单位制的基本单位是在经典物理学的理论基础上，以实物基准、自然基准来定义的。近代物理学革命之后，随着计量科学及相关科学技术手段的飞速发展，传统计量学逐渐转变为“量子计量学”，基于基本物理常数的国际单位制的量子化定义的条件逐渐成熟。经过全球各国国家计量院以及国际计量局多年的研究，证明基于基本常数来定义SI的基本单位更加具有足够的准确性和稳定性。因此2018年第26届国际计量大会将SI的7个基本单位全部实现由普适的宇宙基本常数定义，这是一次全新的历史性变革。量子化定义与实物基准相比，对科学研究、科技生产和科学教育均会产生很大的影响。

对比阿伏加德罗常数和摩尔的新旧定义，如表1所示。

1971年的定义，将摩尔与0. 012 kgC的原子数目相关联。“其中最大的问题就是摩尔作为7个SI单位之一，其定义是通过另一个SI单位——千克实现的”。相比早期的实物基准和自然基准，2018年的国际计量大会已全部实现用普适不变的基本物理常数给基本单位下定义，这样会让基本单位更稳定、更易复现、更易统一。摩尔的新定义不再通过质量单位千克实现，而是直接基于阿伏加德罗常数Ⅳ。来定义，真正实现了将基本单位定义到物理基本常数上。这就实现了“元测量”的精神——用一套稳定的基准来实施所有测量，而不是用一次测量来指导或修正另一次测量，这是SI制非常重要的突破。由宇宙常数出发来规定就可让各种物理量不会因为时间和空间的改变以及人工操作而产生偏差又去更改其定义和标准。总之，新定义的最大意义在于：无论是在地球的任何角落还是在地球外的某个星球上，某个特定物质所获得的物质的量将完全一致。

2为何阿伏加德罗常数取6. 022140 76x1023这一数值

在2018年国际计量大会的决议中，对于阿伏加德罗常数定义有这样的英文表述：“One mole containsexactly 6.02214076x10elementary entities。我们注意到，其中用了“exactly”这个词，翻译为中文就是“精确地”。为什么决议会如此表述？这要从计量学家测量阿伏加德常数的方法来理解。

计量学家目前采用现代X射线晶体密度法（X-RayCrystal density method，XRCD）来测定阿伏加德罗常数。其原理是：

3定义的修改对高中化学教学有何影响

重新定义之后，摩尔与质量的基本单位——千克之间不再有关系。但是在实际的化学测量工作中，由于很难直接测得某种物质中待测微粒的个数，也就无法通过公式N/NA计算得到该微粒的物质的量。因此，化学分析时依然经常需要先称量该物质的质量，然后利用其摩尔质量M通过公式m/M计算得到该粒子的物质的量。也就是说，摩尔重新定义之后，依然需要以物质的质量作为量传溯源的方式，也因此计算物质的量的方法并不会改变。

那么新的变化对高中化学教学有何影响？应该说，计算上基本不受影响，但是新定义会导致许多和概念本质有关的说法发生了变化。主要有：

（1）1·mol某种微粒集合体中所含的微粒数与0. 012 kgC中所含的原子数完全相同。此说法原先对，现在就不对了。现在不是完全相同，而是大约相同。因为0. 012 kgC中所含的原子数并不恰好是6. 022140 76x1023个，但相差很小，不影响目前化学分析的精确度。

（2）某种同位素原子的摩尔质量与该同位素相对原子质量在数值上完全相同。此说法原先对，现在也不对了。现在不是完全相同，而是大约相同。但其差别非常小，也完全不影响目前化学分析的精确度。

（3）阿伏加德罗常数N.已是一个固定值（Fixednumber），不是约为6.022140 76x10个基本单元，而是完全等于该数值。

（4）原来中学教师往往强调要把0.012 kgC中所含的原子数认定为阿伏加德罗常数，而不是说一个具体数据，现在恰恰要用固定值6. 022 140 76x10来指代阿伏加德罗常数。

4高中化学教学如何调整

关于以上相关概念在目前的人教版新教材和鲁科版新教材中的表述方法有所不同，我们可做一个对比，见表2。

根据实际教学经验，我们的建议是：（1）像鲁科版那样明确地说出新的定义比较好，因为国际单位制的宣传与传播应从中小学基础教育做起。（2）仍可以像以往那样进行计算，但相关的概念判断题，只要和与0. 012 kg相关的表述都应该进行相应的审核与修订或推翻。（3）由于规定摩尔包含6.022 140 76×1023个基本单元，因此摩尔中直接就包含了数量的含义，因此有人说，转移的电子数为2mol这一说法是有一定道理的。但作为一线教师，我们仍不建议直接说电子转移数为2mol，因为如此学生容易把它和2个或2万完全等同处理，但实际是需要通过阿伏加德常数换算成具体个数的。（4）还有人说，现在阿伏加德常数无单位，实际此点并未改变，阿伏加德罗常数单位还是mol。（5）教师应认识新定义的本质，命题时要避免出现下列题目。如：某元素1个原子的质量是ag，又知1个C原子的质量为6g，NA表示阿伏加德罗常数，则下列各式中能表示該原子的相对原子质量数值的是

原答案为B，现在则无答案。

阿伏加德罗常数作为一个基本物理常数，它的意义是建立了宏观尺度和微观尺度之间的联系，使人们认识到宏观尺度的物质与微观尺度的同一物质之间存在确定的数值关系。阿伏加德罗常数在中学教学中是非常重要的核心概念，对“宏观辨识与微观探析”维度的化学学科核心素养的培养意义重大。因此一线教师既要关注此概念的科学性，又要关注教学的现实性，对此知识点的教学深入探究如何适度处理是非常重要的。