为什么国际上要用12克的碳12来定义1 mol的数目而不用1克的氕?

为什么为什么

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11个答案
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橡树村科学松鼠会成员,化学博士

2014-07-13 02:26

这个问题可以追朔相对原子量的定义历史。

第一个提出相对原子量的,是道尔顿,时间是1803年,他当时使用的基准是氢。使用氢的原因也很简单,因为氢是当时发现的质量最轻的,当然现在也是。这样把氢定义为1,使用起来比较方便。当时的原子量测量方法还处于创立阶段,精度还很差,有关原子的理论也非常混乱。道尔顿的测量只能用于单质元素气体,对于化合物,也只能依赖已知比例的化合物,这在当时可不是一件容易的事情。再加上各类其他条件限制,道尔顿公布的相对原子量数据的质量是很差的。

19世纪初期测量相对原子量方面,Berzelius作了很多的工作,他提出了另外一个相对原子量的基准,是氧,定义的是O=100。当时的原子量测量方法要使用化合物用于比较,而氧优于氢的原因是氧的化合物分布广泛,与大多数元素都能结合为化合物,方便相对原子量的测量。由于当时的测量精度等等问题,这一套氧基准得到的原子量,与氢基准的有点对不上号,而且,得到的各个元素的原子量大多不是氢的整数倍数。

随后关于相对原子量的测量工作继续展开,原子量测量的精度在增加,原子理论也逐渐被接受完善,但是原子量测量并没有公认标准。到1860年第一次科学大会在Karlsruhe召开的时候,原子的理论仍然没有统一,不过化学家这个时候倾向于把基准定到氢。这个时候相对原子量的测量精度大约在1%,也没有认识到同位素的存在。在原子量测量工作中,有的使用H=1的标准,有的使用O=16的标准,有的索性两个标准都提供。在整个19世纪后期,基本上就是两套标准并行。

到19世纪末期,统一原子量的要求已经很强烈了,于是终于出现了国际委员会负责这个问题。由于氧标准在实际操作中更加方便,这个委员会倾向于使用O=16来作为基准。这样在20世纪初期,使用氧标准的成为主流。虽然仍然有人使用H=1标准,1920年IUPAC大会的时候仍有人提出改回H=1标准,但是主流仍然认可O=16标准。

摩尔的概念是在19世纪末期才出现的,并在20世纪初期得到发展。也就是说摩尔的概念引入的时候,相对原子量的基准是氧。

然后新麻烦来了。1929年发现了氧的同位素O17和O18都在自然界存在。虽然O16的丰度是99.762%,占了自然氧的绝大多数,但是仍然导致了问题。此前的原子量测量,因为不知道氧稳定同位素在自然界存在,使用的是自然界中的氧,实际上是不同种类同位素的加权平均结果。所有的数据都是基于此的。那么,现在知道了氧也是有几种同位素的,使用O16=16作为标准显然更加准确,但是改不改呢?使用自然氧作为基准是很不方便的,虽然氧的丰度分布在地球上大致相同,但是总还是有一些地区时间差异的。使用一个会变化的东西作为基准,并不合适。但是使用原子量最多的是化学家,已经有大量的文献使用了自然氧标准,改用O16=16基准导致数据的变化太大,化学家们不接受。

1932年开会的时候,索性讨论了更多的标准,列到候选里面的有1H=1,4He=4,16O=16和O=16四套。不过这次大会认为,现有普遍使用的16O=16和O=16两套,反正知道的也搞不混,就先这样把。于是基本上化学家们继续使用O=16作为基准,物理学家们则普遍采用了O16=16作为基准。

到20世纪中期,原子量的测量已经不必再依赖化合物,质谱成了最方便准确的方法。也就是说虽然历史的原因氧标准有其好处,但是到这个时候,这个好处已经并不存在了。这个体系之所以仍然被使用,原因更多的是历史传承原因。毕竟不是出于很重要的原因,没有必要去重新建立一个体系。不过O=16与O16=16两套标准并行也不是办法,于是相关人员也在寻找两派都可以认可的方法。特别是进入核时代之后,人们已经知道人类自己就可以改变一些同位素的丰度,使用加权平均就更加不方便了。但是化学家不接受O16=16标准的理由仍然成立。

于是就有了新的建议,使用C12=12作为基准。这个建议来自搞质谱的物理学家。1950年代的时候,质谱已经在使用C12作为实验基准之一,实际上已经是一个测量原子量的重要基准。而且与改为O16=16的基准相比,使用C12=12作为标准,化学家们使用的原子量需要的变动仅仅是百万分之42,而改为O16=16,原子量需要的变动则是百万分之275。化学家认为百万分之42的变化是可以接受的,不会对历史数据造成问题,于是这个建议被接受了。这样化学物理在原子量问题上终于有了统一意见。1960年IUPAC大会,正式认可C12成为原子量的新标准,在1961年,元素周期表都按照C12标准重新制定。

具体故事可以看

http://www.iupac.org/publications/ci/2004/2601/1_holden.html

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应该是同位素丰度的差别吧,碳12的自然丰度很理想,不需要分离其他同位素。当然,应该氟19是最理想的,自然丰度100%,但是1930s才得到的单质

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samuel_jia泛理性主义者、材料加工博士在读

2014-07-12 18:27

最开始定义的时候,找了个简单的办法:元素周期表开始数,氢,氦是气体,比较麻烦;锂,铍,活性大;硼,需要从硼砂中提纯出来;碳,自然界就有高纯稳定的,金刚石,石墨之类,多方便,直接就用了呗。至于后来为什么技术提升了也没换,大概是没必要,花费巨大也没有什么质的变化,所以就这么用了。

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主要就是为了精确性,不然定义度量衡什么的真的没什么讲究的,易于测量什么的最喜欢了

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没那么复杂。易于测量和稳定而已。

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为什么用C12,方便才是硬道理!

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12克碳12用秤一称就行了,一克氕恐怕不那么容易称出来吧,估计在制取时会不会混入其他气体都很难说。

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氕只有质子,且质子比中子轻,因此1克的氕含有的原子数多于阿伏加德罗常数。

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源自于科学史上一个不经意的小插曲...........

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其实还想问一个,阿伏伽德罗常数的单位是mol^-1,其实能不能理解成“个每摩尔”但是“个”不属于物理单位所以就变成了“每摩尔”

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