高中化学 自然科学问题

Question

一个碳原子质量是如何测定的？ 微观粒子的质量是用仪器测量的还是通过计算算出来的？

我在教高中化学，学生们总问阿伏加得罗常数是怎么算出来的，我说根据碳十二的质量算的，他们就问碳原子的质量是怎么算出来的，我总不能说是用阿伏加德罗常数算出来的吧

Answer 1

原子量测定的历史回顾

原子量的测定在化学发展的历史进程中，具有十分重要的地位。正如我国著名化学家傅鹰先生所说：“没有可靠的原子量，就不可能有可靠的分子式，就不可能了解化学反应的意义，就不可能有门捷列夫的周期表。没有周期表，则

现代化学的发展特别是无机化学的发展是不可想象的”[1]，在已建立了科学的原子量基准，并且通过相当完善精密的原子量测定方法测得足够精确的原子量数值的今天，我们回顾一下化学科学发展进程中这段重要史实，对于深入研究化学发展规律，帮助我们正确理解和使用原子量，无疑是大有稗益的。

一、道尔顿的开山之功
英国著名的化学家道尔顿(J.Dalton，1766～1844）在提出原子论观点的同时，就为确定不同元素原子的相对重量作了努力。从而成为化学史上测定原子量的第一人，成为这一领域的拓荒者。在当时的历史条件下，要确定各种元素的相对重量并非易事。这首先要确立一个相对标准，既以谁为参照基准。其次要有准确的定量分布手段，并且要明确单质和化合物分子中元素原子的数目，这在当时对于大多数化合物是很难做到的。正是由于这个原因，道尔顿只能采用主观武断的方法规定不同元素的原子化合形成化合物的原子数目比。例如，他认为水是由1个氧原子和1个氢原子组成的。这祥，根据当时拉瓦锡（A .L. Lavoisier，1743～1794）对水的重量分析的结果，以他选择的氢原子的相对重量 为1做基准，算得氧原子相对重量为5.5。

1803年10月21日，道尔顿在曼彻斯特的 “文学和哲学学会”上阐述他的原子论观点时，第一次公布了6种元素的原子相对重量，但他没有宣布数据的实验根据。此后，他又先后于1808年、1810年、1827年在其著名的《化学哲学新体系》一书的第一、二卷中不断增加元素种类，使之最终增至37种，并对部分数值做了修正……。由于道尔顿以主观武断的方式确定物质的组成，因而所得的原子相对重量都与今天的原子量相差甚远。尽管如此，他的这项极富开性和科学性,使之一直沿用至今.更重要的是他的这项工作在当时为广大化学工作者找到了正 确的前迸方向，使得化学科学向系统化、理性化迈进了一步。正如恩格斯指出：“在化学中特别是由于道尔顿发现了原子量，现已达到各种结果都具有了秩序和相对的可靠性，已经能够有系统地、差不多是有计划地向还没有被征服的领域进攻，就象计划周密地围攻一个堡垒一样”〔4〕。

二、贝采里乌斯的非凡工作
道尔顿首创的确定元素原子相对重量的工作，在当时的欧洲科学界引起了普通的关注和反应。各国的化学家们在充分认识到确定原子量的重要性的同时，对于道尔顿所采用的方法和所得到的数值感到不满和怀疑。于是继他之后，许多人便纷纷投入测定原子量的行列中，使这项工作成为19世纪上半叶化学发展的一个重点。

在这其中，工作非凡，成绩斐然的是瑞典的化学大师贝采里乌斯（J．J．Berzelius， 1779～1848）。这位近代“化学大厦”的卓越建筑师，对近代化学的贡献涉及诸多方面。其中最为非凡的是他用了近二十年的时间，在极其简陋的实验室里测定了大约两千种化合物的化合量，并据此在1814～1826年的12年里连续发表了三张原子量表，所列元素多达49种〔5][6]。其中大部分原子量已接近现代原子量数值，这在当时的历史条件下是极其难能可贵的。

贝采里乌斯之所以能在长达近二十年的时间里孜孜不倦、专心致志地从事原子量的测定工作，是因为他高瞻远瞩地认识到这项工作的重要意义。他认为“这就是那时候化学研究最重要的任务”[4]。贝采里乌斯测定原子量的方法与道尔顿相似，但他的基准选定氧= 100。对于化合物组成，他也采用了最简单比的假定。与道尔顿不同的是，他在坚持自己亲自通过实验测定化含量的同时，时时注意吸取他人的科研成果。比如像盖·吕萨克（L，J．Gay．Lussac， 1778～1850）的气体反应体积简单比定律；杜隆（P．L．Dulong， 1785～1838）和培蒂（A，T，peiit，1791～1820）的原子热容定律以及他的学生米希尔里希（E．E． Miischerlich，1794～1863）的同晶型规律等。大约在1828年，贝采里乌斯结合原子热容定律和同晶型定律把他长期弄错的钾、钠。银的原子量纠正过来。正是由于他能够博采众长，持之以恒，才得出了比较准确的原子量，以自己的辛勤劳动为后来门捷列夫发现元素周期律开辟了道路，在化学发展史上写下了光辉的一页。

三、庚尼查罗的杰出贡献
在19世纪上半叶的五十多年里，从道尔顿到贝采里乌斯，虽然有很多人致力于原子量的测定，但由于对化合物中原子组成比的确定一直没有找到一个合理的解决办法，更主要的是当时对分子和原子的概念尚混淆不清，因而使原子量的测定长期处于极其混乱的状态，陷入了困境。这期间，尽管法国著名化学家杜马（J．B．A．Dumas，1800～1884）曾于1826年发明了简便的蒸气密度测定法，并曾试图利用这一方法，通过测定分子量计算原子量。但因为他虽然

有不同数目的原子”[4]。“他还指出：“……只要我们把分子与原子区别开来，只要我们把用以比较分子数目和重量的标志与用以推导原子量的标志不混为一谈，只要我们最后心中不固执这类成见：以为化合物的分子可以含不同数目的原子，而各种单质的分子却都只能含一个原子或相同数目的原子，那么，它（指阿佛加德罗分子理论，包括安培后来的观点）和已知事实就毫无矛盾之处”[2]．康尼查罗正是在明确区分了原子和分子的基础上，通过测定分子量结合物质重量组成分析结果，提出了如下结论：当考虑一系列某一元素的化合物时，其中必然有一种或几种化合物中只含有一个原子的这种元素，那么在一系列该元素的重量值中，最小值就是该元素原子量的约值[2][4][7]。康尼查罗的上述工作，澄清了当时一些错误观点，统一了分歧意见，为原子—分子论的发展和确定扫除了障碍，使得原子—分子论整理成为一个协调的系统，从而大大地推进了原子景的测定工作。对此德国著各化学家迈尔（J.L.Meyer,1830～1895）给予极高的评价[3]。与前人相比，康尼查罗在原子量的测定上没有什么特殊的发现，但由于他决定性地论证了事实上只有一门化学学科和一套原子量，从而在化学发展的重要时刻做出了杰出贡献。

四、斯达与理查兹的卓越功绩
康尼查罗虽然使原子量测定工作步入正确轨道，但所得到的只是原子量的约值。欲使化学真正成为一门精确的科学，这显然是远远不够的。在通向精确的“真实”原子量的道路上还布满荆棘，困难重重。这首先在于测定标样的化合物必须可以提高到高纯度，在诸多化合物中，只有极少数化合物能满足这一要求。其次，必须有严密的实验手段，十分干净的实验环境和相当精密的分析设备。最后，还要有高超准确的实验操作技能，以确保实验数据的高度重复性。所有这些都无不昭示要得到准确的“真实”原子量需要有非凡的实验化学家。自19世纪中叶开始到本世纪初叶，相继有两位卓越的化学家为此付出了艰辛的劳动。

比利时化学家斯达（J.S.Stas,1813～1891）是最早进行原子量精确测定的人。他在1860年提出采用O＝16为原子量基准。在广泛使用当时发展起来的各种制备纯净物质的方法的同时，他一方面注意提高使用的蒸馏水的纯度，以防引入杂质,同时，将天平的灵敏度提高到0.03毫克；另一方面选用易被制成高纯度的金属银作为测定基准物。这些精益求精的工作使斯达在1857～1882这二十五年时间里测定了多种元素的精确原子量，其精度可达小数点后4位数字，与现在原子量相当接近。继斯达之后，美国化学家理查兹（T.w.Richards,1868～1928）的工作更为出色。这使他因此而荣获1914年诺贝尔化学奖。自1904年起，他和他的学生通过大量的分析工作修正了斯达的原子量值。例如，他发现斯达使用的银中含有少量氧，于是采用如下方法改进：用经过15次重结晶后得到的AgNO3还原得到银，再将银放置在石灰石上在氢气中熔化，从而得到不含氧的银。他通过这种方法将银的原子是从107.93修正为107.88与现代银原子量更为接近。

五、原子量基准的演变与现代原子量的测定
原子量基准的选择是测定原子量的重要基础。最早的原子量基准是由道尔顿提出的H=1。接着贝采里乌斯以O=100为基准。1860年，斯达提出O=16为基准，很快得到公认并在化学领域沿用了整整一个世纪（1860～1960）。伴随着化学科学的不断发展和原子量数值精度的不断提高，特别是1929年美国化学家乔克（W.F.Giauque，1895～1982)等人在天然氧中发现了17O和18O两种同位素后，使得化学和物理两大领域的原子量基准出现了差别。由于化学的原子量基准选用的是天然氧，而物理的原子量基准选用的是16O＝16，因此精确计算得出化学原子量单位＝1．000275×物理原子量单位，这佯就使得世界上存在两套原子量数值，这势必要引起一些混乱。对此，化学和物理界都认识到统一两套原子量单位的必要性。为此科学家们提出了许多建议。曾先后提出以4He= 4和以19F＝19为基准，但都因各自的不足而被否定[2] 。

1957年，美国质谱学家尼尔（A·O·Neer和化学家厄兰得（A.OLander）提出以12 C＝12为基准的方案。由于l2 C基准有利于采用质谱法则定核素的原子量，这一方案得到德国著名质著学家马陶赫（J．Mattauch）的支持。1959 年国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC接受马陶赫的意见，决定建议使用12C=12 为原子量基准.1960年国际纯粹与应用物理联合会（IUPAC）接受了这项倡议，于是一个为世界公认的新原子基准诞生了。

现代测定原子量主要有化学方法和物理方法（质谱法）。化学方法是先制备该元素的纯卤化物，采用银作二级基准分析卤化物纯度，再向一定量的卤化物样品溶液中加入等量的硝酸银,用重量法测定卤化银的重量,然后通过当量测定原子量。质谱法是通过测定同位素的原子量,然后根据其在自然界的丰度计算得到的。它所使用的仪器叫质谱仪，这种方法的最大优点是精度高。现代原子量几乎都是由质谱洁测定的。在质谱仪中，被测样品（气体和固体的蒸气）中的元素经阴极射线的作用产生带正电荷的离子，正离子先后通过电场和磁场后发生偏转。无论正离子速度的大小，只要其电荷与质量之比e／m，简称荷质比）相同的离子就会收敛在一处，在照相板上留下痕迹；不同e／m的正离子将收敛在不同位置，从而形成相应的线条。将这些线条的位置与l2C原子质谱上的谱线和相应的质量标度比较可求得这些离子即元素的相对质量。同时，用电流检示计通过测定离子流的强度求出这些元素的相对丰度，进而便可算出该元素的原子量。此外还有一种核反应法。它是通过质能关系式DM＝Q／C2，根据核反应的能量变化Q来计算两核间的质量差值，进而求出原变化Q来计算两核简的质量差值，进而求出原子量，这种方法对测定短半衰期的放射性同位素原子量是唯一的。由于用质谱测定原子量时，必须同时测定同位素丰度，而有些元素同位素的组成因来源不同而有涨落，以导致实际测得这些元素的原子量并非固定不变。因此，现在每两年需修订一次原子量表。

六、结束语
回首原子量测定的沧桑历史，我们不难得到如下启示：

开创性思维在科学发现和发展中发挥着重要作用。不难设想，倘若没有道尔顿确定相对原子重量这一极富创见性的开端，当时的化学家们恐怕还要在盲目中枉费许多时光和精力；倘若康尼查罗不在原子量测定处于非常混乱之时，创造性地理顺了分子和原子的概念，以其杰出的思辨性思维和极其精辟的论述使原子量测定工作走出困境，人们不知还会在无休止的争论中僵持多久，这样，门捷列夫恐怕也难以攻克元素周期律这一划时代的科学堡垒。

参考文献
[1]张家治主编，化学史教程，山西教育出版社，1987：263
[2]赵匡华编著，化学通史. 北京：高等教育出版社，1990：102，122，124
[3][英]约翰.道尔顿著，化学哲学新体系.李家玉，盛根玉，潘道皑译，武汉出版社，1992：129～130,312，513～514
[4]凌永乐编著。世界化学史简编。辽宁教育出版社，1989: 137～148
[5]「英]J．R柏延顿著。化学简史。胡作玄译，商务印书馆，1979：219
[6]袁翰青，应礼义合骗。化学重要史实。人民教育出版社,1989：119～121，524～528
[7]化学发展简史编写组编著％学发展简史，科学出版社，1980：113
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现代的测定方法主要有以下几种：
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1） 利用核反应 的能量平衡求取
在一个核反应中，反应前后能量守恒，能量和质量之间有着爱因斯坦关系。如果反应前后的某些粒子的质量或能量已知，那么就可以根据 守恒原理 求出 某1个 未知粒子的质量。例如 不带电的中子的质量 通常就是这样求得的。
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2）利用原子发射光谱中的超精细结构测定
原子可以发射光谱，光谱对于原子 就如同 指纹对于人。每种原子都有自己的特征光谱。光谱记录呈现若干个独立的 峰。用高分辨能力的 光谱仪器观察这些峰，会发现 所谓的 峰 并非单峰，而是若干个波长很近的 峰叠加在一起而成。这若干个小峰称为光谱的超精细结构。小峰与小峰之间的波长差 决定于原子的质量。通过对小峰之间的波长差的测量，可以推算出 原子的质量。
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3）利用分子转动光谱中的同位素位移。
这种方法的原理与 2）很相似，不再具体描述。
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4）质谱法
这是当代最为流行、测量精度最高的原子量测定方法。测量精度可达 10的 -18 克。在这种方法中，利用“质谱仪”(mass spectrometer) 测量微观粒子的质量。其中的 “质”就是质量的意思。
世界上第一台质谱仪诞生于1919年。目前已经有多种不同类型的质谱仪，例如:单聚焦、双聚焦、串列、四极、飞行时间、加速器 等类型。
质谱仪的工作原理中，主要是通过对微观带电粒子在电磁场中的运动规律的测量来得到微观粒子的质量。带电粒子在电场中 受到库仑力，在磁场中受到洛仑兹力。由于力的作用，微观粒子会具有加速度，以及与加速度对应的运动轨迹。微观粒子质量不同时，加速度以及运动轨迹就会不同。通过对微观粒子运动情况的研究，可以测定微观粒子的质量。
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碳原子是中性粒子，不带电，不会在电磁场中受到作用。但是在自然界中存在着大量种类的碳氢化合物，可以通过一定的技术手段让碳以离子形式被注入到电磁场中。这样就可以测定碳离子、或者碳氢集团离子等的质量。同时它们的电荷也很容易测定，每个电子的质量也很容易测定。这样，就可以推出碳原子的质量。
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关于 阿伏加德罗常数的测定：
主要有：气体动力学法、密立根油滴实验法、布朗运动法、布拉格X射线衍射法等。这些方法都涉及很专业的知识。不再详述。
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Answer 2

　　自然科学是研究无机自然界和包括人的生物属性在内的有机自然界的各门科学的总称。
　　认识的对象是整个自然界，即自然界物质的各种类型、状态、属性及运动形式。认识的任务在于揭示自然界发生的现象以及自然现象发生过程的实质，进而把握这些现象和过程的规律性，以便解读它们，并预见新的现象和过程，为在社会实践中合理而有目的地利用自然界的规律开辟各种可能的途径。
　　自然科学的根本目的在于发现自然现象背后的规律。
　　自然科学认为超自然的、随意的和自相矛盾的现象是不存在的。自然科学的最重要的两个支柱是观察和逻辑推理。
　　由对自然的观察和逻辑推理自然科学可以引导出大自然中的规律。假如观察的现象与规律的预言不同，那么要么是因为观察中有错误，要么是因为至此为止被认为是正确的规律是错误的，超自然因素是不存在的。顺着传统用法，自然科学可被理解为生物科学（涉及生物学程序），并以区辨物理科学（涉及宇宙的物理及化学法则）及化学科学。

　　物理学
　　物理学（physics）是研究自然界最一般的运动规律、相互作用，以及物质的基本存在状态与结构层次的科学。是一门以实验为基础的自然科学。物理学的一个永恒主题是寻找各种序、对称性和对称破缺、守恒律或不变性。一切自然现象都不会与物理学的定律相违背，因此，物理学是其他自然科学及一切现代科技的基础。
　　物理学，其理论结构充分地运用数学作为自己的工作语言，以实验作为检验理论正确性的唯一标准，因此它是目前最精密的一门自然科学。物理学的核心内容值得所有人普及，现行课本应加强近代物理学的普及，因为它所涉及的现象直观上一般不能察觉，但实际上客观存在，而且许多传说中一些离奇的自然现象都可以借助近现代物理学（即相对论、量子力学、非线性物理学等）一一解释。可见，物理学在人类“科学地认识自然、破除迷信”当中的地位何等重要！

　　化学
　　化学（chemistry）是研究物质的组成、结构、性质、以及变化规律的科学。世界是由物质组成的，化学则是人类用以认识和改造物质世界的主要方法和手段之一。从开始用火的原始社会，到使用各种人造物质的现代社会，人类都在享用化学成果。人类的生活能够不断提高和改善，化学的贡献在其中起了重要的作用。化学与人类进步和社会发展的关系非常密切，它的成就是社会物质文明的重要标志。因此，化学是“材料科学的基础、物质科学的核心、物质工业的后盾”，它是一门历史悠久而又富有活力的学科。

　　生物学
　　生物学（biology）又称生物科学，是研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律的科学。可以用于有效地控制生命活动，能动地改造生物界，造福人类。生物学与人类生存、人民健康、经济建设和社会发展有着密切关系，是当今在全球范围内最受关注的基础自然科学。

　　天文学
　　天文学（Astronomy）是研究宇宙空间天体、宇宙的结构和发展的学科。内容包括天体的构造、性质和运行规律等。主要通过观测天体发射到地球的辐射，发现并测量它们的位置、探索它们的运动规律、研究它们的物理性质、化学组成、内部结构、能量来源及其演化规律。

　　地球科学
　　地球科学是以地球系统(包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间)的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科。主要包括地理学（含土壤学与遥感）、地质学、地球物理学、地球化学、大气科学、海洋科学和空间物理学以及新的交叉学科（地球系统科学、地球信息科学）等分支学科。
　　

Answer 3

1959年国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)提出以碳的同位素12C＝12作为相对原子质量的标准，(即以12C质量的1/12作为标准)，并商得国际纯粹与应用物理联合会(IUPAP)的同意，于1961年8月正式决定采用碳的同位素12C＝12作为相对原子质量的新标准。同年发布了新的国际原子量表。

之所以采用12C作为相对原子质量的标准的原因大致是：(1)碳形成很多高质量的“分子离子”和氢化物，利于测定质谱；(2)12C很容易在质谱仪中测定，而用质谱仪测定相对原子质量是现代最准确的方法；(3)采用12C后，所有元素的相对原子质量都变动不大，仅比过去减少0.004
3%；(4)这种碳原子在自然界的丰度比较稳定；(5)碳在自然界分布较广，它的化合物特别是有机化合物繁多；(6)密度最小的氢的相对原子质量仍不小于1。
原子的绝对质量很小，如果用千克来表示，很不方便。于是采用12C一个原子质量的1/12作标准，其他原子的质量跟它比较所得的值，就是这种原子的相对原子质量

质谱仪

mass-spectrograph

分离和检测不同同位素的仪器。仪器的主要装置放在真空中。将物质气化、电离成离子束，经电压加速和聚焦

，然后通过磁场电场区，不同质量的离子受到磁场电场的偏转不同，聚焦在不同的位置，从而获得不同同位素的质量谱。质谱方法最早于1913年由J.J.汤姆孙确定，以后经 F.W.阿斯顿等人改进完善。现代质谱仪经过不断改进，仍然利用电磁学原理，使离子束按荷质比分离。质谱仪的性能指标是它的分辨率，如果质谱仪恰能分辨质量m和m＋Δm，分辨率定义为m／Δm。现代质谱仪的分辨率达 105 ～106 量级，可测量原子质量精确到小数点后7位数字。

质谱仪最重要的应用是分离同位素并测定它们的原子质量及相对丰度。测定原子质量的精度超过化学测量方法，大约2／3以上的原子的精确质量是用质谱方法测定的。由于质量和能量的当量关系，由此可得到有关核结构与核结合能的知识。对于可通过矿石中提取的放射性衰变产物元素的分析测量，可确定矿石的地质年代。质谱方法还可用于有机化学分析，特别是微量杂质分析，测量分子的分子量，为确定化合物的分子式和分子结构提供可靠的依据。由于化合物有着像指纹一样的独特质谱，质谱仪在工业生产中也得到广泛应用。

Answer 4

·阿伏加德罗常数之二 12.000g12C中所含碳原子的数目,因意大利化学家阿伏加德罗而得名,具体数值是6.0221367×1023.包含阿伏加德罗常数个微粒的物质的量是1mol.例如1mol铁原子,质量为55.847g,其中含6.0221367×1023个铁原子;1mol水分子的质量为18.010g,其中含6.0221367×1023个水分子;1mol钠离子含6.0221367×1023个钠离子; 1mol电子含6.0221367×1023个电子. 这个常数可用很多种不同的方法进行测定,例如电化当量法,布朗运动法,油滴法,X射线衍射法,黑体辐射法,光散射法等.这些方法的理论根据各不相同,但结果却几乎一样,差异都在实验方法误差范围之内.这说明阿伏加德罗数是客观存在的重要数据.现在公认的数值就是取多种方法测定的平均值.由于实验值的不断更新,这个数值历年略有变化,在20世纪50年代公认的数值是6.023×1023,1986年修订为6.0221367×1023.
flysui 01-18 20:13
·阿伏加德罗常数之一 阿伏加德罗常数的定义值是指12g12C中所含的原子数,6.02×1023这个数值是阿伏加德罗常数的近似值,两者是有区别的.阿伏加德罗常数的符号为NA,不是纯数,其单位为mol-1.阿伏加德罗常数可用多种实验方法测得,到目前为止,测得比较精确的数据是6.0221367×1023mol-1,这个数值还会随测定技术的发展而改变.把每摩尔物质含有的微粒定为阿伏加德罗常数而不是说含有6.02×1023,在定义中引用实验测得的数据是不妥当的,不要在概念中简单地以\"6.02×1023\"来代替\"阿伏加德罗常数\".

Answer 5

摩尔定义中的0.012千克碳--12（162C）所含的原子数目就是阿佛加德罗常数

的定义值，摩尔定义中并未指定一个准确的粒子数目，因此，测定阿佛加德罗常

数就可以看成实现了摩尔单位。传统方法用碳--12的单晶体测量原子的质量、密

度和原子间距。现在阿佛加德罗常数可用多种不同的实验方法进行测定，例如电

化当量法、布朗运动法、油滴法、X射线衍射法、黑体辐射法、光散射法等。

精密测定阿佛加德罗常数N0可通过N0与晶体各参数的关系式用X射线干涉仪

测量。现在一般用纯单晶硅代替碳--12，先用质谱仪测定碳--12与硅的原子量的

比值以及硅的同位素成分，然后用浸入液体法得出硅晶体的密度。因为晶体的晶

格d和相同的波长的X射线的波长与晶格成倍数关系，可确定晶体尺寸准确的长度

比值。利用测量小位移的X射线和光学干涉仪可以直接测量硅晶体的晶格常数。

由阿佛加德罗常数N0等于分子量M与一个分子的质量m之比，得关系式：

N0=M/m=M/ρv=n·M/ρфd3

注：n为单胞中的分子数，ρ为密度，d为晶格常数，φ为几何因子

1971年，美国德斯拉梯斯（Deslattes）用此法求得

N0 = 6.0220943×1023 mol--1 ,

不确定度为1×10--6