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

2014-07-15 果壳网 蒲公英

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。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。不过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。这个时候，道尔顿的原子理论也并没有被普遍传播，更谈不上接受。

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。由于氧标准在世纪操作中更加方便，这个委员会倾向于使用O=16来作为基准。到1906年，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，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。于是就出现了问题，究竟以自然界存在的氧作为基准，还是使用O16这个同位素作为基准。说起来应该使用O16作为基准。使用自然氧作为基准是很不方便的，毕竟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。

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，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，于是化学家认为可以接受这个标准。于是终于有了统一意见。1960年IUPAC大会，终于认可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。