用摩爾來表示物質的量,也是十分方便的。科學家測得1摩爾(一“打”)的碳原子(指碳-12)的質量正好是12克。從這裏推算出1摩爾其他原子的質量也很簡單。比如,1摩爾氫原子的質量是1克;1摩爾鐵原子的質量是55.85克;1摩爾氧原子是16克等等。這裏我們還可以看出,1摩爾任何原子的質量,其數值等於這種原子的原子量。計算分子的質量、離子的質量都一樣方便。所以我們也可以說,摩爾像一座橋梁,把單個的、肉眼看不見的微粒,同數量很大的微粒集體,以及可以稱量的物質之間聯係起來了。用摩爾可以直接描述出化學反應中反應物和生成物之間的數量關係。我們說1摩爾碳和1摩爾氧氣反應,生成1摩爾二氧化碳。
原子量
構成萬物的小小原子,究竟小到什麼程度?中國古代有位叫公孫龍的說過:“一尺之棰,日取其半,萬世不竭。”意思是說,有根一尺長的木棍,每天把它截去一半,一萬代也截不完。
如果確實有這樣的工具,能一直截下去的話,那麼,一尺木棍每天截去一半,到第三天隻剩下八分之一尺;第十天隻剩下一千零二十四分之一尺;到第三十天,剩下十億分之一尺,這時木棍已經比纖維素分子還小了;到第三十二天,隻剩下四十億分之一民主黨派,相當於原子大小了。科學家發現,不同的原子,大小也不同。原子的直徑一般是一億分之一厘米,或三十億分之一尺。打個比方,一個最小的細菌裏麵大約可以容納20億個原子!
這樣小的原子,有多重呢?雖則原子的種類不同,大小各異,重量也不同,但是科學家已經測出各種元素的原子重量,隻不過數值太小,寫起來太麻煩。例如,如果以克為單位,那麼一個碳原子的重量是小數點後麵22個0,才接上以克計的小數。這好像用大的磅秤來稱一粒芝麻那樣,很不恰當。因此,科學家規定:以一個碳原子(指碳-12)重量的十二分之一為標準,其他的原子重量同這標準相對照得出相對重量,稱為這個原子的原子量。就是說,用一種原子的重量,來衡量另一種原子的重量,兩種不同原子重量的比,才是原子量。所以,原子量是沒有單位的。例如氫的原子量等於1,碳是12,氧是16,鈉是23等等,這在化學計算方麵很有用。
晶體結構
在金屬世界裏,每一種金屬都有自己的“脾性”。有的金屬容易變形,既可碾成片,也可拉成絲,像金、銀、銅、錫、鋁;有的金屬相當硬,不容易變形,如鉻、鎢、釩、鉭等。金屬的“脾性”同它本身的晶體結構有著密切關係。
讓我們用火柴盒裏放彈子糖的方式,來說明金屬的晶體結構。找一個火柴盒,取出火柴,放一層彈子糖。在放第二、第三、第四……各個層次的彈子糖時,可以有不同的堆放形式。我們把第一層叫做A層,第二層叫做B層。如果第三層彈子糖直接放在第一層彈子糖的上方,這是另一個A層;第四層彈了糖直接放在B層的彈子糖上方,這又是個B層。這樣可以組成一種ABAB……晶體結構。換一種推放法:開始A層和B層與以前一樣,隻是第三層作為C層彈子糖不放在A層上方,第四層才在A層上方,第五層是B層,第六層是C層,這樣就製成了一種ABCABCAB……晶體結構。從這兩種晶體結構模型可發現,隻要一點點推力,上層彈子糖就容易滑下。具有這種晶體結構的金屬,容易改變形狀。
如果我們在第一層的上方,筆直地推放第二層彈子糖,這樣取出上下左右四顆彈子糖,構成的是立方形,四顆彈子糖中間差不多還可以放一顆彈子糖,這樣堆砌起來的晶體結構,就成了硬性金屬的結構模型。如果把兩種不同的金屬,混合起來變成“合金”,會比其中任何一種金屬更硬。像我們日常使用的硬幣,就是鋁鎂合金。
有些螺絲或者齒輪的牙齒,比原來的鋼材要硬朗,而且耐磨,這是因為在使用以前,已經把它放在含氮的氣體中,進行熱處理,叫做滲氮。也就是在鐵晶體的空隙裏,固定了一個氮原子,每一層都一樣。經過這樣的排列,螺絲和齒輪牙的表麵就很堅硬了,並且可以防止劇烈的腐蝕。
除了金屬以外,有一些化合物,如食鹽、石膏、碳酸氫鈉、氫氧化鉀、硬脂酸鈉等成千上萬種物質,都有一定的結構。氯化鈉的晶體結構模型,我們可以用兩種不同顏色的彈子糖,在火柴盒裏排列成一個方陣。將紅、白兩種彈子糖交替排列,像一塊國際象棋板。第二層彈子糖的顏色與第一層的“錯位”,紅色的放在白色的上麵,第三層再交錯放,就製成了一種氯化鈉的模擬晶體結構。紅色彈子糖代表鈉離子,帶正電荷,白色的彈子糖代表氯離子,帶負電荷。