莫耳與阿伏伽德羅常數:HSC 化學指南
了解莫耳如何與阿伏伽德羅常數連結,以及如何在物質的量與原子、分子、離子和化學式單位的數目之間進行轉換。
一個密封容器中裝有 \(0.250\ \text{mol}\) 的水。你無法逐一數出水分子,但在化學中,你仍然需要說明其中有多少個水分子。
在計算之前,先作一個預測。\(0.250\ \text{mol}\) 比較接近一千個分子、十億個分子,還是 \(10^{23}\) 個分子?
它的數量級是 \(10^{23}\)。這個極其龐大的數字,正是我們需要使用莫耳的原因。原子、分子和離子都非常微小,因此實驗室中具有實際用途的樣本會含有數量大得驚人的粒子。莫耳讓我們能以實用的方式計數這些粒子,而不必真的逐一數出它們。
01莫耳是一種計數單位
你其實早已在使用把物件成組計數的單位。例如,一打表示 12 個物件。如果有人說「兩打雞蛋」,你馬上就知道那是 24 顆雞蛋。
莫耳的運作方式相同,只不過化學需要大得多的一組:
\[ 1\ \text{mol} = 6.02214076 \times 10^{23}\ \text{個指定粒子} \]
這個數字與阿伏伽德羅常數 \(N_A\) 有關:
\[ N_A = 6.02214076 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1} \]
在計算中,你經常會看到它取近似值為 \(6.022 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}\)。如果題目提供了一個數值,就使用題目所提供的數值。
因此:
- 1 mol 的氦含有 \(6.02214076 \times 10^{23}\) 個氦原子。
- 1 mol 的水含有 \(6.02214076 \times 10^{23}\) 個水分子。
- 1 mol 的氯化鈉含有 \(6.02214076 \times 10^{23}\) 個 \(\ce{NaCl}\) 化學式單位。
「一打」的類比很有用,但也有其限制。一打告訴你有 12 個物件,而一莫耳告訴你有 \(6.02214076 \times 10^{23}\) 個實體。兩者都不會告訴你這些物件是甚麼,或它們有多重。
一打保齡球和一打棉花糖所包含的物件數量相同,但質量顯然不會相同。莫耳也是同樣的道理。

02「粒子」實際上是指甚麼?
很多莫耳題目會在這裡不知不覺變得更難。
假設一道題目說有 \(6.022 \times 10^{23}\) 個「粒子」。究竟是在數甚麼?
你需要辨認出指定實體。
| 物質或情況 | 通常計數的實體 |
|---|---|
| \(\ce{He}\)、\(\ce{Ne}\)、\(\ce{Fe}\) | 原子 |
| \(\ce{H2O}\)、\(\ce{CO2}\)、\(\ce{O2}\) | 分子 |
| \(\ce{NaCl}\)、\(\ce{MgCl2}\) | 化學式單位 |
| 題目中個別考慮的 \(\mathrm{Na}^{+}\)、\(\mathrm{Cl}^{-}\) | 離子 |
例如,\(1\ \text{mol}\) 的 \(\ce{O2}\) 含有 \(6.022 \times 10^{23}\) 個 \(\ce{O2}\) 分子。
但每個分子含有兩個氧原子。因此,\(1\ \text{mol}\) 的 \(\ce{O2}\) 所含的氧原子數是兩倍:
\[ 2(6.022 \times 10^{23}) = 1.2044 \times 10^{24}\ \text{個氧原子} \]
分子與分子內部原子之間的這項區別,是粒子計數題中最常見的陷阱之一。
03將莫耳數與粒子數連結起來
我們使用三個符號:
- \(n\) 是物質的量,以莫耳(\(\text{mol}\))為單位。
- \(N\) 是指定粒子的數目。
- \(N_A\) 是阿伏伽德羅常數,以 \(\text{mol}^{-1}\) 為單位。
如果你知道物質的量,想求粒子數:
\[ N = nN_A \]
為甚麼要相乘?
因為每一莫耳都含有 \(6.022 \times 10^{23}\) 個粒子。如果莫耳數更多,就表示你有更多組這個龐大的粒子數。
單位方面也合理:
\[ \text{mol} \times \text{mol}^{-1} \]
莫耳單位會相消,最後留下實體的個數。
例題:0.250 mol 的水中有多少個分子?
計算 \(0.250\ \text{mol}\) 的 \(\ce{H2O}\) 中有多少個水分子。
步驟 1
水是分子物質,所以我們要求的是 \(\ce{H2O}\) 分子的數目。
步驟 2
\[ N = nN_A \]
步驟 3
\[ \begin{aligned} N &= (0.250\ \text{mol})(6.022 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1})\\ &= 1.5055 \times 10^{23} \end{aligned} \]
步驟 4
\[ N = 1.51 \times 10^{23}\ \text{\(\ce{H2O}\) 分子} \]
所以,即使只有四分之一莫耳,也含有約 \(1.5 \times 10^{23}\) 個分子。
這正是直接逐一數分子完全不切實際的原因。
04反過來計算:粒子數轉換為莫耳數
現在把問題反過來。
假設你知道一個樣本含有 \(3.011 \times 10^{23}\) 個分子。這是多少莫耳?
由於 \(1\ \text{mol}\) 對應 \(6.022 \times 10^{23}\) 個粒子,因此 \(3.011 \times 10^{23}\) 應該是半莫耳。
形式上,把
\[ N = nN_A \]
重新整理為
\[ n = \frac{N}{N_A} \]
由此可得一個實用的判斷規則:
| 已知 | 要求 | 運算 |
|---|---|---|
| 莫耳數 \(n\) | 粒子數 \(N\) | 乘以 \(N_A\) |
| 粒子數 \(N\) | 莫耳數 \(n\) | 除以 \(N_A\) |
不要只是死記「往這個方向乘、往那個方向除」,卻不了解原因。應該想一想數值的大小。
一莫耳代表極其龐大的粒子數。因此,從一般大小的莫耳數轉換成個別粒子時,答案應該會變成一個很大的數。乘以 \(N_A\) 正好會產生這樣的結果。
把一個極大的粒子數轉換回莫耳數時,則應該得到小得多的數值。除以 \(N_A\) 就會做到這一點。
例題:先求分子數,再求原子數
一個甲烷樣本含有 \(9.03 \times 10^{22}\) 個 \(\ce{CH4}\) 分子。計算:
- 甲烷的物質的量
- 樣本中的氫原子數。
步驟 1
我們已知 \(N\),所以使用
\[ n = \frac{N}{N_A} \]
代入:
\[ \begin{aligned} n &= \frac{9.03 \times 10^{22}}{6.022 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}}\\ &= 0.14995\ \text{mol}\\ &\approx 0.150\ \text{mol} \end{aligned} \]
因此,這個樣本含有 \(0.150\ \text{mol}\) 的 \(\ce{CH4}\)。
步驟 2
化學式 \(\ce{CH4}\) 告訴我們,每個甲烷分子含有四個氫原子。
因此:
\[ \begin{aligned} N(\text{\(\ce{H}\) 原子}) &= 4N(\text{\(\ce{CH4}\) 分子})\\ &= 4(9.03 \times 10^{22})\\ &= 3.612 \times 10^{23} \end{aligned} \]
所以這個樣本含有
\[ 3.61 \times 10^{23}\ \text{個氫原子} \]
請注意這裡有兩種不同的計數。甲烷有 \(9.03 \times 10^{22}\) 個分子,但氫原子的數目是它的四倍。
05下標會改變你正在計數的對象
想像有 \(0.100\ \text{mol}\) 的 \(\ce{CO2}\)。
一個很容易出現的預測是:既然有 \(0.100\ \text{mol}\) 的分子,它就含有 \(0.100\ \text{mol}\) 的原子。
這個預測忽略了每個分子內部包含甚麼。
每個 \(\ce{CO2}\) 分子含有:
- 1 個碳原子
- 2 個氧原子
- 總共 3 個原子
因此,\(0.100\ \text{mol}\) 的 \(\ce{CO2}\) 含有:
\[ 0.100\ \text{mol 的 C 原子} \]
\[ 0.200\ \text{mol 的 O 原子} \]
以及
\[ 0.300\ \text{mol 的原子總數} \]
化學式中的下標可以視為粒子之間的比例。
相同的推理也適用於離子化合物。一個 \(\ce{Al2(SO4)3}\) 化學式單位含有:
- 2 個鋁離子
- \(3\) 個硫酸根基團
- \(3 \times 4 = 12\) 個氧原子
最後一步十分重要。括號外的 3 會乘上括號內的每一項。

06解答粒子題的可靠方法
當一道題目同時涉及莫耳數和粒子數時,可以按以下順序處理。
1. 說明實體是甚麼。 你正在數的是原子、分子、化學式單位,還是離子?
2. 判斷你是否正在莫耳與實體之間轉換。
使用:
\[ N = nN_A \]
或
\[ n = \frac{N}{N_A} \]
3. 檢查化學式。 如果題目要求的是每個分子或化學式單位內部的原子或離子,就利用下標作為比例。
例如:
\[ \ce{CaCl2} \]
表示每個化學式單位含有兩個氯離子。知道 \(\ce{CaCl2}\) 化學式單位的數目後,再乘以 2,就能求出相應的氯離子數。
4. 準確標示最終答案。 只寫 \(4.2 \times 10^{23}\) 並不完整。應該寫 \(4.2 \times 10^{23}\) 個分子、氧原子、化學式單位,或實際正在計數的其他實體。
07最容易令人誤解的觀念:一莫耳總是代表相同數目的原子
並不是。
一莫耳總是代表相同數目的指定實體。
考慮 \(1\ \text{mol}\) 的氦和 \(1\ \text{mol}\) 的氫氣。
對氦而言:
\[ 1\ \text{mol He} = 6.022 \times 10^{23}\ \text{個 He 原子} \]
對氫氣而言:
\[ 1\ \text{mol \(\ce{H2}\)} = 6.022 \times 10^{23}\ \text{個 \(\ce{H2}\) 分子} \]
但每個 \(\ce{H2}\) 分子含有兩個氫原子。因此:
\[ 1\ \text{mol \(\ce{H2}\)} = 1.2044 \times 10^{24}\ \text{個 H 原子} \]
兩個樣本都含有一莫耳各自所述的物質。它們所含的實體數目相同,但原子數並不相同。
每當一道粒子題看起來簡單得過頭時,都應檢查題目是否在不明顯之處改變了正在計數的對象。
08題目與解答
問題 1
一個樣本含有 \(0.350\ \text{mol}\) 的氖。計算樣本中的氖原子數。
解答 1
此樣本含有 \(2.11 \times 10^{23}\) 個氖原子。
氖是單原子物質,因此每個氖實體就是一個原子。我們直接利用以下關係式把莫耳數轉換成原子數:
\[ N = nN_A \]
代入:
\[ \begin{aligned} N &= (0.350\ \text{mol})(6.022 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1})\\ &= 2.1077 \times 10^{23}\\ &\approx 2.11 \times 10^{23} \end{aligned} \]
因此,
\[ \boxed{N = 2.11 \times 10^{23}\ \text{個 Ne 原子}} \]
結果非常大,因為即使只是一莫耳的一部分,也含有極其龐大的微觀粒子數。
問題 2
一個容器中有 \(4.82 \times 10^{23}\) 個 \(\ce{NH3}\) 分子。計算 \(\ce{NH3}\) 的物質的量,以莫耳表示。
解答 2
容器中有 \(0.800\ \text{mol}\) 的 \(\ce{NH3}\)。
我們已知分子數,要求莫耳數,因此要除以阿伏伽德羅常數:
\[ n = \frac{N}{N_A} \]
代入:
\[ \begin{aligned} n &= \frac{4.82 \times 10^{23}}{6.022 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}}\\ &= 0.8004\ \text{mol}\\ &\approx 0.800\ \text{mol} \end{aligned} \]
因此,
\[ \boxed{n = 0.800\ \text{mol \(\ce{NH3}\)}} \]
使用除法是合理的,因為我們正在把極大量的個別分子分組成以莫耳為大小的群組。
問題 3
一個樣本含有 \(0.0750\ \text{mol}\) 的 \(\ce{Al2(SO4)3}\)。計算這個硫酸鋁物質的量所代表的氧原子數。
解答 3
此樣本含有 \(5.42 \times 10^{23}\) 個氧原子。
首先求出 \(\ce{Al2(SO4)3}\) 化學式單位的數目:
\[ N = nN_A \]
\[ \begin{aligned} N(\ce{Al2(SO4)3}) &= (0.0750\ \text{mol})(6.022 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1})\\ &= 4.5165 \times 10^{22}\ \text{個化學式單位} \end{aligned} \]
現在檢查化學式。每個化學式單位含有三個 \(\ce{SO4}\) 基團,而每個基團含有四個氧原子:
\[ 3 \times 4 = 12\ \text{個 O 原子/化學式單位} \]
因此:
\[ \begin{aligned} N(\ce{O}) &= 12(4.5165 \times 10^{22})\\ &= 5.4198 \times 10^{23}\\ &\approx 5.42 \times 10^{23} \end{aligned} \]
所以:
\[ \boxed{N(\ce{O}) = 5.42 \times 10^{23}\ \text{個氧原子}} \]
陷阱在於求出化學式單位的數目後便停止。題目要求的是氧原子,因此還必須使用化學式中的資訊。
問題 4
準備了兩個密封容器。
- 容器 A 含有 \(0.200\ \text{mol}\) 的 \(\ce{Ne}\)。
- 容器 B 含有 \(0.200\ \text{mol}\) 的 \(\ce{N2}\)。
一名學生說:「兩個容器含有相同數目的原子,因為兩者都有 \(0.200\ \text{mol}\)。」
這名學生的說法正確嗎?計算每個容器中的原子數,並解釋兩者的差異。
解答 4
這名學生的說法不正確。兩個容器含有相同數目的指定粒子,但容器 B 的原子數是容器 A 的兩倍。
對容器 A 而言,氖是單原子的:
\[ \begin{aligned} N(\text{\(\ce{Ne}\) 原子}) &= (0.200\ \text{mol})(6.022 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1})\\ &= 1.2044 \times 10^{23}\ \text{個原子} \end{aligned} \]
因此:
\[ \boxed{N_A = 1.20 \times 10^{23}\ \text{個原子}} \]
對容器 B 而言,最初的莫耳計算得到的是 \(\ce{N2}\) 分子的數目:
\[ \begin{aligned} N(\text{\(\ce{N2}\) 分子}) &= (0.200\ \text{mol})(6.022 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1})\\ &= 1.2044 \times 10^{23}\ \text{個分子} \end{aligned} \]
每個 \(\ce{N2}\) 分子含有兩個氮原子,因此:
\[ \begin{aligned} N(\text{\(\ce{N}\) 原子}) &= 2(1.2044 \times 10^{23})\\ &= 2.4088 \times 10^{23}\ \text{個原子} \end{aligned} \]
因此:
\[ \boxed{N_B = 2.41 \times 10^{23}\ \text{個原子}} \]
這名學生的推理看起來似乎合理,因為兩個容器都含有 \(0.200\ \text{mol}\)。隱藏的問題是,莫耳計數的是指定實體。對氖而言,這些實體是原子。對氮氣而言,這些實體是 \(\ce{N2}\) 分子,而每個分子都含有兩個原子。
問題 5
某種分子物質的樣本含有 \(1.8066 \times 10^{24}\) 個氫原子。該物質的每個分子含有三個氫原子。
計算此分子物質的物質的量,以莫耳表示。
解答 5
此樣本含有 \(1.000\ \text{mol}\) 的分子。
題目提供的粒子數是氫原子的數目,但阿伏伽德羅常數必須套用到我們要求其物質的量的實體;在這裡,這些實體是分子。
每個分子含有三個氫原子。因此,分子的數目為:
\[ \begin{aligned} N(\text{分子}) &= \frac{1.8066 \times 10^{24}}{3}\\ &= 6.022 \times 10^{23}\ \text{個分子} \end{aligned} \]
現在把分子數轉換成莫耳數:
\[ n = \frac{N}{N_A} \]
\[ \begin{aligned} n &= \frac{6.022 \times 10^{23}} {6.022 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}}\\ &= 1.000\ \text{mol} \end{aligned} \]
因此:
\[ \boxed{n = 1.000\ \text{mol}} \]
重要的一步,是認出 \(1.8066 \times 10^{24}\) 並不是分子數。如果直接用 \(N_A\) 轉換這個數值,得到的會是氫原子的物質的量,而不是該分子物質的物質的量。
問題 6
一名學生得到 \(0.100\ \text{mol}\) 的 \(\ce{CaCl2}\),並寫下:
\[ N = (0.100)(6.022 \times 10^{23}) = 6.022 \times 10^{22} \]
他因此得出結論,認為樣本含有 \(6.022 \times 10^{22}\) 個氯離子。
指出他的計算實際上求出了甚麼,然後求出這個樣本所代表的氯離子數。
解答 6
這項計算正確求出了 \(6.022 \times 10^{22}\) 個 \(\ce{CaCl2}\) 化學式單位,而不是氯離子。此樣本代表 \(1.2044 \times 10^{23}\) 個氯離子。
最初的莫耳轉換是正確的:
\[ \begin{aligned} N(\ce{CaCl2}) &= nN_A\\ &= (0.100\ \text{mol})(6.022 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1})\\ &= 6.022 \times 10^{22}\ \text{個化學式單位} \end{aligned} \]
現在使用化學式 \(\ce{CaCl2}\)。每個化學式單位含有兩個氯離子。
因此:
\[ \begin{aligned} N(\mathrm{Cl}^{-}) &= 2(6.022 \times 10^{22})\\ &= 1.2044 \times 10^{23}\ \text{個氯離子} \end{aligned} \]
所以:
\[ \boxed{N(\mathrm{Cl}^{-}) = 1.20 \times 10^{23}\ \text{個氯離子}} \]
這名學生的算術並沒有問題。錯誤在於他把錯誤的意義賦予了計算結果。在莫耳計算中,準確辨認 \(N\) 究竟在計數甚麼,與使用正確的方程式同樣重要。
掌握了這種粒子計數關係後,下一個很有用的連結就是質量。莫耳質量讓你把克轉換成莫耳,而阿伏伽德羅常數再把這些莫耳轉換成粒子。這形成定量化學中其中一條最核心的轉換路徑:
\[ \text{質量} \longleftrightarrow \text{莫耳數} \longleftrightarrow \text{粒子數} \]
這條路徑也正是後續化學計量得以進行的基礎:化學方程式比較的是粒子,而實驗室中的測量通常以克為單位。