莫耳與簡單的化學計量

莫耳與簡單的化學計量 (Mole and Stoichiometry)
臺北縣私立淡江高級中學化學科賴亭吟老師/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

「莫耳(mole)」是一種數量單位，就像一「打」鉛筆、一「碗」飯、一「袋」米等表示方法，方便數量的計算。

為什麼要有這些數量單位呢？舉例來說，當我們要買米時，我們不會說要買一千粒或一萬粒米，因為米的體積很小，無法以「粒」來計算。因此店家通常會以五公斤、十公斤的米包裝成袋，方便購買。而原子、分子是更小的物質，無法以「個」來計算，因此科學家定義了「莫耳」這個單位，表示原子或分子的數量多少。

那「一莫耳」到底是多少呢？要回答這個問題就要先了解莫耳的起源。

大家都知道原子的重量單位稱為「原子重量(amu)」，例如一個氫原子重量為1 amu，一個氧原子重量為16 amu。問題來了，那 1 amu = ? g。

原子很小，想要一顆一顆的用秤重方式來得到答案很難，至少不是我們可以辦到的。所以科學家創造出來「莫耳」這個觀念，定義「當原子或分子的分子量為 X amu 時，其一莫耳的元素重量為 X g 」；也就是一莫耳的氫原子重量為 1 克，一莫耳的碳原子重量為 12 克，一莫耳的氧原子重量為 16 克。由於氫、碳和氧都有同位素的存在， 國際純粹應用化學聯合會(IUPAC)規定「12 克重的純碳(¹²C)其碳原子數目為一莫耳」。

既然莫耳代表的是一個數量，接下來的問題就是一莫耳是多少個原子或分子。

一莫耳大約是 6.02 × 10²³ 「個」原子或分子，這個數目又稱為「亞佛加厥常數 (Avogadro constant)」。所以相同莫耳只代表相同的數量，其重量隨原子與分子種類改變；如同樣1000粒的米和紅豆重量卻大大不同。

物質發生化學反應時，可利用化學反應方程式來描述化學反應過程中反應物與生成物組成之變化情形。所有的化學反應必須遵守原子守恆（原子不滅）及質量守恆定律。例：2 H₂ ＋ O₂ → 2 H₂O，反應前有 4 個 H 原子和兩個 O 原子，反應後亦同，此為原子不滅定律。反應前若有 4 克 H₂ 和 32 克 O₂，反應後則生成 36 克的 H₂O，與反應前的總質量相等，為質量守恆定律。在此化學反應過程中，針對反應物及生成物的質量和莫耳數進行定量分析，稱為化學計量(Stoichiometry)，即消耗的反應物與生成的生成物之莫耳數比相當於反應方程式的係數比。以上述反應方程式為例，每消耗 4 克 H₂（2莫耳）和 32 克O₂（1莫耳），就會生成 36 克的 H₂O（2莫耳）。

通常反應中，並非所有反應物會同時用完，若反應物過量，則反應會將會有剩餘。若上述反應中，反應前有 8 克 H₂（4莫耳）和 32 克 O₂（1莫耳），反應後若 8 克 H₂ 要完全使用完，則需要 64 克 O₂ 才足夠，由此可知，此反應結束後 32 克O₂ 會完全用盡，而 H₂ 會剩下 4 克，並生成 36 克的H₂O。此時 O₂ 為最先被使用完的反應物，稱為限量試劑。在化學反應中，當限量試劑用完反應則終止，因此限量試劑限制了生成物的產量。

參考資料：
1. 化學計量，小木偶的網頁–基礎化學。
http://residence.educities.edu.t … chemistry/ch04.html
2. 陳竹亭教授主編，《基礎化學》，泰宇出版社，第77頁至第83頁，2010年1月出版。
3. WIKIPEDIA網站–Mole(unit)。
http://en.wikipedia.org/wiki/Mole_(unit)