中学物理和化学课程的区别（用物理与化学融合课程去认识什么是质量）

物体含有物质的多少叫质量，它不随物体形状、状态和空间位置的改变而改变，是物质的基本属性。它与重力无关，比如，一个物体在地球上与在月球上的重量不同，但质量还是不变的。

这段话很正确，但除了靠记忆背诵或者自己去悟之外，并不能让学生理解什么是质量，假使我们从微观角度去解析，将能深刻把握质量这一重要的物理概念。

我们知道，物质由分子组成，组成分子的单位是原子，即不同元素的原子以共价键的形式形成分子，而分子则构成了丰富多彩的万物世界。

先说化学课讲到的元素，以我们常见的物质水、空气（氮气和氧气等）和铁为例，最小的元素是氢H原子，相对质量我们规定为1，相对较重有氮原子N（相对质量是14）、氧原子（相对质量是16），这几个中元素最重的是铁原子Fe（相对质量是56）；而实际的水分子H2O相对质量是18；氧气分子O2相对质量是32，氮气分子N2相对质量是28，铁分子也是一个铁原子Fe相对质量仍是56。

以上数据咋一看，怎么氧气、氮气分子还比水分子重？为什么其真实的密度（同体积下质量）要比水轻很多呢？

要搞清这个问题，须回答如下问题，

（1）真实客观的微观粒子中，原子、分子尤其分子的质量和体积是多少呢？

这还得从化学单位说起。

1摩尔（mol）任何理想气体在标况下（一个大气压、0摄氏度）的体积是22.4升，而我们科学测定1mol的气体有约6.02x10^23（这个大数叫作阿伏伽德罗常数）个分子，也就是说，1mol氧气约有6千万亿亿个氧气分子O2；同样1mol水约有6千万亿亿个水分子H2O。

为了比较形象地比较大小，我们脑海里可产生一个理想实验（实际上不容易做到）：在标况下我们用一个密闭的袋子装满水，然后让这个袋子体积扩张，一部分水变成了水蒸气填补了增加的空间，正好得到1mol的水和1mol的水蒸气。经测量，1mol水的质量是18g，体积是18毫升，空间里的水蒸气体积是22.4升。

数学计算：

1个水分子H2O的质量和体积是，

18/6.02*10^23=3*10^-23 （g）

或18/6.02*10^23=3*10^-23 （ml）

即3千万亿亿分之一克或毫升。

1个水蒸气分子H2O的质量和体积是，

质量应与水分子相同，仍为3*10^-23 （g）；

体积：22.4/6.02*10^23=3.8*10^-23 （l）

（2）固液体与气体密度差别如此大的原因是什么？

由于分子有大有小，尤其有机物大分子不好算，物理教材里没有把这些细节讲清楚。真实情况是，大约水分子的直径与水分子之间的间隙在一个数量级，以分子之间的间隙等于分子尺寸粗略计，如把间隙也想象成另一种与水分子尺寸相当的分子，那么水分子真实体积是其占用空间的1/2，那么空隙占用空间也为1/2（只是估计粗略数据，不是真实准确数据）；因为分子之间相互耦合，其间隙也是不可压缩的，比如，1万米以下的海沟处的水被压缩的压力达到1000个大气压，但水的密度增加几乎可以忽略。根据以上一个水蒸气占用体积与一个水分子占用体积来计算：

3.8*10^-23 （l）/3*10^-23 （ml）

=1300倍（相当于一个1300立方当量体积内只有一个水蒸气分子）

这样估算，水蒸气分子之间的间距是其水分子直径的11-1=10倍。

也就是说，水分子之间有间隙，但几乎不可压缩，这是由分子结构决定的，除非其原子被压缩成了中子，空间进一步被压缩一定极限还有可能变成黑洞的组成物质。

水蒸气体积在高压下可以从原有蒸气体积压缩到1000分之一左右，分子之间的距离变为原水蒸气分子间距的1/10，间隙回到与分子直径一个数量级，即与液态时水分子之间的间隙相当。

粗略计算后总结为，物质密度之所以不同，跟组成物质的分子的质量与分子占有体积相关，固态物质还跟晶体结构排列形成的间隙相关，即跟物质致密程度相关；

而气体体积之所以这么大，是因为其分子的间距是分子尺寸的10倍左右，空隙占了绝大部分体积，导致分子的体积与其分子本身的结构关系不大，只与压力和温度相关，即1mol理想气体如氮气、氧气、空气或者水蒸气等在标况下的体积都是22.4升。

附图：用数学计算去认识物理世界