为什么物质的量会作为国际单位制的 7 个基本物理量之一存在？
我们先来回顾一下SI基本量，它们是：长度（米，m）、质量（千克，kg）、时间（秒，s）、电流（安培，A）、热力学温度（开尔文，K）、发光强度（坎德拉，cd）以及我们今天要说的物质的量（摩尔，mol）。之所以称之为“基本量”，是因为它们是其他许多导出量（如速度、力、能量等）的基础，并且它们各自的单位（基本单位）不能通过其他基本单位的组合来定义。
那么，物质的量到底代表什么？用最通俗的话讲，它描述的是“一堆东西有多少个”。但这里的“一堆东西”可不是指它的体积有多大，或者它的质量有多重。它是指有多少个基本粒子（如原子、分子、离子、电子或其他指定粒子）。
为什么需要一个专门的量来描述“粒子数”？
当我们观察宏观世界时，质量和体积似乎足够了。例如，我们称量两袋大米，它们的质量不同，我们就能知道哪袋更重。但化学，这门研究物质组成、结构、性质以及变化规律的学科，关注的焦点是构成物质的微观粒子。
在化学反应中，原子和分子是以精确的比例结合和转化的。比如，制造水（H₂O）的反应，需要两个氢原子和一个氧原子才能形成一个水分子。如果我们尝试用质量来描述这个比例，那将变得异常复杂。氢原子的质量很小，氧原子的质量也同样微小，而且它们的质量不同。要精确地知道需要多少质量的氢和多少质量的氧才能生成特定质量的水，我们必须知道每个氢原子和氧原子的确切质量，还要知道它们是按照多少个“组合”起来的。
这里就引出了一个关键问题：宏观质量和微观粒子数之间的联系。
阿伏伽德罗常数的意义
在19世纪，化学家们逐渐认识到，虽然原子和分子非常小，但它们在宏观样本中是以巨大的数量存在的。意大利科学家阿伏伽德罗（Amedeo Avogadro）提出了一个重要的假说：在相同的温度和压力下，相同体积的任何气体都含有相同数量的分子。这意味着，气体消耗的比例，即便以质量来衡量，也反映了其分子数量的比例。
后来，随着科学的进步，人们确定了一个关键的数值——阿伏伽德罗常数（N_A）。它被定义为：0.012千克（即12克）碳12（¹²C）原子中所含的原子数。 这个数值大约是 6.022 x 10²³。
这个数字非常巨大，但它为我们提供了一个至关重要的桥梁：它告诉我们，质量和粒子数之间存在一个固定的、可测量的关系。
“摩尔”的诞生：连接宏观与微观的单位
“摩尔”这个单位，正是为了方便科学家们进行化学计算而诞生的。它就被定义为：物质的量，当其包含与0.012千克¹²C原子中所含的原子数相同的基本单元时，为1摩尔。
换句话说，1摩尔的任何物质，都包含大约 6.022 x 10²³ 个该物质的基本单元（可以是原子、分子、离子、电子等）。
这带来了什么好处呢？
1. 简化化学计量： 以前，化学反应式中的数字（如 2H₂ + O₂ → 2H₂O）描述的是原子或分子的“个数”比例。但我们无法直接数清这些粒子。有了摩尔，我们可以说“2摩尔的氢气与1摩尔的氧气反应，生成2摩尔的水”。这样，化学反应的比例关系就被转化为了宏观可测量的物质的量的比例，而这些物质的量的比例，直接对应了微观粒子数量的比例。
2. 统一测量与概念： 物质的量将我们与微观世界的粒子数直接联系起来。当我们说“1摩尔的铁”，我们实际是在说“大约 6.022 x 10²³ 个铁原子”。当我们称量 55.845 克的铁（这是铁的摩尔质量），我们就是在称量 1 摩尔的铁，也就是 1 摩尔的铁原子。
为什么是“基本量”？
有些人可能会疑问，物质的量不是可以通过质量和摩尔质量（物质的量和质量的比例）来计算吗？这听起来像是导出量。然而，SI单位制将其列为基本量，有其更深层次的考虑：
不可约性： 物质的量描述的是“集合中元素的数量”，这是一种独立于其他基本量（如长度、质量、时间）的概念。虽然我们通过测量质量来间接确定物质的量，但“有多少个粒子”这个概念本身，并不能被简化或定义为长度、质量、时间等的组合。就像长度是描述空间范围，时间是描述事件顺序一样，物质的量是描述“粒子数量”这个基本属性。
原子/分子为基本单位： 物质的量是以“粒子”为基本单元的。而这些粒子，如原子、分子，是化学反应和物质性质的根本。我们对物质的理解，最终要回归到这些微观粒子的行为。因此，能够直接描述这些粒子数量的量，自然就具有了基础性。
历史和实践的必然： 在科学发展的过程中，尤其是在化学领域，物质的量已经证明是不可或缺的概念。它提供了一种普适的、跨越微观和宏观尺度的描述方式，使得化学计算和实验结果的沟通变得极为便利和精确。将它列为基本量，是对其科学重要性和实用性的认可。
SI单位制的框架： SI单位制的设计目标是提供一套完整、自洽且方便使用的单位体系。物质的量作为描述物质数量的基本属性，自然需要一个基本单位来承载。虽然它的数值通常通过质量来间接确定，但其“基本性”在于描述的是一种“计数”而非“质量”或“尺度”本身。
总结
简单来说，物质的量之所以成为SI的七个基本量之一，是因为它提供了一种直接描述微观粒子数量的方法，并且这种方法通过阿伏伽德罗常数与宏观可测量的质量联系起来。它不仅仅是化学中的一个计算工具，更是连接微观粒子世界与我们可感知宏观世界的重要概念。没有物质的量，化学计量将变得异常繁琐，我们对化学反应的理解也将失去一个至关重要的维度。它让我们能够以统一、精确的方式来理解和操作构成我们世界的微小单元。
网友意见
把摩尔加进国际单位制基本单位的一个很重要的目的就是——阿伏伽德罗常数不适合做一个无量纲数，而且还是无量纲的常数。
按照阿伏伽德罗常数最初的定义，它确实是无量纲的。正如曾经有一个问题：科学中有没有单位“个”？答案是，第一，有；第二，摩尔的实质就是“个”；第三，一切形式的单位“个”在国际单位制中都被规定为无量纲量。比如“振动n次”“转n圈”“n个小球”等等，这些陈述所表达的单位就是“个”，但对于物理学来说，它们的实质等同，就是一个量纲“1”的物理量。
“无量纲”在科学中有一个重要的意义：无论这个量是常量还是变量，它都不能受量纲的单位选取而发生改变。比如，π是个无量纲常数，所以无论你将长度单位设成米、纳米、英寸、海里还是光年，圆周长与圆直径的比值都不会改变。流体力学中的雷诺数Re=ρLv/μ也是个无量纲数，即便Re本身是变量，但是，它的数值不会因为你使用国际单位制kg、m、s或是用英制pound、foot、s而发生改变。但有量纲的物理量就不一样了，比如光速在物理意义上是恒定的，但光速的数值会随你选取单位的不同而变化，你选择m和s就是3e8，选择英里和小时就是6.7e8，选择光年和年就是1，所以我们应该说光速是“常量”而非“常数”。
但到了阿伏伽德罗常数上，尴尬的问题就来了——这个原本无量纲的“常数”莫名其妙地跟单位挂着钩。我们现在所用的“摩尔”，它的全称是“克摩尔”（gmol），追溯到最初法国人让·佩兰的命名其实叫做“克分子”（gram-molecule）。他引进的阿伏伽德罗常数，本意是“1克和1个分子（原子）的质量之比”，也就是它实际的单位是g/g。但问题是，分子的数字是固定的“1”，可分母的“1个分子（原子）质量单位”在不同的单位制下是不一样的。你使用“克”，摩尔就是“gmol”，阿伏伽德罗常数是6.02e23。可你要使用“磅”，此时就冒出了个“lbmol”，阿伏伽德罗常数就莫名其妙地变成了2.73e26。
所以，如果我们把“摩尔”视为国际单位制的导出单位，那么它的导出关系就是：1 mol = 1/1.66e-24 kg/kg。这里的1.66e-24 g是原子质量单位（Dalton），定义即碳12原子质量的1/12，数值上是阿伏伽德罗常数的倒数。但是，这牵涉到另一个关键的问题——一个现代单位制中，导出单位一定要符合单位的“一致性”（coherence），换句话说，用基本单位推出导出单位的过程，一定不能有任何不是1的系数。比如我们现在根据牛顿第二定律定义力，即 。我们其实也可以用万有引力定律来定义，但是，力的单位一定要是 ，而不能是 。如果我们用万有引力定律定义力，那么牛顿第二定律就必须写成F=kma，其中k称为“牛顿第二定律常数”，并且带有单位 。在这个限制下，“摩尔”是与国际单位制系统完全不兼容的，因为为了导出摩尔，我们必须使用1/1.66e-24这个推导系数。
如果一个物理量确实十分重要，但又实在无法避免推导系数，唯一的解决方案是——把它设置成基本单位。国际单位制中，基本单位的含义就是：不可能在满足一致性的情况下，从其他基本单位导出。比如长度作为基本量可以从时间定义，但为了定义长度，我们必须说——1米是光在真空中1/299792458秒内传播的距离，这里无论如何也要产生“1/299792458”这个数，所以米和秒是“不一致”的。
对于摩尔和阿伏伽德罗常数，最合理的解决办法正是把摩尔设置成基本单位，然后将阿伏伽德罗常数规定为“常量”，令其有量纲，带单位“/mol”。此时摩尔的定义就可以随便使用数字了，无论是过去的12g碳12还是现在直接按阿伏伽德罗常数的规定值，我们都不必担心单位一致性的问题。1970年将摩尔加入国际单位制基本单位，主要的考虑肯定是这一点，否则摩尔就只能列为“可并用单位”，无法进入国际单位制中。
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