Метрологія і стандартизація:

2.9.

Одиниця маси системи СІ - кілограм

Згідно з визначенням, затвердженим XI Генеральною конференцією з мір та ваг, що прийняла систему СІ, в якості основної механічної одиниці прийнята одиниця маси - кілограм. Визначення кілограму дано таке:

Одиницею маси - кілограмом - є маса речовини, що дорівнює масі прототипу кілограма.

Прототип кілограма являє собою знаходиться в Міжнародному бюро з мір та ваг в Севрі під Парижем циліндр із сплаву 90% платини і 10% іридію діаметром близько 39 мм і такої ж висоти. Вибір цього сплаву забезпечує високу якість при зберіганні: хімічну стійкість, однорідність. Сплав легко полірується і добре очищається. Зважаючи на велику щільності, що становить 21,5 г / см3 він володіє тим недоліком, що відділення від нього вже малих частин призводить до великої зміни маси. З цієї причини копії з еталонів маси (вторинні еталони різних рангів), як правило, виготовляють зі сталі або з латуні.

Для забезпечення єдності вимірювань маси в ході встановлення і утвердження прототипу кілограма було виготовлено багато його примірників. Маса прототипів забезпечувалося з відзнакою на рівні 10-8 по відносної похибки. Прототипи були проаттестовани в Міжнародному бюро з мір та ваг. Кожному екземпляру була приписана похибка. Можливі коливання маси прототипів не перевищували 25 мкг, що відповідає відносної похибки 2,5 × 10-8. До Росії як до країни-учасницю Метричної конвенції в 1889 р був спрямований прототип № 12, який зберігається до теперішнього часу у Всеросійському науково-дослідному інституті ім. Д.І. Менделєєва (колишня Головна палата мір і ваг Росії) в Санкт-Петербурзі.

Спочатку прототип маси повинен був збігатися з масою одного кубічного дециметра води при її найбільшої щільності при температурі Т = 3,98 ° С і тиску 101325 Па. Однак, потім максимальна щільності води була знайдена рівною 0, 999 972 г / см3, т. Е. Прототип маси виявився на 28 мкг більше, ніж був задуманий. Це позначилося б на визначенні одиниці об'єму, якби така вводилася б какоб'ем одного мілілітра води. При відомою масою прототипу кілограма одиницю об'єму можна визначити як обсяг 1000 р води при найбільшої щільності і нормальному тиску. Визначена таким чином одиниця співвідносилася б з похідною одиницею обсягу системи СІ як

(2.39)

Міжнародна система одиниць СІ не є встановленої для всіх на всі часи. Уже вказувалося, що багато країн користуються іншою системою заходів. Методи фізичних вимірювань також постійно вдосконалюються. Саме з цієї причини перевизначений цілий ряд величин, наприклад, метр, кандела. Ампер. Майже для всіх основних одиниць системи СІ прийняті нові визначення, засновані на фізичних явищах, що відрізняються сталістю і несхильність впливу зовнішніх впливів. Це дає можливість створити так звані «Природні» або «нетлінні» еталони. Такі еталони створені для основних одиниць: довжини - метра, часу - секунди, сили струму - Ампера, термодинамічної температури - Кельвіна, сили світла - кандели. Пошуки такого ж зразка для одиниці маси - кілограма - ще не завершилися успіхом. Точність, що досягається за допомогою наявного еталона кілограма, дуже висока і поки задовольняє всі запити практики. Проте з виходом людини в Космос, з освоєнням Світового океану і т. Д. Для багатьох потреб в техніці вимірювань бажано мати природний еталон маси. Пошуки можливості заміни штучного еталона маси позначена зараз метрологами як одна їх найбільш актуальних наукових і практичних проблем.

Одним із шляхів вирішення такого завдання є можливість об'єднання проблем створення та зберігання еталонів одиниці кількості речовини і одиниці маси - благаючи і кілограма. Для цього необхідно створити точне засіб вимірювання кількості речовини з діапазоном зміни величини на 23 - 25 порядків, що відповідає як детектування окремих частинок, так і макроскопічними вимірюваннями кількості речовини, яке могло б бути прийнято як еталон інерційної або тяжіє маси.

2.10.

Одиниця кількості речовини системи СІ - моль

Сьома основна одиниця системи СІ - одиниця кількості речовини моль - займає особливе місце в числі основних одиниць. Причин для цього існує кілька. Перша причина - ця величина практично дублює наявну основну одиницю, одиницю маси. Маса, яка визначається як міра інертності тіла або міра сил тяжіння є мірою кількості речовини. Друга причина, обумовлена ​​першою і тісно пов'язана з нею, полягає в тому, що до цих пір не існує реалізації еталона одиниці цієї фізичної величини. Численні спроби незалежного відтворення благаючи приводили до того, що накопичення точно виміряного кількості речовини зводилося врешті-решт з виходом на інші еталони основних фізичних величин. Наприклад, спроби електролітичного виділення певної речовини приводили до необхідності вимірювання маси і сили електричного струму. Точне вимірювання числа атомів в кристалах призводило до вимірювання лінійних розмірів кристала і його маси. У всіх інших аналогічних спробах незалежного відтворення благаючи метрологи наштовхувалися на ті ж труднощі.

Природно виникає питання: а з якої причини метрологічні служби найрозвиненіших країн погодилися з тим, щоб в числі основних одиниць були дві різні, що характеризують один і той же фізичний поняття? Відповідь на це питання очевидна, якщо відштовхуватися від основного принципу побудови систем одиниць фізичних величин - зручності практичного використання. Справді, для опису параметрів механічних процесів найзручніше користуватися довільній штучної мірою маси - кілограмом. Для опису хімічних процесів дуже важливо знати число елементарних частинок, атомів або молекул, які беруть участь в хімічних реакціях. З цієї причини моль називають хімічної основною одиницею системи СІ, підкреслюючи цим той факт, що вона вводиться не для опису якихось нових явищ, а для обслуговування специфічних вимірювань, пов'язаних з хімічним взаємодією речовин і матеріалів.

Зазначена специфіка породила ще одне дуже важливе якість одиниці кількості речовини - благаючи. Воно полягає в тому, що при введенні хімічного визначення одиниці регламентується не просто кількість будь-якої речовини, а кількості речовини у вигляді атомів або молекул даного сорту. Тому моль можна називати одиницею кількості індивідуального речовини. При такому визначенні моль стає більш універсальною одиницею кількості речовини, ніж кілограм. Справді, індивідуальні речовини мають властивості інерції і тяжіння, так що еталон благаючи за умови його реалізації на необхідному рівні точності може використовуватися як еталон маси. Зворотне ж неможливо, т. К. Міра маси, виготовлена, наприклад, зі сплаву платини та іридію, ніколи не зможе бути носієм властивостей, властивих, наприклад, кремнію або вуглецю.

Крім зручності використання одиниці кількості речовини в проведенні хімічних реакцій введення другої основної одиниці кількості речовини виправдано ще однією обставиною. Воно полягає в тому, що вимірювання кількості речовини необхідно проводити в дуже широкому діапазоні зміни цієї величини. У макроскопічних явищах об'єкти вимірювань у вигляді твердих тіл містять близько 1 023 атомів. Це порядок величини числа атомів в грам-еквіваленті речовини. У мікроскопічних явищах існує навіть проблема детектування окремих атомів. Отже, кількість речовини необхідно вимірювати в діапазоні зміни більш ніж 20 порядків! Природно, що ні один пристрій, жоден прилад на еталонному рівні такої можливості не забезпечить.

З цієї причини очевидним стає бажання метрологів мати в якості основних едініцдве одиниці кількості речовини, одна з яких дозволяє проводити точні вимірювання в області великих кількостей, а друга дозволяє вимірювати частки певної речовини поштучно.

Небажання метрологів відмовитися від будь-якої основної одиниці кількості речовини, наприклад від кілограма, пов'язане з тим, що відтворення цієї одиниці виготовленням копії прототипу можливо з дуже високою точністю. Відтворення маси незалежними способами, такими як відбір одного літра води або електролітичне осадження певної маси металу з розчину, виявляється значно менш точним, ніж виготовлення копії кілограма зважуванням.

У зв'язку з перерахованими труднощами реалізації основної одиниці кількості речовини у вигляді еталону не існує. Визначення благаючи говорить:

Молем є кількість речовини, що має стільки структурних одиниць, скільки їх міститься в 12 грамах моно ізотопу вуглецю C12.

З визначення з очевидністю випливає, що точно це значення не встановлено, За фізичним змістом воно дорівнює постійної Авогадро - числу атомів в грам-еквіваленті вуглецю. Це дає можливість визначати моль як величину, зворотну постійної Авогадро. Для 12 грам вуглецю з масовим числом 12 кількість атомів дорівнюватиме NA.

Відповідно до цього проблема створення еталона кількості речовини зводиться до уточнення постійної Авогадро. Технічно в даний час користуються такою процедурою:

1. Виготовляється певну кількість (сотні грам) надчистого кремнію.

2. На точних мас-спектрометрах вимірюється ізотопний склад цього кремнію.

3. Вирощується монокристал надчистого кремнію.

4. Вимірюється обсяг монокристалла за вимірюваннями його маси і щільності V.

5. На рентгенівському інтерферометрі вимірюється розмір елементарної комірки куба в монокристалі кремнію - а.

6. Оскільки кристалічна решітка в кремнії має форму куба, число структурних одиниць в монокристалі виявляється рівним

   (2.40)

7. За вимірами маси і еквівалентного атомної ваги визначається число молей кремнію в кристалі

   (2.41)

   де m - маса кристала, ц. - атомний вага зразка з урахуванням різного процентного вмісту ізотопів.

8. Визначається постійна Авогадро як число структурних одиниць в одному грам-еквіваленті кремнію

   (2.42)

Роботи по уточненню постійної Авогадро ведуться міжнародними метрологічними центрами постійно. Особливо велику активність проявляє національна фізична лабораторія Німеччини РТВ в Брауншвейгу. Йде постійна боротьба за чистоту вихідного матеріалу (кремнію) як за рахунок очищення від домішок, так і за рахунок однорідності ізотопного складу. Досягнутий в даний час рівень вмісту домішок становить для більшості елементів не більше однієї частинки на мільйон частинок кремнію, а за деякими домішкам, що заважає кристаллообразованию, одна частинка на мільярд частинок кремнію.

При повторенні робіт по уточненню постійної Авогадро вдосконалюються засоби вимірювання маси кристала, його щільності, ізотопного складу, розмірів кристалічної решітки. В даний час можна гарантувати достовірність визначення постійної Авогадро на рівні 10-6-10-7 по відносної похибки. Проте це значення багато більше похибки у виготовленні копій еталона кілограма методом зважування.

Крім точності, поступається точності відтворення кілограма, описана процедура визначення благаючи страждає ще ряд істотних недоліків. Найголовніший з них - це неможливість створення заходи, що дорівнює будь-якої частини благаючи або декількох молей, т. Е. Створення заходів кратних і часткових одиниць. Будь-які спроби зробити це призводять до необхідності зважування, т. Е. Визначення маси та виходу на еталон кілограма. Природно, що зміст відтворення благаючи при цьому втрачається. Ще один принциповий порок в процедурі використання благаючи це те, що проведені вимірювання числа частинок на кремнії дуже важко, а іноді неможливо зіставити з будь-якими іншими частинками, і в першу чергу з вуглецем, за яким власне і визначається моль. У загальному випадку будь-яка сверхточная процедура визначення числа частинок певної речовини може виявитися зовсім непридатною для іншої речовини. Масу будь-яких речовин ми можемо порівнювати один з одним, але число частинок однієї речовини може виявитися несумісним з числом частинок іншої речовини. В ідеальному випадку для забезпечення єдності вимірювань складу речовин і матеріалів слід мати універсальний метод відтворення благаючи будь-якої речовини, але найчастіше таке завдання виявляється нездійсненним. Дуже велике число речовин в хімічні взаємодії один з одним не вступають.

Незважаючи на всі зазначені проблеми в реалізації еталона благаючи «хімічна метрологія» існує, і хімікам дуже зручно використовувати одиницю кількості речовини, визначену як число часток даного сорту. Саме тому моль широко використовується в вимірах складу речовин і матеріалів і особливо у вимірах екологічного спрямування. В даний час проблеми екології як міжнаціональні та міждержавні є однією з основних точок прикладання досягнень метрології як науки про забезпечення єдності вимірювань.