Азбука химической метрологии

Исторически, основные единицы измерения были установлены на основе измерения природных, естественных величин.

Час – 1/24 суток. Его доли – минута, секунда.

1 метр = 1/20 000 000 доля длины «Парижского меридиана». Поэтому расстояние от полюса до экватора равно 10 000 км, а длина экватора – 40 000 км, и легко вычислить радиус Земли, поделив ее на 2. Основная группа вспомогательных единиц имеет названия для величин, отличающихся на порядок: дециметр = 0,1 м, сантиметр = 0,01 м, миллиметр = 0,001 м, поскольку с этими размерами мы имеем дело в повседневной жизни. Остальные названия существуют для единиц измерения, отличающихся на 3 порядка: километр (км), микрометр (мкм), нанометр (нм), пикометр (пм), фентометр (фм) ….

Меры объема представляют собой кубы линейных величин: м³, мм³, ….

Меры емкости и вместимости основаны на литре: 1 л = 1 дм³. 1мл = 1 см³.

1 грамм = массе одного кубического сантиметра воды (дистиллированной), то есть 1 мл при температуре 4°С, соответствующей максимальной плотности воды. Поэтому масса 1 литра воды – 1 кг, а 1 кубометра - 1 тонна = 1000 кг. Доли грамма – милиграмм (мг), микрограмм (мкг), нанограмм (нг), пикограмм (пг), фентограмм (фг) …

Какова плотность воды, и почему?

Что такое моль? – Это одна из единиц измерения количества вещества, а именно химическая, используемая наряду с техническими: массой и объемом.

В быту мы имеем дело с 1 кг картошки или соли, 1 литром молока или вина, и, разумеется, это определенные количества вещества. Но для химии это вспомогательные, технические единицы измерения. Вещество состоит из молекул (способных к диссоциации и взаимодействию), а те, в свою очередь – из атомов. Химические реакции записывают уравнениями взаимодействующих молекул. Например, запись

H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O (1)

означает, что при взаимодействии одной молекулы серной кислоты и двух молекул едкого натра образуется молекула сернокислого натрия и две молекулы воды. Это современные представления о строении вещества. Исторически это соответствует Закону кратных отношений, в соответствии с которым, для полного протекания указанной реакции на 100 молекул кислоты потребуется 200 молекул щелочи, на 3000 молекул кислоты – 6000 молекул щелочи и т.д. Вообще, на N молекул кислоты в данной реакции требуется 2N молекул щелочи, где 2 – стехиометрический коэффициент уравнения. Поэтому для химических расчетов количество вещества это - количество молекул (или атомов, или ионов и т.д.), а масса или объем этого вещества – вспомогательные способы измерения.

Проблема возникает из того, что молекулы очень малы в масштабе человека. Мы не можем работать ни с отдельными молекулами, ни с сотнями, тысячами, миллионами или миллиардами (т.е. 10⁹) молекул. Все это ничтожно малые количества вещества, которые и увидеть невооруженным глазом невозможно. Количество вещества, с которым человек может легко орудовать вручную, составляет порядка 10²⁰ – 10²⁶ молекул, а это - числа, для которых раньше и названий не было. Отсюда и появилась необходимость введения нового названия числа для счисления молекул. В память об ученом, установившем (1811 г.), что в равных объемах газа, при прочих равных условиях, содержится равное количество молекул, это число называется число Авогадро. Соответственно, количество вещества, содержащее число Авогадро элементарных составляющих вещества, будь то молекулы, атомы, ионы и т.д. называется моль.

В выборе числа Авогадро и определения понятия моля был известный произвол. С позиций арифметики можно было принять, что моль содержит, например, 10²⁴ молекул. Но тогда таблица Менделеева выглядела бы менее информативной, или более сложной: пришлось бы указать молярную массу помимо относительной атомной. Поэтому пошли другим путем. С современной точки зрения на строение атома и таблицы Менделеева он может быть описан следующим образом.

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро состоит из нуклонов (протонов и нейтронов, массы которых практически совпадают). Число протонов равно порядковому номеру элемента в таблице Меделеева. Разные изотопы одного элемента отличаются количеством нейтронов в ядре. В первом приближении масса ядра равна массе нуклона помноженной на их количество в ядре. Приблизительность возникает из-за дефекта масс: E = mc²: малая часть массы нуклонов расходуется на производство энергии их связи в ядре. В результате, масса ядра меньше суммы масс отдельных образующих его нуклонов.

Масса атома приблизительно равна массе его ядра (по крайней мере, с точностью до 3 знаков, т.е. 0,1%, так как масса электрона в 1836 раз меньше массы нуклона). Масса нуклона составляет примерно 1,6710^-24 г. Естественно принять эту величину в качетве атомной единицы массы (а.е.м.). Тогда масса атома водорода равна приблизительно 1 а.е.м., кислорода - 16 а.е.м., натрия – 23 а.е.м., изотопа углерода 12 – 12 а.е.м. Уточненные значения этих величин и приводятся в таблице Менделеева в качестве атомных масс элементов.

Нецелочисленность этих значений в таблице связано с упомянутым дефектом масс, с одной стороны, и со сложным изотопным составом многих элементов, с другой стороны, в результате которых усредненная масса элемента может не быть целым числом. Например, природный хлор состоит из двух изотопов: ³⁵Cl и ³⁷Cl.