Одиниця кількості речовини – моль і стала Авогадро

4.7.1 Про можливе перевизначення моля

Одиниця кількості речовини – моль – була затверджена як сьома основна одиниця SI в 1977 році рішенням 14-ої CGPM і має таке визначення: «Моль є кількістю речовини системи, що містить стільки ж структурних елементів, скільки міститься атомів у вуглеці-12 масою 0012 кг. При застосуванні моля структурні елементи повинні бути специфіковані і можуть бути атомами, молекулами, іонами, електронами та іншими частинками або специфіко­ваними групами частинок». У цьому визначенні припускається, що кілограм визначений незалежно.

Історія появи цієї одиниці така. У 1811 році А. Авогадро, ґрунтуючись на дослідах Ж. Л. Гей-Люссака, висловив гіпотезу, що однакові об’єми різних газів за однакового тиску містять одне і те саме число молекул. Кількість речовини і трактувалася як число молекул, але вона вважалася безпосередньо пов’язаною з масою і навіть тотожною їй. Це уявлення спиралося на переконання, що маса будь-якої молекули даної речовини завжди постійна. Звідси існувало уявлення моля як індивідуальної одиниці маси у тому сенсі, що розмір цієї одиниці для кожної речовини є особливим. Хоча зазвичай кількість речовини визначали зважуванням, проте було знайдено й інші, незалежні від маси способи (шляхом вимірювання об’єму, інтенсивності радіоактивного випромінювання та ін.). Це похитнуло переконання в тотожності маси та кількості речовини і призвело до усвідомлення того факту, що кількість речовини є незалежною одиницею SI. З існуючого визначення моля випливає, що
М (¹²С) = 0,012 кг·моль^-1 = 12 М_u , де, як показано вище, М_u = 10^{-3 кг}·моль^-1 - стала молярної маси. Звідси випливає, що якщо прийняти точне значення N_A, то значення М (¹²С) у кілограмах теж буде точно відомо, так що 1 кг = [N_A ^.1 моль М (¹²С)]/0,012, а це суперечить початковому припущенню про незалежність визначення кілограма. Таким чином, тільки якщо визначати моль, пов’язуючи його з точним значенням N_A незалежно від кілограма, можна уникнути такої неузгодженості у визначеннях [1].

Два варіанти нового визначення моля, що ґрунтуються на фіксації сталої Авогадро точно 6,02214Х^.10²³ моль^-1, наведено в [4]. Ці визначення не тільки зберігають основне визначення N_A як числа частинок у молі й пов’язують моль із його точним значенням N_A = 6,02214Х^.10²³ моль^-1, що не накладає жодних обмежень на кілограм, але і зберігають основне співвідношення між молярною масою речовини Y і масою його структурного елементу. До того ж, наявне визначення моля (моль^-1) чітко показує, що моль - це одиниця кількості структурних елементів, яка не має жодного стосунку до маси.

4.7.2 Наслідки перевизначення моля

При існуючому сьогодні в SІ визначенні моля кількість речовини – це деяка невідома кількість частинок, маса яких відома. Фіксація N_A змінитьфізичну суть кількості речовини і моля при тому, що кілограм буде визначено незалежно (через сталу Планка). Фіксація N_A і прив’язка до цієї сталої моля означатиме, що кількість речовини буде ототожнено з кількістю частинок. Слово «моль»стане позначенням деякого відомого безрозмірного числа (числа Авогадро). Зараз поняття моля і N_A тіснопов’язані з атомною одиницею маси (а.о.м.). При фіксації числа Авогадро воно означатиме відому кількість частинок у кількості речовини невідомої маси.

Підкреслимо, що при новому визначенні моля молярна маса вуглецю-12 більш не є точно відомою і повинна визначатися експериментально, але її значення узгоджується з 0,012 кг·моль^-1 із невизначеністю менше 2·10^-9. Відзначимо також, що нове визначення, моля хоча і не змінює співвідношення між молярною масою речовини, сталою Авогадро і масою речовини, але може вплинути на визначення деяких величин: молярної масової сталої, атомної масової сталої та інших. Детально про це сказано в [62]. Проте, у всіх практичних хімічних вимірюваннях, де застосовується моль, молярну масу треба, як і раніше, обчислювати за відомою формулою

m(Y) = А_r(Y)М_u , (3.10)

де А_r (Y) – відносна атомна маса речовини; Y, М_u – молярна масова стала.

Таким чином, нове визначення моля не потребує ніяких змін у сучасній метрологічній практиці. Одним із найбільш важливих наслідків перевизначення моля є те, що стала Авогадро і низка інших пов’язаних із нею сталих набувають точних значень.

Висновки

1. З 1901 року міжнародним еталоном кілограма є артефакт – платино-іридієва гиря, яка зберігається в особливих умовах.

2. Головними недоліками існування еталона кілограма у вигляді артефакту (прототипу) є:

− неможливість оцінки стабільності і дрейфу еталона;

− незручність, трудомісткість, дорожнеча системи передачі одиниці від єдиного еталона;

− ризик краху всієї шкали маси в разі втрати прототипу;

− залежність від кілограма ряду основних і похідних одиниць.

3. На сьогодні (2015 р.) найбільш перспективними напрямками створення природного еталона кілограма є простежуванність до сталої Авогадро («атомний» кілограм) або до сталої Планка («електричний» кілограм).

CGPM схиляється до методу визначення кілограма через сталу Планка, але досягнутої точності, стабільності і готовності апаратури поки недостатньо для прийняття остаточного рішення.

5. При існуючому сьогодні в SІ визначенні моля кількість речовини – це деяка невідома кількість частинок, маса яких відома. При фіксації числа Авогадро воно буде означати відому кількість частинок в кількості речовини невідомої мас. Нове визначення моля хоч і змінює фізичну суть кількості речовини, але не зажадає ніяких змін в нинішній метрологічній практиці.