Содержание
Международная система единиц измерений СИ помимо таких общеизвестных величин, как масса, длина, длительность, уделяет внимание и некоторым специфическим характеристикам, понимание которых требует некоторой теоретической подготовки. Одной из них является количество вещества.
Количество вещества — это число структурных элементов (атомов, молекул, ионов и т.п.) в исследуемой системе.
Эта величина важна при проведении химических реакций. Например, при получении молекулы воды ($H_2O$) будет задействован один атом кислорода и два атома водорода. Для проведения реакции нужно взять эти вещества в необходимых количествах. При этом не важно, о каких объемах исходных и результирующего веществ идет речь, важно соблюсти пропорцию между реагентами.
Следует различать количество вещества и объем, вещества. Объем зависит от температуры, плотности. Количество же вещества – простой подсчет элементарных частиц, не зависящий от характеристик окружающей среды.
Количество вещества обозначают символом $
u$ (ню, буква греческого алфавита). За единицу измерения этой величины в системе СИ принят моль – количество частиц, соответствующее числу атомов в 12 граммах углерода-12 (число 12 означает изотоп углерода с 6 нейтронами в атомном ядре). Оно равно $6 cdot 1023$, является константой и известно также под названием «число Авогадро».
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Амедео Авогадро в 1811 г. первым сформулировал закон, согласно которому в равных объёмах любых газов содержится одинаковое количество молекул, если окружающие условия (температура, давление) неизменны.
Один моль можно представить себе как сосуд емкостью 22,4 литра, наполненный газом при температуре 0℃ и давлении в 1 атмосферу. В системах единиц СИ эти условия могут быть выражены как давление в 101325 паскалей и температура 273,15 кельвинов. Такой объем называется молярным и обозначается $V_m$.
Объем вещества при известном его количестве можно определить как
Массу 1 моля вещества называют молярной и обозначают как $M$. Эта величина измеряется в граммах на моль.
где $m$ – масса измеряемого вещества.
Найти количество вещества в 5,6 г железа. Для справки: молярная масса железа составляет 55,845 г/моль.
Выразим количество вещества из формулы молярной массы:
Подставив числовые значения, получаем:
Ответ: 0,1 моль.
Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!
В книжной версии
Том 19. Москва, 2011, стр. 534-535
Скопировать библиографическую ссылку:
МЕЖДУНАРО́ДНАЯ СИСТЕ́МА ЕДИНИ́Ц (Le Système international d’unités), когерентная система единиц измерений, принятая в 1960 11-й Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ). Сокращённое обозначение системы – $ce
Основные единицы СИ определяет Международное бюро мер и весов (МБМВ). Полное официальное описание основных единиц СИ, а также СИ в целом вместе с её толкованием, содержится в действующей редакции Брошюры СИ, опубликованной МБМВ и представленной на его сайте [3] .
Содержание
Основные единицы [ править | править код ]
В таблице представлены все основные единицы СИ вместе с их определениями, российскими и международными обозначениями, физическими величинами, к которым они относятся, а также с кратким обоснованием их происхождения.
| Единица | Обозначение | Величина | Определение [4] | Историческое происхождение, обоснование |
|---|---|---|---|---|
| Секунда | с s |
Время | Величина секунды устанавливается фиксацией численного значения частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 при температуре 0 К равным в точности 9 192 631 770 , когда она выражена единицей СИ с −1 , что эквивалентно Гц. | Солнечные сутки разбиваются на 24 часа, каждый час разбивается на 60 минут, каждая минута разбивается на 60 секунд. Секунда — это 1 ⁄(24 × 60 × 60) часть солнечных суток. Современное определение принято на XIII Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) в 1967 году. |
| Метр | м m |
Длина | Величина метра устанавливается фиксацией численного значения скорости света в вакууме равным в точности 299 792 458 , когда она выражена единицей СИ м·с −1 . | 1 ⁄10 000 000 расстояния от экватора Земли до северного полюса на меридиане Парижа. Современное определение установлено XVII ГКМВ в 1983 г. |
| Килограмм | кг kg |
Масса | Величина килограмма устанавливается фиксацией численного значения постоянной Планка h равным в точности 6,626 070 15 × 10 −34 , когда она выражена в Дж⋅с. | Масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря. В течение более чем двухсот лет эталоном килограмма служили материальные образцы — Архивный килограмм, затем Международный прототип килограмма. |
| Ампер | А A |
Сила электрического тока | Величина ампера устанавливается фиксацией численного значения элементарного заряда e равным 1,602 176 634 × 10 −19 , когда он выражен в кулонах. | Предыдущее определение, восходящее к изначальному: ампер есть сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2⋅10 −7 ньютонов. |
| Кельвин | К K |
Термодинамическая температура | Величина кельвина устанавливается фиксацией численного значения постоянной Больцмана k равным в точности 1,380 649 × 10 −23 , когда она выражена в Дж/К. | В 1967—2019 годах определялся как 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды [к 1] . Шкала Кельвина использует тот же шаг, что и шкала Цельсия, но 0 кельвинов — это температура абсолютного нуля, а не температура плавления льда. Согласно современному определению ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15 [6] : T [°C] = T [K] − 273,15. |
| Моль | моль mol |
Количество вещества | Один моль содержит ровно 6,022 140 76 × 10 23 элементов [к 2] . Это число — фиксированное значение постоянной Авогадро NA, выраженной в единицах моль −1 , и называется числом Авогадро. | Атомный вес или молекулярный вес, деленный на постоянную молярной массы, 1 г/моль. В 1971—2019 годах определялся как количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 12 г. |
| Кандела | кд cd |
Сила света | Величина канделы устанавливается фиксацией численного значения световой эффективности монохроматического излучения частотой 540·10 12 Гц равным в точности 683, когда она выражена единицей СИ м −2 ·кг −1 ·с 3 ·кд·ср или кд·ср·Вт −1 , что эквивалентно лм·Вт −1 . | Сила света (англ. Candlepower, устар. Британская единица силы света), испускаемая горящей свечой. Современное определение установлено XVI ГКМВ в 1979 г. |
Наименования и обозначения основных единиц, так же как и всех других единиц СИ, пишутся маленькими буквами (например, метр и его обозначение м). У этого правила есть исключение: обозначения единиц, названных фамилиями учёных, пишутся с заглавной буквы (например, ампер обозначается символом А).
Основные и производные единицы [ править | править код ]
Остальные единицы СИ являются производными и образуются из основных с помощью уравнений, связывающих друг с другом физические величины используемой в СИ Международной системы величин.
Основная единица может использоваться и для производной величины той же размерности. Например, количество осадков определяется как частное от деления объёма на площадь и в СИ выражается в метрах. В этом случае метр используется в качестве когерентной производной единицы [2] [к 3] .
Определение СИ через фиксацию констант, вообще говоря, не требует различать основные и производные единицы. Тем не менее, это разделение сохраняется по историческим причинам и для удобства [7] .
Совершенствование системы единиц [ править | править код ]
С момента принятия Метрической конвенции в 1875 году определения основных единиц измерения несколько раз изменялись. С переопределения метра (1960 год) килограмм остался последней единицей, которая определяется не как свойство природы, а как физический артефакт. Тем не менее, поскольку моль, ампер и кандела были привязаны к килограмму, то и они оказывались привязанными к изготовленному людьми эталону килограмма. Длительное время метрология искала пути для определения килограмма на основе фундаментальных физических констант, так же, как метр определяется через скорость света.
В начале XXI века Международной бюро мер и весов готовило новые определения основных единиц СИ, не привязанные к материальным артефактам (эталонам). Эта работа была окончательно завершена к 2018 году, когда на XXVI Генеральной конференции по мерам и весам были приняты новые определения СИ и её основных единиц. Изменения вступили в силу в 2019 году.
Содержательно изменились определения четырёх основных единиц СИ: килограмма, ампера, кельвина и моля. Новые определения этих единиц основаны на фиксированных численных значениях следующих фундаментальных физических постоянных: постоянной Планка, элементарного электрического заряда, постоянной Больцмана и числа Авогадро, соответственно. Всем этим величинам приписаны точные значения, основанные на результатах наиболее точных измерений, рекомендованных Комитетом по данным для науки и техники (CODATA).
Формально новые определения отменили все предыдущие [8] , однако новые определения метра, секунды и канделы равносильны старым и изменены лишь для поддержания единства стиля. Определения метра и секунды уже были связаны с точными значениями таких постоянных, как скорость света и величина расщепления основного состояния атома цезия. Определение канделы хотя и не привязано к какой-либо фундаментальной постоянной, тем не менее, также может рассматриваться как связанное с точным значением инварианта природы.
Новый облик СИ [ править | править код ]
Согласно вступившему в силу в 2019 году определению, СИ — это система единиц, в которой [9] :
- частота сверхтонкого расщепления основного состояния атомацезия-133 в точности равна 9 192 631 770 Гц;
- скорость света в вакууме c в точности равна 299 792 458 м/с;
- постоянная Планка ℎ в точности равна 6,626 070 15⋅10 −34 Дж·с;
- элементарный электрический заряд e в точности равен 1,602 176 634⋅10 −19 Кл;
- постоянная Больцмана k в точности равна 1,380 649⋅10 −23 Дж/К;
- число Авогадро NA в точности равно 6,022 140 76⋅10 23 моль −1 ;
- световая эффективность Kcd монохроматического излучения частотой 540⋅10 12 Гц в точности равна 683 лм/Вт.
