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国外化学仪器计量的发展趋势研究

编辑:永利电玩城????来源:未知????发布时间:2019-08-24 14:18????浏览量:

仪器计量

化学仪器计量的出现打破了原来计量学只对物理量进行计量的界限,使从物理学派生出来的计量学已深人到化学的领域。这样,伴随着物理学与化学的发展,由于物理与化学的交叉又产生了物理化学,作为计量学的一个重要组成部分,逐步形成了物理化学仪器计量,大家简称为化学仪器计量。所谓化学仪器计量就是借助计量装置、计量方法以及作为化学仪器计量量具用的标准样品,通过标定化学参量的仪器仪表以保证化学量值的准确一致,这种计量大家称为化学仪器计量。化学仪器计量的主要特点是采用各种现代化,特别是自动化的仪器装置来代替原来借助于各种化学试剂从事人工操作的原始方法。这不仅提高了测量的效率和可靠性,而且可以适应现代自动化生产过程中自动监测、控制、调节的要求。在各种原材料工业,特别是化学工业、石油化工以及环境保护、医疗卫生和科学研究方面,化学仪器计量起着越来越重要的作用。
 
目前化学仪器计量这个计量学的新的领域还处于不断发展,完善的阶段。有的国家(如苏联)和国际组织〈如国际理论与应用化学协会)称这门专业为物理化学仪器计量,有的国家(如美国)还没有明确的专业命名。他们把这门专业纳人所谓标准参考物质系统。但是,目前世界上各技术先进的国家都开展了这方而的工作,都有专门从事这门专业的研究机构,同时研究的对象和业务工作范围大体是相同的。   
 
选择基本单位是进行计量的前提。在1971年以前只有原子量的基本单位。第一个原子量单位是 1810年确定的,当时以氢的原子量的单位作为原子量的基本单位。1826年又改成氧的原子量单位。在发现同位素之前,元素的原子量被人们认为是固定不变的。在决定氢和氧的原子量时没有估计到同位素成分。后来发现无论氢和氧都含有同位素成分,因而不能作为原子量的单位。
 
1961年国际理论与应用物理协会和国际理论与应用化学协会共同采纳了统一的原子量单位。这就是以碳同位素原子质量的十二分之一作为原子(质)量单位,其他元素的原子量根据碳12的原子量得出。这个单位既适用于物理又适用于化学0〕。
1967年国际计量委员会根据国际理论与应用物理协会,国际理论与应用化学协会和国际标准化组织的建议,拟订了化学仪器计量的基本单位一一摩尔的定义。1971年第十四届国际计量大会通过了关于摩尔的建议。大会作出的第3号决议是(2〕:
 
1.摩尔是一物系的物质的量,该物系中所包含的结构粒子数与0 · 012千克碳12的原子数目相等。
2 ·在使用摩尔时,结构粒子应予指明,而且可以是原子、分子、离子、电子及其他粒子或是这些粒子的特定组合体。
根据以上定义,1尔包含大约6 × 1023个结构粒子。摩尔的粒子数的准确值就是阿伏加德罗常数。因此,实现摩尔的基本途径就是精确地测定阿伏加德罗常数。根据F=Ne的公式(F一一法拉第常数,N一一一.阿伏加德罗常数,e一一一电子电荷),实现物质的量的基本单位摩尔基本上通过两个途径。一方面可以通过精确测定法拉第常数F来求阿伏加德罗常数,另一方面可以直接测定阿伏加德罗常数〔3〕。
 
由于1摩尔是相当于0 · 012千克碳所包含的结构粒子数,因此摩尔目前与千克还有密切的联系。虽然,摩尔与千克均是国际单位制中两个独立的基本单位,但是这两个量是互相依存的。它们是反映物质微观与宏观现象,即微观质量和宏观质量的两个量。虽然把原子或分子的质量进行比较的技术已能以极高的准确度实现,但是把单个原子或分子的质量积累起来成为千克的技术尚未成熟。也许正因为如此才将摩尔与千克这样同时纳人国际单位制吧!
长期以来物理界与化学界同时采用两种原子量标准,从而有两套原子量并存,即物理原子量和化学原子量,由于采用碳12原子质量的十二分之一作为原子量单位,总算结束了上述不一致的局面。现在的情况是要求把宏观质量与微观质量统一起来,而且力争在实验室内以实物体现。这似乎是规定摩尔定义的现实意义。
 
自从1971年第十四届国际计量大会通过尔的定义并把摩尔列为国际单位制七个基本单位之一以来,美国、英国、日本、西德、意大利等国的计量研究机构先后开始探索实现摩尔研究工作。但苏联计量机构对摩尔的定义持有异议。他们认为《可以作为测定地球元素原子量基础的元素只能是单一核素,而且这种单一核素比较容易得到并能和大量其他元素化合。虽然碳12是单一核素,没有其他同位素,但不容易得到,不能和大量其他元素化合,因此不宜作为原子量的基本单位。他们认为:从23 种各向异性元素的特性比较来看,最合适的是碘。因为碘容易获得纯物质,容易清洗,可以在安瓿中保持很长时间,通过升华可将碘从安瓿中取出,不和馒匙接触,消耗完后可以经常恢复。碘可以和很多一般物质化合形成二元化合物,直接测量其组成可以确定化学比例。过渡到碘的原子量单位还可以解决化学仪器计量一个重要问题,通过以“原器”形式复现原子量单位并通过“原器”、主基准、工作基准直到标准量具进行传递,从而建立化学仪器计量系
 
无论进行何种计量,进行量值的传递,须有量具和计器。正如进行质量计量必须有砝码和天平一样,二者缺一不可。标准样品就是化学仪器计量的量具,相当于质量计量用的砝码。所谓标准样品〈国外叫标准参考物质、标准物质或标准参考材料),是指具有一定化学成分或理化特性,经过精密测量或标定,能大量提供用以统一化学量值的物质。标准样品是体现某种化学量的实物。
标准样品是一种牵涉面很广、使用范围很广、种类和数量比较多的量具。由于标准样品有数千种之多,它的分类目前在国际上没有统一的标准。按技术特征一般分为化学成分标准样品,理化特性(或物理特性)标准样品和工程技术特性标准样,按精度等级分为基准物质和标准物质,按标准样品的用途大致可分为用于产品交换、质量控制、特性测定和科学研究等四类。
标准样品作为体现化学量直的一种量具,除了具备与物理量“量具”的共同点之外,还有自己的特点。这就是
1 ·需要面广:国民经济许多部门,包括工农业生产与科研部门都需要标准样品。近几年来不仅在工业生产过程的自动监测、控制、调节和产品检验,而且在农业、临床、环保以及科学研究等部门都需要标准样品。
2 ·品种繁多:一般需要的标准样品有数千种,苏联的标准样品有1600多种,其中钢铁标样就有493种。
3      ·消耗性:许多标准样品在进行比对和量值传递过程中要逐步消耗掉,有的只能用一次,所以要定期制备,经常补充。
4      ·比对性:标准样品的数据采用多种方法进行鉴定。大多采用相对法进行比对,也有采用绝对法进行鉴定的。经常采用几家实验室,甚至几十家实验室共同对比来取样品的数据。
5,复现性:每种标样具有一定的化学成分或物理特性,在消耗后重新制备时要求与原来样品成分特性一致,也就是要具有复制性。美国标准局一般每隔五、六年复制一批。
6 ·管理性:由于标准样品量大面广,从研究、制造、鉴定到发售牵涉到许多部门,因此有大量组织协调工作。
在化学仪器计量的量值传递方面国外大体上有两种类型一种是以苏联为代表的计量部门,他们在化学仪器计量中实行和长、热、力、电一样分等级的传递系统。苏联和其他“经互会”国家对酸碱度、粘度、等分为从国家基准到一等、二等,甚至三等标准,最后到工作计量器具的多种等级并规定各种等级有不同的精度。另一种是以美英等国为代表的计量部门,他们在化学仪器计量方面没有上述严格的检定系统和精度等级,也没有规定检定周期。他们采用发放标准样品,由用户自己标定本部门的仪器。如他们通过发售标准粘度油、苯甲酸和缓冲物质等标样由使用部门自己校准这类仪器。有的国家,如日本基本上实行的是英美的办法,但对涉及公害的计量仪器规定有送检的义务。
大家认为:对化学仪器计量不必要实行严格的按等级的检定制度和传递系统。因为,第一,化学仪器计量仪器的种类很多、数量很大。对大量各种化学仪器计量仪器不可能,也没有必要建立这么多检定系统。化学仪器计量的特点是对特定的物质进行测量,需要用相应的标准样品来检定这类仪器。化学仪器计量不可能使用象端度计量中的量块和质量计量中的砝码一样的通用量具。量块、砝码等量具不管何种物质均可以使用,而化学仪器计量的量具一一标准样品不可能其有这种通用性。不可能用少量的量具达到统一化学仪器计量量值的目的。第二,化学仪器计量仪器有很多是现场使用的,有些甚至在工业自动化流水线上。这些仪器要在现场经常进行校准,不然量值就不稳定,流程就控制不好,因此无法定期送检,第三,通过发放标准样品来保证化学仪器计量的量值统一可以减少不要的传递层次。标准样品国外一般分二级,最多三级。一般由国家级研究机构发放基准物质,私人机构发放一级或二级标准物质。基准物质一般是用来标定要求精度高的仪器,标准物质用来标定要求精度较低的计量仪器。总之在计量传递系统中唯独化学仪器计量的量值传递比较简化。这是化学仪器计量一个重要特点。
综上所述,化学仪器计量的发展趋势大致可归纳为以下几点:
1 ·精确测定阿伏加德罗常数,探索实现化学仪器计量基本单位摩尔的途径。
国际单位制的七个基本单位除摩尔以外,均能以实物体现。这些基本单位的基准逐步由自然基准代替原来的人工基准,从而不断提高复现的精度和测量的准确度。自从1971年国际计量大会通过靡尔的定义以来,各技术先进国家的计量研究机构开始探索实现摩尔定义的研究工作。
按照摩尔的定义,1摩尔包含的粒子数就是阿伏加德罗数。因此采用各种方法直接地或间接地极其准确地测出阿犬加德罗常数就可以在实验室条件下实现摩尔,建立像米、千克、秒、开尔文、安培、坎德拉等计量基准器一样的实物基准。
阿伏加德罗常数目前的测量准确度可达1 ×

10 6量级。从这个意义讲摩尔的实现也可以达到同样的准确度了。这对化学仪器计量说来一般是足够的了。但是规定摩尔单位的意义还不在于此。国外研究实现摩尔的企图还在于准确地确定物质的量与质量的关系,从而确定微观质量与宏观质量的关系。
本来确定物质的质量以物质的基本结构粒子来计算是最准确的了。如果准确地知道了单个原子的质量,又准确知道这种物质所包含的结构粒子数,即
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原子数,那么这种物质的质量是最准确的。可惜目前测量物质结构粒子数,即测量阿伏加德罗数的准确度还不够高,特别是比宏观质量,即用基准天平和砝码测量的准确度还差二、三个数量级。因此在国际单位制中还同时保留着千克和摩尔这么两个表现物质宏观质量和微观质量的基本单位〔4〕。
精确测定阿伏加德罗常数,探索实现摩尔的途径,其战略目标就是为了实现千克和尔这两个基本单位基准的统一。这是国外一些技术先进国家计量机构在计量科学中主攻的一个重大课题。这个课题的重要性不亚于探索实现长度与时间两个基本单位基准的统一

从1916年第一次测定阿队加德罗常数到1976年的六十多年时间,准确度由千分之一已提高到百万分之一(美国已达到千万分之九),提高了三到四个数量级。在现代科学技术飞快发展的条件下测量的准确度完仝有可能进一步提高。不少科学家在预计,当阿伏加德罗常数测量的准确度达到0 · Olppm,即一亿分之一时,那时人工的公斤基准原器将成为多余的。到那时就可以通过原子质量单位反过来得出宏观质量。这是美国、西德等国计量学家提出来的设想。
目前,X射线硅晶体密度方案是实现上述目的比较成熟的一种方案。这就是用X射线干涉仪和光干涉仪测量理想单晶硅品格中的原子间距,通过高度完美钢球测量硅品体的密度,用质谱仪精密测量硅晶体同位素丰度比,确定单个原子的质量。这样就可以极其准确地确定1摩尔所包含的结构粒子数。这个方案要求有纯度达10一9量级的单晶硅。因此这个课题有助于硅提纯分析的研究,而单晶硅是电子工业不可少的材料。测量晶体的晶格距离要求建立微观长度基准,建立光波波长与X射线波长的联系,从而促进微观长度的研究〔5〕。因此这个项目不仅涉及到化学仪器计量与质量计量的基本单位,而且可以促进密度、纯度、微观长度等计量领域。同时阿伏加德罗常数不仅是联系法拉第常数和电子电荷之间的常数,而且也是联系气体常数和玻尔兹曼常数的一个基本常数,因此,精确测定阿伏加德罗常数对近代物理学和化学的发展都有深远的影响。 2 ·标准样品的研究,制造和发售趋于国际统

标准样品作为统一化学仪器计量量值的手段和传递
量值的量其在化学仪器计量中占有重要的地位。因此,随着科技的发展和国际交流,特别是国际贸易的扩大,在国际上要求统一研究、制造和发售标准样品的呼声越来越高。标准样品量大面广,技术复杂,无论在国际上或在一个国家由一家包下来是很困难的。在统一协调和合理分工的原则下由各有关国家承担拿手方面的标准样品的研制,统一组织发售,这样在不增加投资的情况下研制标准样品的数量可以成倍地增加。所以许多国家主张成立国际标准样品委员会。自1969年以来已开过多次国际会议。目前欧洲经济共同体和“经互会”均建立了统一的管理委员会。国际理论与应用化学协会、国际标准化组织等也成立了专门的委员会。要求标准样品的国际统一呼声很高,一个主要原因是国际贸易对一些原材料的交换在评定其质量、特性和确定合理价格时在国际上要求有能进行比对的统一数据。
科学技术的发展更是要求提供测量准确一致的原材料成分特性的测试数据。要求在不同的国家、实验室和人员提供的测试数据达到高度一致。要求数据能相互比对。这只有具备测量准确、测试数据一致的标准样品才能做到。有些标准样品必须有十个以上的研究所准确一致的分析值才能成为国际上高度可靠的标准样品。因此象日本这样没有标准样品统一管理机构的国家都强烈要求政府部门统一协调管理。要求加强全国统一管理,甚至国际上的协调管理是当前各国标准样品部门的强烈愿望。
3 ·标准样品使用范围扩大、品种增加、精度提高。
随着近代工业生产的发展和科学技术的进步,作为监测物质材料成分特性的测试手段,标准样品的使用范围日益广泛。在工业生产中用来检验原材料的质量,控制生产工艺流程,检验成品质量。在农业生产中已逐步用于分析土壤成分、检验肥料质量、培育优良品种和研究植物生理过程。在国内、国际贸易中标准样品对检验进出口原材料质量和确定商品合理价格具有重要作用。此外,标准样品在环境监测、临床分析以及各种分析测试技术中都有广泛的用途。
标准样品的品种不断地增加。美国标准局在
1906年仅能提供初步满足钢铁工业要求的铸铁标样,现在可提供300多种各种钢铁标样。1920年钢铁标样只能分析6种元素而且只有百分之几的精度,现在特殊金属可标定40多种元素。日本在1933 年只能提供十种以上钢铁标样,1966年新的钢铁标样已近1佣种。苏联目前可提供的国家级的钢铁标样已有493种。标准样品的种类没有确切的数字,据欧洲经济共同体标准样品管理局登记的目录大约有3万种。
随着环境科学和电子技术的发展,要求进行微量、超微量分析。分析的物质只有十亿分之几(10一9 量级)的含量,要求分析的精度有的要达百万分之几。高纯硅材料要求纯度分析达9个“ 9 ”。这就促使各种现代化的分析手段,要求研制更高精度的标准样品。
4 ·化学分析由人工操作走向仪表化和自动
由于工业生产过程自动化程度的提高和普遍采用电子计算机,使化学分析从原来人工操作的重量、容量分析发展到高精度的仪器分析。分析手段越来越现代化。原子吸取法、蜚光发光法、同位素稀释质谱分析法、中子电磁激发活化分析法、核子径迹记数分析法、全息照相分析法等现代化分析手段已日益广泛地用于化学分析。这些方法都离不开标准样品。这些方法准确、可、简便、容易掌握。特别是电子计算机等多机联用可以大大减少分析程序、加快分析速度、提高分析精度。随着半导体元件的发展,大规模集成电路的采用、各种小型电子计算机和微型计算机的应用、使化学仪器计量过程实现自动操作,仪表实现数字化、小型化,测试数据可以大量贮存,随时检索。
总之,化学仪器计量在计量领域中已显示出它越来越重要的作用。化学仪器计量也成为国外计量部门比较重视的一门专业
 

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