趙建宏 趙夢(mèng)月

(鄭州大學(xué)化工能源學(xué)院，鄭州 450002)

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工業(yè)水分析國家標(biāo)準(zhǔn)中量和單位的問題

趙建宏 趙夢(mèng)月

(鄭州大學(xué)化工能源學(xué)院，鄭州 450002)

本文指出了工業(yè)水分析的國家標(biāo)準(zhǔn)中量和單位的表述與量和單位國家標(biāo)準(zhǔn)不一致，如：應(yīng)用物質(zhì)的量及其單位摩爾時(shí)忽略了指明基本單元;表示水的堿度、硬度時(shí)基本單元選擇不當(dāng)；將量的單位數(shù)作為量的名稱；將量符號(hào)作為表示量數(shù)值的符號(hào)；把含量作為物理量使用；仍把百分比濃度作為量使用；大量應(yīng)用單位的中文名稱等。同時(shí)還指出了標(biāo)準(zhǔn)中普遍使用的數(shù)值方程的缺陷，并討論了量方程的優(yōu)點(diǎn)及等物質(zhì)的量規(guī)則導(dǎo)出量方程的方法。

物質(zhì)的量；基本單元；量的數(shù)值；數(shù)值方程；量方程

0 引言

GB 3100、GB 3101及GB 3102.1—13等15個(gè)量和單位的國家標(biāo)準(zhǔn)，是強(qiáng)制性基礎(chǔ)國家標(biāo)準(zhǔn)，是與國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 31.1-13等效的，各行各業(yè)都必須遵守執(zhí)行，尤其是各行業(yè)的國家標(biāo)準(zhǔn)更應(yīng)該是執(zhí)行這些標(biāo)準(zhǔn)的模范。最近瀏覽了工業(yè)水質(zhì)量及分析的國家標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)多處與上述量和單位的系列國家標(biāo)準(zhǔn)不一致，尤其與其中的GB 3101—1993《量、單位及符號(hào)的一般原則》[1]及GB 3102.8《物理化學(xué)及分子物理學(xué)的量和單位》[2]不一致。本文就這些問題談一些看法，供標(biāo)準(zhǔn)的制定者及使用者參考。

1 物質(zhì)的量及其導(dǎo)出量必須注明基本單元

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3102.8和IUPAC[3]規(guī)定在“應(yīng)用物質(zhì)的量及其導(dǎo)出量時(shí)必須指明基本單元”。但在水分析的標(biāo)準(zhǔn)中多處與這個(gè)規(guī)定不符。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)中“摩爾質(zhì)量”含義不明

水分析的標(biāo)準(zhǔn)中在涉及摩爾質(zhì)量時(shí)，常常不指明基本單元，這里僅舉兩例：

例1：關(guān)于“氧的摩爾質(zhì)量”，GB 12157—1989《鍋爐用水及冷卻用水分析方法》中列出的“8-氧的摩爾質(zhì)量”，由于沒有注明基本單元，我們不知道它是指氧原子(O)的摩爾質(zhì)量、氧分子(O2)的摩爾質(zhì)量或其它氧原子的組合的摩爾質(zhì)量。據(jù)文中的內(nèi)容，它是想表示1/4O2的摩爾質(zhì)量，即M(1/4O2)=8gmol-1。因此，這句話應(yīng)改成“M(1/4O2)—1/4O2的摩爾質(zhì)量，其量值為8g/mol”。

GB/T 14420—93《鍋爐用水及冷卻水分析方法-化學(xué)耗氧量的測(cè)定》中用O2與Fe2+反應(yīng)方程式來確定1/4O2單元是不必要的。據(jù)等物質(zhì)的量規(guī)則[4-6]，在氧化還原反應(yīng)中用和得失一個(gè)電子相應(yīng)的特定組合為基本單元，對(duì)氧來說就是1/4O2。

例2：關(guān)于“重鉻酸鉀的摩爾質(zhì)量”，GB/T 601—2002《化學(xué)試劑-標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的制備》[7]有下列的表述，“M—重鉻酸鉀的摩爾質(zhì)量數(shù)值，單位為克每摩爾(g/mol)[M(1/6K2Cr2O7)=49.031]”。這個(gè)表述有下列的問題：

1)“重鉻酸鉀的摩爾質(zhì)量”沒指出基本單元是不嚴(yán)格的，從題意知其基本單元為1/6K2Cr2O7，因此，這句話應(yīng)表示為“M(1/6K2Cr2O7)—1/6K2Cr2O7的摩爾質(zhì)量”；

2)“單位為克每摩爾”不符合“國家法定計(jì)量單位使用方法”[9](見2.5)；

3)“M(1/6K2Cr2O7)=49.031”表示方法是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?見2.2)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度含義不明

1.3 堿度的計(jì)量單位表示方法不嚴(yán)謹(jǐn)

1.4 碳酸鹽堿度及其表示方法中的問題

另外，GB/T 1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)-對(duì)2001年標(biāo)準(zhǔn)的修改意見》中酚酞堿度及甲基橙堿度表示式為

(1)

(2)

因此，上式應(yīng)該表示為

(3)

(4)

1.5 水硬度基本單元的問題

1)水硬度的計(jì)量單位：GB/T 1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》規(guī)定水硬度的“計(jì)量單位為一價(jià)基本單元物質(zhì)的量濃度”，也是值得商議的。我們知道通常水硬度是由鈣離子和鎂離子引起的，因此，水硬度的計(jì)量單位可規(guī)定為“基本單元1/2Ca2++1/2Mg2+的量濃度”，這個(gè)敘述更簡單直觀。如EDTA滴定測(cè)水硬度，其計(jì)算式為

YD =c(1/2Ca2++1/2Mg2+)

=c(1/2EDTA)V(1/2EDTA)/VS

(5)

2)基本單元的選取混亂：GB/T 1576—2008對(duì)鍋爐水質(zhì)的規(guī)定應(yīng)該是權(quán)威性的，有關(guān)鍋爐水質(zhì)的其它標(biāo)準(zhǔn)必須與這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)保持一致，但是我們發(fā)現(xiàn)GB/T 6909—2008《鍋爐用水和冷卻水分析方法-硬度測(cè)定》中，沒有用“1/2Ca2++1/2Mg2+”做基本單元，而選用“Ca2++Mg2+”為基本單元，這不僅違背了鍋爐水分析總則(GB/T 1576—2008)的規(guī)定，也和我國表示水硬度的傳統(tǒng)習(xí)慣不一致。

2 量的名稱及符號(hào)的問題

2.1 量名稱中不應(yīng)包含單位

IUPAC的規(guī)定及我國為貫徹量和單位的系列標(biāo)準(zhǔn)的宣傳文件[8]都強(qiáng)調(diào)指出，物理量的定義和單位的選擇無關(guān)，量名稱中不能包含量的單位。鍋爐用水的標(biāo)準(zhǔn)及分析標(biāo)準(zhǔn)中，多處違背了這規(guī)定。如，用“摩爾數(shù)”或“毫摩爾數(shù)”表示“物質(zhì)的量”(GB 12157—1989，GB 14420—1993)；用“克數(shù)”表示“質(zhì)量”；用“毫升數(shù)”表示“體積”(GB 1576—1996)及“1mol Na2CO3相當(dāng)氫離子的mmol數(shù)”(GB/T 14419—1993)。

以上這種以某物理量的“單位數(shù)”表示這個(gè)物理量的方法是不科學(xué)的，正如不能把“長度”稱為“米數(shù)”，把“時(shí)間”稱為“秒數(shù)”一樣。雖然過去使用過這種不科學(xué)的用法，有了國家標(biāo)準(zhǔn)、國家法定計(jì)量單位及SI的規(guī)定后，尤其作為國家標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)該再使用了。

2.2 物理量數(shù)值表示中的問題

GB/T 15451—2006《工業(yè)循環(huán)冷卻水堿度的測(cè)定》及GB/T 6909—2008等標(biāo)準(zhǔn)中都使用“V—體積的數(shù)值”及“c—濃度的數(shù)值”等表達(dá)語句，這種表示方法是不嚴(yán)謹(jǐn)，不能用物理量的符號(hào)表示量的數(shù)值。國家基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB 3101—1993《量、單位和符號(hào)的一般原則》規(guī)定任何物理量都由數(shù)值和單位構(gòu)成，即

A={A}[A]

(6)

物理量A可表示為量的數(shù)值{A}與其單位[A]的積，不能僅用數(shù)值代表這個(gè)量。如果要表達(dá)量的數(shù)值，必須用下式

{A}=A/[A]

(7)

因此，物理量V及c的數(shù)值符號(hào)應(yīng)表示為

{V}=V/L

(8)

{c}=c/(molL-1)

(9)

同樣用“M(1/6K2Cr2O7)=49.031”(GB/T 601)表示量數(shù)值也是不正確的。如果要表達(dá)1/6K2Cr2O7的摩爾質(zhì)量的數(shù)值，其表示式應(yīng)為

{M(1/6K2Cr2O7)} =M(1/6K2Cr2O7)/

(gmol-1)=49.031

(10)

2.3 關(guān)于濃度的符號(hào)cB

SI及GB 3102.8規(guī)定物質(zhì)的量濃度用斜體小寫字母“cB”表示，基本單元B如果是化學(xué)式，應(yīng)加括號(hào)后與濃度符號(hào)c置齊，如c(1/5KMnO4)，c(1/2EDTA)。但GB 1576—1996《低壓鍋爐水質(zhì)》沒完全執(zhí)行這些規(guī)定，其中用大寫字母“C”表示濃度，如C(1/2Ca2+，1/2Mg2+)是不嚴(yán)格的。GB 3102.8規(guī)定CB為另一個(gè)物理量，分子濃度的符號(hào)。

2.4 關(guān)于符號(hào)[B]與ρB

GB 3102.8對(duì)這兩個(gè)符號(hào)有明確的規(guī)定，[B]是物質(zhì)的量濃度的一種符號(hào)，ρB表示質(zhì)量濃度，即溶質(zhì)的質(zhì)量與溶液體積之比(gL-1)。GB 1576—2008違背這些規(guī)定，用[B]代替ρB表示質(zhì)量濃度，如用[SO32-]代替ρ(SO32-)等都是不正確的。

2.5 國家標(biāo)準(zhǔn)中不應(yīng)使用單位的中文符號(hào)

《中華人民共和國法定計(jì)量單位使用方法》[9]中規(guī)定“中文符號(hào)只能在初中、小學(xué)課本和普通書刊中,有必要時(shí)使用，且只能使用中文符號(hào)的簡稱，高中以上學(xué)校教材和相當(dāng)水平的書刊應(yīng)該用國際符號(hào)”。但是作為科技文件的GB/T 1576—2008等標(biāo)準(zhǔn)中，大量使用單位的中文名稱，如濃度單位為摩爾每升，此處“摩爾每升”不僅是多余的，也違背了僅能用中文符號(hào)的簡稱(摩每升)及不推薦使用中文符號(hào)的國家規(guī)定。

2.6 單位“mg/mmol”違背規(guī)定

GB/T 14420—1993用mg/mmol作為摩爾質(zhì)量的單位，這個(gè)表示方法不符合復(fù)合單位分母不可帶詞頭的規(guī)定[10]。這個(gè)單位應(yīng)該為g/mol。

2.7 “含量”不是物理量

2.8 百分比濃度已廢除

雖然百分含量濃度作為一種濃度單位使用過很長時(shí)間，但國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3102.8并不包括這個(gè)量。用“質(zhì)量分?jǐn)?shù)”代替了“重量(質(zhì)量)百分濃度”，用“體積分?jǐn)?shù)”代替“體積百分濃度”。GB 1576—1996仍使用百分濃度是不合適的。GB 3101—1993及《量和單位標(biāo)手冊(cè)》[10]指出，由于百分是純數(shù)字，所以質(zhì)量百分或體積百分是無意義的，也不能在百分符號(hào)上附加其他信息。GB/T 14420—1993用10%(m/V)表示AgNO3的濃度就是違背了“%”不能附加信息的規(guī)定?？捎觅|(zhì)量濃度ρ(AgNO3)=0.1kg/L表示這個(gè)濃度，只不過應(yīng)該用容量瓶配制溶液。

3 滴定結(jié)果計(jì)算式的問題

3.1 數(shù)值方程的缺陷

大部分水分析標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)定結(jié)果計(jì)算式都是數(shù)值方程，如GB/T 14420—1993化學(xué)耗氧量的測(cè)定的計(jì)算式：

(COD)Cr=(b-a)c×(1/4)×32×1000/V

(11)

在這個(gè)數(shù)值方程中，不僅都存在著GB 3101—1993所指出的缺陷，即數(shù)值方程所涉及的量都必須指明單位，而且，方程中應(yīng)用的量的數(shù)值符號(hào)也不符合GB 3101—1993的要求(見2.2)。另外，這個(gè)表達(dá)式還含有三個(gè)數(shù)字因子，該標(biāo)準(zhǔn)用了很大篇幅來說明這些因子的含義，尤其是為說明因子“1/4”,還必須書寫氧和硫酸亞鐵的反應(yīng)方程式。因此，GB 3101—1993及標(biāo)準(zhǔn)的宣貫文件[5,7]認(rèn)為在科技計(jì)算中“不宜使用數(shù)值方程”。

3.2 等物質(zhì)的量規(guī)則能簡單規(guī)范的導(dǎo)出量方程

以GB/T 14420—1993中計(jì)算式為例說明量方程的導(dǎo)出方法。據(jù)等物質(zhì)的量規(guī)則[4-6]，對(duì)氧化還原體系，基本單元即為和一個(gè)電子相應(yīng)的特定組合；得或失電子的物質(zhì)的量與該單元物質(zhì)的量變化量相等；體系中各還原劑基本單元的物質(zhì)的量變化量(即失電子的物質(zhì)的量)等于各氧化劑單元的物質(zhì)的量變化量(即得電子的物質(zhì)的量)。利用這個(gè)規(guī)則不用寫反應(yīng)方程式即可寫出滴定計(jì)算的量方程。虛擬氧化劑氧得電子的物質(zhì)的量n(1/4O2)與水樣中還原物質(zhì)失電子的物質(zhì)的量相等，也等于氧化水樣還原物質(zhì)所消耗的1/6K2Cr2O7的物質(zhì)的量。因此，可得：

(COD)Cr=ρ(O2)=c(Fe2+)·[(V2(Fe2+)-

V1(Fe2+)]·M(1/4O2)/VS

(12)

這個(gè)計(jì)算式是和單位無關(guān)的量方程[8,10]，上式只須指明三個(gè)體積符號(hào)的區(qū)別，不必作其他任何說明。式中各量符號(hào)的含義，都是GB 3102.8規(guī)定的。由于SI單位制是一貫單位制，如果計(jì)量方程中的量用SI單位，方程中不會(huì)出現(xiàn)數(shù)字因子，計(jì)算結(jié)果也一定是SI單位。計(jì)算的結(jié)果也很容易換算成SI的分?jǐn)?shù)或倍數(shù)單位，只要乘上相應(yīng)的因數(shù)即可，例如：mol=103mmol=106μmol。因?yàn)榱糠匠逃猩鲜龅膬?yōu)越性，GB 3101—1993及量和單位標(biāo)準(zhǔn)的宣貫文件[8,10]認(rèn)為科技書刊應(yīng)優(yōu)先使用量方程。

[1] GB 3101—1993,量、單位及符號(hào)的一般原則

[2] GB 3102.8—1993,物理化學(xué)及分子物理學(xué)的量和單位

[3] IUPAC Green Book,Quatities、Unites and Symboles in Physical Chemistry,3rdEdition 2008

[4] Mengyue Zhao,Lingcui Lu.Abolition of equivalent，Rule of equal amount of substance，Analytica Chimica Acta,1994(289):121-124

[5] 趙建宏，趙夢(mèng)月.等物質(zhì)的量規(guī)則的應(yīng)用.大學(xué)化學(xué)，2013(4)

[6] 趙建宏，趙夢(mèng)月.等物質(zhì)的量規(guī)則進(jìn)展.計(jì)量技術(shù)，2014(1)

[7] GB/T 601—2002,化學(xué)試劑—滴定分析中標(biāo)準(zhǔn)溶液的準(zhǔn)備

[8] 國家技術(shù)監(jiān)督局.量和單位國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施指南.北京中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996

[9] 國家計(jì)量局辦公室.計(jì)量工作文獻(xiàn)選編.北京：中國計(jì)量出版社，1987

[10] 趙燕，段方，劉天和.量和單位標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè).北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.10.06