CHEMISTRY [เคมี]: การวัดปริมาณสาร

สมบัติของสสารเชิงปริมาณจะเกี่ยวข้องกับตัวเลขที่วัดได้จากเครื่องมือต่าง ๆ เช่น กระบอกตวง ขวดวัดปริมาตร บิวเรต ปิเปต เครื่องชั่ง ฯลฯ ซึ่งตัวเลขที่วัดได้โดยตรงนั้นต้องมีหน่วยกำกับจึงจะเกิดความชัดเจน ดังตัวอย่าง นายแดงต้องการซัลฟิวริกเข้มข้น 12 ตัวเลข 12 ไม่มีหน่วย จึงไม่รู้ว่านายแดงต้องการกรดซัลฟิวริกเข้มข้น 12 โมลาร์ หรือ 12 นอร์มอล หรือ 12 โมแลล หรือร้อยละ 12 หรือ 12 ppm ดังนั้นค่าของปริมาณจะต้องมีหน่วยของการวัดกำกับไว้ด้วยเสมอ

หน่วยที่ใช้วัดทางวิทยาศาสตร์มีทั้งระบบเมตริก (metric system) และระบบอังกฤษ (English system) แต่ในปี ค.ศ.1960 องค์กรนานาชาติได้มีการประชุมใหญ่เกี่ยวกับหน่วยของการวัดและเสนอให้ปรับปรุงหน่วยระบบเมตริก เป็นหน่วยมาตรฐานสากล หรือหน่วยระบบเอสไอ (SI ย่อมาจากภาษาฝรั่งเศสว่า System International d’ Units) หน่วยระบบเอสไอประกอบด้วยหน่วยพื้นฐาน 7 ประเภท คือ หน่วยของมวล ความยาว เวลา กระแสไฟฟ้า อุณหภูมิ ความเข้มการส่องสว่าง ปริมาณของสาร ดังตาราง 1.2

ตาราง 1.2 หน่วยพื้นฐานในระบบเอสไอ

ซึ่งหน่วยพื้นฐาน(basis units) เหล่านี้มีรายละเอียดดังนี้

มวล

หน่วยของมวล คือ กิโลกรัม (kg) หมายถึง มวลของแท่งแพลตินัมที่เก็บไว้ที่สถาบันน้ำหนักและการวัดระหว่างประเทศ (International Bureau of Weights and Measures) ในประเทศฝรั่งเศส

ความยาว

หน่วยของความยาว คือ เมตร (m) หมายถึง 1650763.73 ความยาวคลื่นของการแผ่รังสีของคริปตอน – 86 ซึ่งแทรนซิชันจาก 2p ไปยัง 5d ในสุญญากาศ

เวลา

หน่วยของเวลา คือ วินาที (s) หมายถึง 9.192631770 x 10⁹ คาบของการแผ่รังสีของ Cs – 133 ซึ่งแทรนซิชันระหว่างสองระดับไฮเปอร์ไฟด์ (hyperfine) ของสถานะพื้น

อุณหภูมิ

หน่วยของอุณหภูมิคือ เคลวิน (K) หมายถึง 1/273.15 ของอุณหภูมิอุณหพลศาสตร์ของจุดร่วมสาม (triple point) ของน้ำ

กระแสไฟฟ้า

หน่วยของกระแสไฟฟ้าคือ แอมแปร์ (A) หมายถึง กระแสไฟฟ้าที่อยู่ในตัวนำ 2 ตัว (ซึ่งเล็กมากจนไม่คิดภาคตัดขวางและยาวอนันต์) ที่วางขนานกันห่างกัน 1 เมตรในสุญญากาศทำให้เกิดแรงเท่ากับ 2 x 10^-7 นิวตันต่อเมตร

โมล

โมล (mol) เป็นปริมาณของสารที่ประกอบด้วยอนุภาค (อะตอม โมเลกุล ไอออน หรืออนุภาคอื่นใด) เป็นจำนวนเท่ากับจำนวนอะตอมในคาร์บอน – 12 ไอโซโทป 12 กรัม หรือ 0.012 กิโลกรัม

ลูมินอสซิตี้

หน่วยของลูมินอสซิตี้ (luminosity) หรือความเข้มของการส่องสว่าง คือ แคนเดลา (candela: cd) มีค่าเท่ากับความเข้มที่ตกตั้งฉากกับพื้นผิว 1/160000 ตารางเมตรของวัตถุดำที่อุณหภูมิของแพลตินัมแข็งภายใต้ความดัน 101325 นิวตันต่อตารางเมตร

ส่วนหน่วยอื่น ๆเป็นหน่วยที่แปลงมาจากหน่วยพื้นฐานเรียกว่า หน่วยอนุพัทธ์ (derived unit) ซึ่งชื่อ สัญลักษณ์และนิยามของหน่วยได้แสดงไว้ในตาราง1.3

คำนำหน้าหน่วย

เนื่องจากหน่วยเอสไอของปริมาณทางกายภาพบางอย่างก็มีค่าน้อยมาก บางอย่างก็มีค่าใหญ่มาก ทำให้ไม่สะดวกในการใช้ จึงนิยมใช้คำนำหน้าหน่วยดังแสดงในตาราง 1.4

ตาราง 1.4 รายการคำนำหน้าหน่วย

ตัวอย่าง

1 000 000 V = 1 megavolt = 1 MV

0.000 000 001 s = 1 nanosecond = 1 ns

1 000 m = 1 kilometer = 1 km

การใช้คำนำหน้าหน่วยมีหลักการดังนี้

1. ใช้คำนำหน้าหน่วยเพียงคำเดียว ไม่ใช้ซ้อนกัน ดังตัวอย่าง

10^-9 s = 1 ns ไม่ใช่ 1 mms

1 000 000 m = 1 Mm ไม่ใช่ 1 kkm

1 000 kg = 1 Mg ไม่ใช่ 1 kkg

10^{-9 kg = 1}mg ไม่ใช่ 1 nkg

2. การยกกำลังหน่วยที่มีคำนำหน้าหน่วย หมายความว่า ยกกำลังทั้งคำนำหน้าหน่วยและหน่วยด้วย เช่น

km² = (km)² = (1000 m)² = 10⁶m² ไม่ใช่ 1000 m²

mm³ = (mm)³ = (10^-6 m)3 = 10^-18m³ ไม่ใช่ 10^-6 m3

หลักการใช้หน่วยระบบเอสไอ

1. หน่วยเอสไอเป็นเอกพจน์เสมอ เช่น km ไม่ใช่ kms

2. ไม่ต้องใส่จุดต่อท้ายตัวย่อของหน่วย เช่น km ไม่ใช่ km.

3. ในกรณีตัวเลขที่มีทศนิยม จะใช้จุดแสดงทศนิยมหรือใช้เครื่องหมาย , ก็ได้ แต่ต้องเขียนบนเส้นบรรทัดไม่เขียนลอยเหนือบรรทัด เช่น 3.5 หรือ 3,5

4. ตัวเลขหน้าและหลังทศนิยม เขียนเป็นกลุ่ม กลุ่มละ 3 ตัว โดยไม่ต้องเขียนเครื่องหมายใด ๆ คั่น เช่น 26 743 201.127 45

5. กรณีอุณหภูมิเป็นเคลวิน (K) ไม่ต้องใส่เครื่องหมายองศา ( ° ) เช่น 273 K ไม่ใช่ 273^oK

6. ไม่นิยมใช้ขีด / แต่ถ้าต้องการใช้จะใช้ไม่เกิน 1 ครั้งในหน่วยเดียวกัน เช่น Jmol^-1K^-1 หรือ J/mol.K ไม่ใช่ J/mol/K

7. เมื่อนำหน่วยมาคูณกันอาจแสดงด้วยจุดหรือเว้นช่องว่างระหว่างหน่วยไว้เช่น เมตร x เคลวิน เขียนเป็น m.K หรือ m K ไม่ใช่mK ซึ่งทำให้เข้าใจผิดเป็นมิลลิ-เคลวิน

8. ข้อสังเกตเกี่ยวกับหน่วยที่ใช้วัดปริมาณต่าง ๆ ทางเคมีซึ่งใช้อยู่เสมอ ๆ ได้แก่ มวล ซึ่งหน่วยเอสไอใช้กิโลกรัม ส่วนความยาวใช้เมตร ถ้าสิ่งใดมีขนาดเล็ก เช่น ความยาวคลื่นแสง ก็ใช้ นาโนเมตร (nanometer, nm) ซึ่งเท่ากับ 10^{-9 เมตร (เทียบเท่า 10 ในระบบเมตริก) นอกจากนี้ยังใช้พิโกเมตร} (picometre, pm = 10^{-12 m) สำหรับความยาวของพันธะเคมีด้วย}

สำหรับค่าคงที่ในหน่วยเอสไอได้แสดงในตารางที่ 1.5

ตาราง 1.5 ค่าคงที่ในระบบเอสไอ

หน่วยที่นิยมใช้

การใช้หน่วย SI เป็นที่ยอมรับกันมากในระดับสากล แต่ก็ยังพบหน่วยที่นิยมใช้อื่น ๆ เช่น หน่วยปริมาตรยังใช้เป็นลิตร (l) หรือมิลลิลิตร (ml) แทนที่จะเป็นหน่วยเอสไอ dm³ หรือ cm³ หน่วยความเข้มข้นเป็นโมลต่อลิตร (mol/l) แทนที่จะเป็นโมลต่อลูกบาศก์เดซิเมตร (mol dm^-3) และความยาวพันธะเป็น Å แทน 10^-10 m และยังมีฟังก์ชันหลายประเภทที่ไม่ใช้หน่วย SI เช่น แรง ความดัน และพลังงาน เป็นต้น ดังนั้นเพื่อความสะดวกในการใช้งานก็สามารถแปลงหน่วยให้สัมพันธ์กับหน่วย SI ได้

แรง