Слово против алхимического моля

Моль - единица измерения количества вещества в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ.
Один моль - количество вещества, содержащее число структурных элементов равное числу Авогадро.
В Постановлении Правительства РФ от 31 октября 2009 г. №879, в частности, указывается:
«Моль - количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 килограмма.
При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц (XIV ГКМВ, 1971 год, Резолюция 3)».
При нормальных условиях объём одного моля идеального газа составляет 22,413 996(39) л. Значит, один моль кислорода занимает объём 22,413 996(39) л (для простых расчётов 22,4 л) и имеет массу 32 г.
Иными словами, один моль кислорода соответствует 32 г. и занимает объём 22,414 л или 0,022414 куб.м. В этом случае плотность кислорода должна быть р = 0,032/0,022414 = 1,42768 кг/куб.м.
Средняя наблюдаемая плотность кислорода по разным источникам равна 1,429 кг/куб.м, погрешность – 0,09%, что для современного уровня науки представляется весьма приблизительным.

Мартин Дж.Т. Милтон директор Международного бюро мер и весов (BIPM, с 1 января 2013 г.) в статье «Моль, количество вещества и первичные методы» /1/, так обосновывает появление термина «моль»:
«Первое определяемое использование величины для измерения того, что мы сегодня называем количеством вещества, было связано с «весом по формуле». Этот термин использовался для определения размера образца, который имеет массу, равную молекулярному весу по формуле вещества, и по-этому выражался в единицах массы.
Такой способ использовался химиками Германии в XIX в. для определения практического количества. Они добавили к нему единицу «г-Молекула» для характеристики размера образца с массой, равной весу по формуле в граммах. Следовательно, слово «моль» использовалось как сокращение от термина «г-Молекула» и постепенно стало означать единицу веса по формуле.» [1]
Здесь следует добавить: по химической формуле.
Иными словами, в XIX веке количество химического вещества для смешивания измеряли в стандартных единицах массы отнесенных к молекулярному весу этого вещества, что представляется вполне логичным и обоснованным.

В 1909 г. Перрен Ж.Б. в работе «Броуновское движение и действительность молекул» [2], вычисляя число Авогадро, использовал термины «грамм-молекула», «грамм-атом», и ни разу не использовал термин «моль», хотя сам термин «моль» к тому времени уже был изобретён.
Этот термин (по-немецки Mol) придумал в 1893 году Вильгельм Оствальд, будущий лауреат Нобелевской премии по химии 1909 года, произведя его от Molek;l - молекула (по-английски моль - mole), но судя по тому, что в 1909 г. Перрен его ещё не использовал, он не получил ещё к этому времени достаточно широкого распространения. [3]

Мартин Дж.Т. Милтон отмечает, что становление термина «моль» проходило в течении всей первой половины XX века:
«В соответствии с анализом единица моль использовалась тремя способами, концептуально отличными друг от друга.
Первый назывался «единица химической массы», например, как в этих фразах: «1 моль = 22,991 г натрия» или «1 моль = 58,448 г хлорида натрия».
Второй – «количество молей» (или по-немецки Molzahl), как в уравнении: l = n/L, где n – количество частиц в пробе и L – число Авогадро.
Третий способ использования представлял собой величину, которая по-немецки называлась Stoffmenge («количество вещества»), как, например, во в фразе: 1 моль является «количеством вещества, содержащим столько же частиц, сколько и А(O) г атомного кислорода», где A(O) – атомный вес кислорода.» [1]

Окончательное закрепление термина «моль» в научном обороте произошло, когда международные научные союзы по физике и химии согласовали определение моля, и в 1971 г. он был принят как основная единица в СИ со следующим определением:
«Моль – это количество вещества системы, которое содержит столько же элементарных частиц, сколько атомов в 0,012 кг углерода 12.
Когда используется моль, элементарные частицы должны быть оговорены и могут являться атомами, молекулами, ионами, электронами или другими частицами, или группами таких частиц».
Таким образом, фактически алхимический термин был на международном уровне уравнен с единицами современными системы измерений. Что вызывает обоснованное сомнение.

Основная цель этой единицы веса (массы) связать конкретный вес количества веществ участвующих в химической реакции с их атомным или молекулярным весом. Но, до начала XX века всех устраивали и грамм-молекула и килограмм-атом. Отнесение молекулярной (атомной) массы не к единице массы, а к условному весовому эталону, который к тому же и вычислен ориентировочно, представляется по меньшей мере корректным.
Дело в том, что углерод-12 в чистом виде встречается только в трёх модификациях графита и в алмазе исключительно в твёрдом состоянии. При этом плотность этих модификаций значительно отличается друг от друга от 1800 кг/куб.м (аморфный графит) до 3550 кг/куб.м (алмаз), что создает дополнительные проблемы в определении количества вещества.
Как было показано в работе «Число Авогадро» оно в настоящее время вычисляется с существенной ошибкой [4]:
Принятое значение: 6,0221367*10^(23) моль^(-1)
Фактическое значение: 5,9753831*10^(23) идеальных атомов на один грамм массы.
Ошибка + 0,78 %.

Поэтому, использование такой странной единицы измерения как «алхимический» моль необходимо заменить реальным атомным весом привязанным к весу идеального атома в граммах или килограммах и числу протонов в химическом элементе.

Так, плотность идеального атома, с одним протоном, составляет 0,09 кг/куб.м для газов, 90 кг/куб.м для твердых веществ. Соответственно, плотность многопротонного вещества увеличивается на число протонов в атоме.
Для твёрдого углерода плотность должна составлять 90*12 = 1080 кг/куб.м, фактически мы наблюдаем от 1800 до 3550 кг/куб.м. Наблюдаемое различие от идеального состояния, обусловлено межатомным взаимодействием внутри вещества. И это его индивидуальная характеристика, никак не связанная с количеством протонов из которых состоят его атомы.  Насколько сложно соотношение реальных химических процессов и физического состояния конкретных веществ мы видим, например, в ошибке определения атомного веса гелия, которое сегодня принято, как 4 атомных единиц, то есть 4-х протонов. В то время, как отношение наблюдаемой плотности гелия к плотности идеального атома составляет 0,1785/0,09 = 1,98, что указывает на наличие в атоме гелия всего 2-х протонов. И это далеко не единственная ошибка в определении атомного веса элементов.

Я вполне могу предположить, что «моль» с точки зрения чисто химических задач и выполняет свое назначение, но с точки зрения физической реальности, это скорее напоминает алхимическое гадание на кофейной гущи, чем серьёзную науку.


Примечания.

/1/ Оригинал опубликован в журнале Metrologia (2013. V. 50. № 5. P. 158–163) под названием “The mole, amount of substance and primary methods”. Материал получен 25 февраля 2013 г., в окончательной форме – 8 марта 2013 г., опубликован 2 апреля 2013 г. URL: stacks.iop.org/Met/50/158.
Доклад Мартина Дж.Т. Милтона основан на лекции в Международной школе физики «Энрико Ферми», курс CLXXXV: «Метрология и физические константы», проведенный в Варенне (Франция) 17–27 июля 2012 г.


Литература.

1. Мартин Дж.Т. Милтон.  Моль, количество вещества и первичные методы. // Стандартные образцы № 3, 2014, с. 75 – 85.
2. Перрен Ж.Б. Броуновское движение и действительность молекул. Химия. Физика. VIII. 18 (1909): 5-114.
3. Оствальд, Вильгельм. Справочник по выполнению физико-химических измерений. - Лейпциг: В. Энгельманн. 1893.
4. Захваткин А.Ю. Число Авогадро // Актуальные исследования. 2024. №21 (203). Ч.II.С. 26-34.