Концентрация как физическая величина

Концентрация относится к производным физическим ве­личинам и характеризует, как следует из определения (с. 290), относительное содержание любого конкретного компонента, находящегося в исследуемом объекте.

Концентрация как физическая величина имеет сущест­венныеособенности, отличающие ее от других величин:

1. Концентрация имеет целый ряд единиц.

2. Концентрация может быть как размерной величиной, так и безразмерной.

3. Концентрация всегда является именованной величиной.

Существование у концентрации целого ряда единиц обус­ловлено, с одной стороны, тем, что она характеризует отно­сительное содержание компонента. Поэтому в зависимости от- выбора единиц для характеристики абсолютного содержа­ния компонента можно получить ряд единиц концентрации. С другой стороны, для характеристики анализируемого объек­та также могут быть использованы различные единицы. Этот вопрос будет подробно обсуждаться при рассмотрении конк­ретных единиц концентрации.

Известно, что многие физические величины могут иметь несколько единиц. В чем же в таком случае отличие концент­рации?

Первая особенность заключается в том, что у концентра­ции все ее единицы являются производными единицами СИ, в то время как у остальных физических величин только одна является единицей СИ, а остальные относятся к внесистемным. Естественно, речь не идет о кратных и дольных единицах. Например, для длины только метр является единицей СИ, дюйм, фут, миля — неметрические единицы, а ангстрем, свето­вой год, парсек — внесистемные.

Вторая особенность является следствием первой. В зависи­мости от единиц, в которых выражаются абсолютное содержа­ние компонента и анализируемый объект, единицы концентра­ции, а следовательно, и сама концентрация не только отли­чаются по своим размерностям, но могут быть и безразмер­ными. Такая специфика концентрации как физической вели­чины не противоречит метрологии. Подобная специфика встре­чается у тех физических величин, в определение которых вхо­дит отношение двух физических величин одного и того же рода. Например, для единицы плоского угла—радиана или те­лесного угла — стерадиана. Отличие концентрации от таких физических величин состоит только в том, что у нее есть ряд подобных отношений. Например, отношения масс, объемов, молей.

Третья особенность концентрации обусловлена специфи­кой измерений при проведении химического анализа. Следст­вием неразрывного единства качественного и количествен­ного анализов является тот факт, что, в отличие от общефизи­ческих величин, концентрация — всегда "именованная величи­на". Это нашло отражение и в определении концентрации, в котором подчеркивается, что речь идет об относительном со­держании данного компонента. Указанная особенность имеет важные последствия для решения проблемы обеспечения единства измерений концентрации. В отличие от других физи­ческих величин для концентрации не представляется возмож­ным создание эталона ни для одной из ее единиц. Рассмотрим характеристики эталонов:

метрологическая функция — воспроизводить и хранить единицу физической величины,

метрологические характеристики — наивысшая точность, по сравнению со всеми средствами измерений данной физи­ческой величины;

юридический статус — официальное утверждение в уста­новленном порядке в качестве эталона.

Наряду с перечисленными характеристиками, сущест­вует ещё одно требование — возможность передачи размера единицы от эталона практически всем средствам измерений данной физической величины. В тех редких случаях, когда измерения физической величины происходят в особых усло­виях, создаются специальные эталоны, число которых весьма ограничено.

При создании эталона концентрации, даже если будут вы­полнены первые два требования, он будет воспроизводить не единицу абстрактной концентрации, а единицу концентрации какого-то конкретного компонента в совершенно конкрет­ной среде. Возможность передачи размера единицы концентра­ции от данного компонента к другому будет ограничена не только диапазоном ее значений, хотя и это имеет существенное значение, но и влиянием качественного и количественного составов матрицы. Учитывая самый разнообразный характер анализируемых объектов не только по агрегатному состоя­нию, но и по основным химическим свойствам (органичес­кие, неорганические соединения, металлы), легко понять, что такой эталон не обеспечит передачу размера единиц кон­центрации всем рабочим средствам измерений, охватываю­щим все многообразие химических веществ. Рассчитать мини­мальное число таких эталонов не представляется возможным, да в этом и нет необходимости, так как при значительном их количестве нарушается сам принцип централизованного вос­произведения и передачи размера единиц, основанный на единственном эталоне, возглавляющем соответствующую поверочную схему.

Наконец, еще одна особенность концентрации обусловле­на тем, что экспериментально недостижимо состояние ве­щества, обозначаемое как абсолютно чистое. Следствием этого является тот факт, что все вещества, как природные, так и синтезированные, несмотря на глубокую их очистку, всегда будут содержать некоторое количество примесей. Таким образом, степень чистоты вещества, определяемая, долей основного компонента в нем, по мере очистки будет стремиться к 1, но никогда не сможет стать равной 1. Это обстоятельство также накладывает свои ограничения на вы­бор способов воспроизведения и передачи размеров еди­ниц концентрации.

Следует обратить внимание и на то, что, хотя концентра­ция и характеризует относительное содержание данного компонента в веществе, это не означает, что концентрация являет­ся относительной величиной.