工业水分析国家标准中量和单位的问题

赵建宏 赵梦月

(郑州大学化工能源学院，郑州 450002)



工业水分析国家标准中量和单位的问题

赵建宏 赵梦月

(郑州大学化工能源学院，郑州 450002)

本文指出了工业水分析的国家标准中量和单位的表述与量和单位国家标准不一致，如：应用物质的量及其单位摩尔时忽略了指明基本单元;表示水的碱度、硬度时基本单元选择不当；将量的单位数作为量的名称；将量符号作为表示量数值的符号；把含量作为物理量使用；仍把百分比浓度作为量使用；大量应用单位的中文名称等。同时还指出了标准中普遍使用的数值方程的缺陷，并讨论了量方程的优点及等物质的量规则导出量方程的方法。

物质的量；基本单元；量的数值；数值方程；量方程

0 引言

GB 3100、GB 3101及GB 3102.1—13等15个量和单位的国家标准，是强制性基础国家标准，是与国际标准ISO 31.1-13等效的，各行各业都必须遵守执行，尤其是各行业的国家标准更应该是执行这些标准的模范。最近浏览了工业水质量及分析的国家标准，发现这些标准多处与上述量和单位的系列国家标准不一致，尤其与其中的GB 3101—1993《量、单位及符号的一般原则》[1]及GB 3102.8《物理化学及分子物理学的量和单位》[2]不一致。本文就这些问题谈一些看法，供标准的制定者及使用者参考。

1 物质的量及其导出量必须注明基本单元

国家标准GB 3102.8和IUPAC[3]规定在“应用物质的量及其导出量时必须指明基本单元”。但在水分析的标准中多处与这个规定不符。

1.1 标准中“摩尔质量”含义不明

水分析的标准中在涉及摩尔质量时，常常不指明基本单元，这里仅举两例：

例1：关于“氧的摩尔质量”，GB 12157—1989《锅炉用水及冷却用水分析方法》中列出的“8-氧的摩尔质量”，由于没有注明基本单元，我们不知道它是指氧原子(O)的摩尔质量、氧分子(O2)的摩尔质量或其它氧原子的组合的摩尔质量。据文中的内容，它是想表示1/4O2的摩尔质量，即M(1/4O2)=8gmol-1。因此，这句话应改成“M(1/4O2)—1/4O2的摩尔质量，其量值为8g/mol”。

GB/T 14420—93《锅炉用水及冷却水分析方法-化学耗氧量的测定》中用O2与Fe2+反应方程式来确定1/4O2单元是不必要的。据等物质的量规则[4-6]，在氧化还原反应中用和得失一个电子相应的特定组合为基本单元，对氧来说就是1/4O2。

例2：关于“重铬酸钾的摩尔质量”，GB/T 601—2002《化学试剂-标准滴定溶液的制备》[7]有下列的表述，“M—重铬酸钾的摩尔质量数值，单位为克每摩尔(g/mol)[M(1/6K2Cr2O7)=49.031]”。这个表述有下列的问题：

1)“重铬酸钾的摩尔质量”没指出基本单元是不严格的，从题意知其基本单元为1/6K2Cr2O7，因此，这句话应表示为“M(1/6K2Cr2O7)—1/6K2Cr2O7的摩尔质量”；

2)“单位为克每摩尔”不符合“国家法定计量单位使用方法”[9](见2.5)；

3)“M(1/6K2Cr2O7)=49.031”表示方法是不严谨的(见2.2)。

1.2 标准溶液的浓度含义不明

1.3 碱度的计量单位表示方法不严谨

1.4 碳酸盐碱度及其表示方法中的问题

另外，GB/T 1576—2008《工业锅炉水质-对2001年标准的修改意见》中酚酞碱度及甲基橙碱度表示式为

(1)

(2)

因此，上式应该表示为

(3)

(4)

1.5 水硬度基本单元的问题

1)水硬度的计量单位：GB/T 1576—2008《工业锅炉水质》规定水硬度的“计量单位为一价基本单元物质的量浓度”，也是值得商议的。我们知道通常水硬度是由钙离子和镁离子引起的，因此，水硬度的计量单位可规定为“基本单元1/2Ca2++1/2Mg2+的量浓度”，这个叙述更简单直观。如EDTA滴定测水硬度，其计算式为

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

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

(5)

2)基本单元的选取混乱：GB/T 1576—2008对锅炉水质的规定应该是权威性的，有关锅炉水质的其它标准必须与这个标准保持一致，但是我们发现GB/T 6909—2008《锅炉用水和冷却水分析方法-硬度测定》中，没有用“1/2Ca2++1/2Mg2+”做基本单元，而选用“Ca2++Mg2+”为基本单元，这不仅违背了锅炉水分析总则(GB/T 1576—2008)的规定，也和我国表示水硬度的传统习惯不一致。

2 量的名称及符号的问题

2.1 量名称中不应包含单位

IUPAC的规定及我国为贯彻量和单位的系列标准的宣传文件[8]都强调指出，物理量的定义和单位的选择无关，量名称中不能包含量的单位。锅炉用水的标准及分析标准中，多处违背了这规定。如，用“摩尔数”或“毫摩尔数”表示“物质的量”(GB 12157—1989，GB 14420—1993)；用“克数”表示“质量”；用“毫升数”表示“体积”(GB 1576—1996)及“1mol Na2CO3相当氢离子的mmol数”(GB/T 14419—1993)。

以上这种以某物理量的“单位数”表示这个物理量的方法是不科学的，正如不能把“长度”称为“米数”，把“时间”称为“秒数”一样。虽然过去使用过这种不科学的用法，有了国家标准、国家法定计量单位及SI的规定后，尤其作为国家标准不应该再使用了。

2.2 物理量数值表示中的问题

GB/T 15451—2006《工业循环冷却水碱度的测定》及GB/T 6909—2008等标准中都使用“V—体积的数值”及“c—浓度的数值”等表达语句，这种表示方法是不严谨，不能用物理量的符号表示量的数值。国家基础标准GB 3101—1993《量、单位和符号的一般原则》规定任何物理量都由数值和单位构成，即

A={A}[A]

(6)

物理量A可表示为量的数值{A}与其单位[A]的积，不能仅用数值代表这个量。如果要表达量的数值，必须用下式

{A}=A/[A]

(7)

因此，物理量V及c的数值符号应表示为

{V}=V/L

(8)

{c}=c/(molL-1)

(9)

同样用“M(1/6K2Cr2O7)=49.031”(GB/T 601)表示量数值也是不正确的。如果要表达1/6K2Cr2O7的摩尔质量的数值，其表示式应为

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

(gmol-1)=49.031

(10)

2.3 关于浓度的符号cB

SI及GB 3102.8规定物质的量浓度用斜体小写字母“cB”表示，基本单元B如果是化学式，应加括号后与浓度符号c置齐，如c(1/5KMnO4)，c(1/2EDTA)。但GB 1576—1996《低压锅炉水质》没完全执行这些规定，其中用大写字母“C”表示浓度，如C(1/2Ca2+，1/2Mg2+)是不严格的。GB 3102.8规定CB为另一个物理量，分子浓度的符号。

2.4 关于符号[B]与ρB

GB 3102.8对这两个符号有明确的规定，[B]是物质的量浓度的一种符号，ρB表示质量浓度，即溶质的质量与溶液体积之比(gL-1)。GB 1576—2008违背这些规定，用[B]代替ρB表示质量浓度，如用[SO32-]代替ρ(SO32-)等都是不正确的。

2.5 国家标准中不应使用单位的中文符号

《中华人民共和国法定计量单位使用方法》[9]中规定“中文符号只能在初中、小学课本和普通书刊中,有必要时使用，且只能使用中文符号的简称，高中以上学校教材和相当水平的书刊应该用国际符号”。但是作为科技文件的GB/T 1576—2008等标准中，大量使用单位的中文名称，如浓度单位为摩尔每升，此处“摩尔每升”不仅是多余的，也违背了仅能用中文符号的简称(摩每升)及不推荐使用中文符号的国家规定。

2.6 单位“mg/mmol”违背规定

GB/T 14420—1993用mg/mmol作为摩尔质量的单位，这个表示方法不符合复合单位分母不可带词头的规定[10]。这个单位应该为g/mol。

2.7 “含量”不是物理量

2.8 百分比浓度已废除

虽然百分含量浓度作为一种浓度单位使用过很长时间，但国家标准GB 3102.8并不包括这个量。用“质量分数”代替了“重量(质量)百分浓度”，用“体积分数”代替“体积百分浓度”。GB 1576—1996仍使用百分浓度是不合适的。GB 3101—1993及《量和单位标手册》[10]指出，由于百分是纯数字，所以质量百分或体积百分是无意义的，也不能在百分符号上附加其他信息。GB/T 14420—1993用10%(m/V)表示AgNO3的浓度就是违背了“%”不能附加信息的规定。可用质量浓度ρ(AgNO3)=0.1kg/L表示这个浓度，只不过应该用容量瓶配制溶液。

3 滴定结果计算式的问题

3.1 数值方程的缺陷

大部分水分析标准的测定结果计算式都是数值方程，如GB/T 14420—1993化学耗氧量的测定的计算式：

(COD)Cr=(b-a)c×(1/4)×32×1000/V

(11)

在这个数值方程中，不仅都存在着GB 3101—1993所指出的缺陷，即数值方程所涉及的量都必须指明单位，而且，方程中应用的量的数值符号也不符合GB 3101—1993的要求(见2.2)。另外，这个表达式还含有三个数字因子，该标准用了很大篇幅来说明这些因子的含义，尤其是为说明因子“1/4”,还必须书写氧和硫酸亚铁的反应方程式。因此，GB 3101—1993及标准的宣贯文件[5,7]认为在科技计算中“不宜使用数值方程”。

3.2 等物质的量规则能简单规范的导出量方程

以GB/T 14420—1993中计算式为例说明量方程的导出方法。据等物质的量规则[4-6]，对氧化还原体系，基本单元即为和一个电子相应的特定组合；得或失电子的物质的量与该单元物质的量变化量相等；体系中各还原剂基本单元的物质的量变化量(即失电子的物质的量)等于各氧化剂单元的物质的量变化量(即得电子的物质的量)。利用这个规则不用写反应方程式即可写出滴定计算的量方程。虚拟氧化剂氧得电子的物质的量n(1/4O2)与水样中还原物质失电子的物质的量相等，也等于氧化水样还原物质所消耗的1/6K2Cr2O7的物质的量。因此，可得：

(COD)Cr=ρ(O2)=c(Fe2+)·[(V2(Fe2+)-

V1(Fe2+)]·M(1/4O2)/VS

(12)

这个计算式是和单位无关的量方程[8,10]，上式只须指明三个体积符号的区别，不必作其他任何说明。式中各量符号的含义，都是GB 3102.8规定的。由于SI单位制是一贯单位制，如果计量方程中的量用SI单位，方程中不会出现数字因子，计算结果也一定是SI单位。计算的结果也很容易换算成SI的分数或倍数单位，只要乘上相应的因数即可，例如：mol=103mmol=106μmol。因为量方程有上述的优越性，GB 3101—1993及量和单位标准的宣贯文件[8,10]认为科技书刊应优先使用量方程。

[1] GB 3101—1993,量、单位及符号的一般原则

[2] GB 3102.8—1993,物理化学及分子物理学的量和单位

[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] 赵建宏，赵梦月.等物质的量规则的应用.大学化学，2013(4)

[6] 赵建宏，赵梦月.等物质的量规则进展.计量技术，2014(1)

[7] GB/T 601—2002,化学试剂—滴定分析中标准溶液的准备

[8] 国家技术监督局.量和单位国家标准实施指南.北京中国标准出版社，1996

[9] 国家计量局办公室.计量工作文献选编.北京：中国计量出版社，1987

[10] 赵燕，段方，刘天和.量和单位标准手册.北京：中国标准出版社，2000

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.10.06