国際標準単位の由来、第4部：モル

今週、サム・キーンは、途方もなく正確な基準（メートル、秒、その他の国際標準単位）と、時代を超えてそれらの基準を定義、再定義、再再定義する上で要素が果たしてきた役割について考察します。

私たちは皆、メートルや秒が何であるかを直感的に理解しており、カンデラでさえかなりわかりやすいように思えます。モルは異なり、おそらく最初は理解するのが最も難しい測定基準です。

高校時代の先生は、生徒たちが視覚的に理解できるようにマジックテープで切ったネズミを飼っていました。それは「モグラ」で、いろいろな場所で外れて、またくっつけて半分のモグラ、4分の1のモグラなどを表すことができました。それが役に立ったかどうかはわかりません。

基本的に、モルは物質の量を測りますが、その測り方は巧妙です。例えば、硫化カルシウム (CaS) を製造したいとします。そして、カルシウムも硫黄も無駄にできない非常に競争の激しい業界で働いていたとします。つまり、混ぜ合わせるにはそれぞれを正確に同量にする必要があります。しかし、ここで量を定義するのは難しくなります。硫黄原子は中性子と陽子の数が少なく、したがってカルシウム原子よりも重さが軽いからです。したがって、両方を合わせて 10 キログラムある場合、実際には必要な量よりはるかに多くの硫黄原子があることになります。モルはこの問題を解決します。モルは、キログラム (または任意の量) を、Y と反応する X の量に変換する方法を提供します。この場合、完全な収量を得るには、各要素を 1 モルずつ混ぜる必要があります。

モルの国際的な定義は、これまで酸素や水素などの一般的な元素に基づいていましたが、1960 年以降、科学者は 1 モルを 12.0000 グラムの炭素 12 に含まれる原子の数と正確に定義しています。しかし、実際には、この定義はいくつかの難点を覆い隠すものであり、ごまかしになっています。

モルに関係するアボガドロ数という数字を覚えているかもしれません。1 モルには必ず 6.022141793… x 1023 個の粒子があります。これはまったく途方もない数です。1 秒あたり 1 個の原子を数えると、平均的な 1 年は 3000 万秒程度なので、その数まで数えるには 2000 兆億年かかり、宇宙の年齢の 100 万倍以上になります。つまり、炭素 12 が 1 モルあることはわかっていても、それが何個の原子であるかは漠然とした見当しかつきません。なぜなら、6.022141793… の省略記号の後は誰にも推測できず、小数点以下の桁数もたくさんあるからです。

さらに、これまでずっと、モルという単位は少々冗長に聞こえるのではないかというひそかな疑念を抱いていたとしたら、それは「物質の量」が「物質の質量」に非常に似ているためだ。実際、原子の数え上げに関する問題は、最後に取り上げる単位であるキログラムの定義においてさらに大きな問題を引き起こしている。

明日は、科学を動かす基準を探るシリーズの最終回をお届けします。このシリーズは、周期表に隠された面白い変わった物語を集めた『The Disappearing Spoon』の著者、サム・キーンが執筆しています。