%(パーセント)?Vol?「単位」の基本が分かる!

こんにちは、ISO爺マンです。
社内体制の改編で、この名前もそろそろ見直す時期が来ております。

それはさておき、今回は軽めの単位のお話です。

 

分子と分母は同一系ルール

%(パーセント)というのは、割合、比率を示す単位ですが、計量単位でもけっこう使われます。
%も、それより小さいppmやppbも、割合ですから、濁度の単位の時にも書きましたが、分子と分母は同一系のものでないといけません。
1mg/L → 1ppm なんて変換は、してはダメですね。
分母が体積、分子が質量、と一致しないからです。
もちろん1mg/L自体は問題ありません。1Lの液体中に対象物質が1mg含まれている、ということだからです。

 

vol%とは?

で、%ですが、ガス検知器などのカタログに、vol% というのが出てきます。
volというのはvolumeの略で、体積・容積を示します。
通常、計量単位で%が使われる場合は、質量比率を表します。
正確にいうとwt%なのですが、何もない%であれば質量比率と考えていいです。
例えば、10%の食塩水という時は、100gの食塩を真水に溶かした1kgの溶液 ということです。
水1Lに100gの食塩を溶かした溶液 では、決してありません。
で、通常の質量比率ではなく、体積での比率を表すのがvol% なんですね。

しかし!... %にはvolが付いて区別されているのに、ppmにvolが付いているのを私は見たことがありません。
何故なんでしょう。同じように扱わないといけないんじゃないか、と思うのですが。
計量法の関連法規である「計量単位令」には、別表第三の五に

 

濃度 質量百分率 物質中にその質量の百分の一の質量のある成分を含有する濃度
質量千分率 物質中にその質量の千分の一の質量のある成分を含有する濃度
質量百万分率 物質中にその質量の百万分の一の質量のある成分を含有する濃度
質量十億分率 物質中にその質量の十億分の一の質量のある成分を含有する濃度
質量一兆分率 物質中にその質量の一兆分の一の質量のある成分を含有する濃度
質量千兆分率 物質中にその質量の千兆分の一の質量のある成分を含有する濃度
体積百分率 物質中にその体積の百分の一の体積のある成分を含有する濃度
体積千分率 物質中にその体積の千分の一の体積のある成分を含有する濃度
体積百万分率 物質中にその体積の百万分の一の体積のある成分を含有する濃度
体積十億分率 物質中にその体積の十億分の一の体積のある成分を含有する濃度
体積一兆分率 物質中にその体積の一兆分の一の体積のある成分を含有する濃度
体積千兆分率 物質中にその体積の千兆分の一の体積のある成分を含有する濃度

と示されています。
ほら、きっちり質量と体積は区別されているじゃないですか。
ちなみに各々の記号は、百分率:% 、千分率:‰ 、百万分率:ppm 、十億分率:ppb 、一兆分率:ppt 、千兆分率:ppq となります。

概ね、液体の場合は質量比、気体の場合は体積比と考えていいです。
これは、液体の場合は体積よりも質量を量る方が、気体の場合は質量よりも体積を測る方が簡単だから、というのが理由だと思います。

...それと、実は mol%というのもあるらしいのですよ...
またまた、ハカレンジャーライターのガッチャガッチャマンに何か言われそうです。
剣呑、剣呑。

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1mol(モル)単位を徹底的に分かり易く解説してみた。

モルという単位があります。SIでの基本単位の一つです。
元々はドイツ語でMolなんですが、SIではmolになります。英語の綴りではmoleで、モグラとかスパイとか色々な意味がついてくることから、アイザック・アシモフというSF作家がこれをネタに何か書いてました。
ハカレンジャーでもISO爺マンさんがネタにしてましたが、結論が

「私は光量子計には近付かないようにします。」

ってなんのこっちゃわからないオチだったので、ガッチャガッチャマンがサンダーバードよろしくヘルプに飛んでまいりました。
ちなみにISO爺マンさんの時代だとマグマ大使に出てくるモルですね。
英語版での説明文がまんま”mol”です。

ではまずmolの定義です。
「0.012キログラム(kg)の炭素12の中に存在する原子の数に等しい要素粒子を含む系の物質量」

高校の物理化学をサボってた人(俺は文系だ!って?)が、この文章見て「ああそういうことか」って納得したら、そ
れはそれで(違う意味ですが)怖いです。

ではまず文章をバラバラにしてみます。
・0.012kgの炭素12
・原子の数
・それに等しい要素粒子を含む系の物質量

余計わからん?
いやいや
では説明です。

 

0.012kgの炭素12

まず炭素です。
これは原子番号6番の元素で、記号は”C”です。
この”C”はみんな知ってるカーボン(carbon)の略です。
なんちって。
carbonは英語で、元素の名前の元はラテン語なので本当はcarboniumです。
日本語では”炭”、だから炭素。
原子1個で分子でもあります。(これを単原子分子と言います)

元素の中には複数の原子で分子を構成するものもあります。有名な酸素とか水素とかは、分子になると2個ずつのペア
になるので、酸素原子はO、酸素分子はO2、水素原子はH、水素分子はH2、というように書きます。
炭素は区別無く単に”炭素”または”C”って書かれます。

続いて炭素12です。
炭素は原子番号6なので、イメージとしては原子核内に陽子が6個あり、その回りを電子が6個回ってます。
陽子は”ようし”です。”ようこ”さんではありません。でも逆に電子を”でんこ”と読んで擬人化する輩も・・・

で、次の”12″は原子量です。

たとえば水素原子は普通の場合、陽子と電子が1個ずつで原子番号1、原子量1となります。陽子は正電荷(+の電気)を、電子は負電荷(-の電気)を持っているので±0で釣り合ってます。
もし陽子が2個だったら電子も2個ないとバランスが崩れます。
じゃ原子番号2のヘリウムは陽子2個の周りを電子2個が回ってるの?
となりますが、色々あって陽子2個と中性子2個の合わせて4個の回りを2個の電子が回っています。
この中性子というのが電荷を持たず、原子量だけ増やしてます。ヘリウムの原子量は4です。

ところで周期表があれば水素のところを見て下さい。
原子量がちゃんと1になっていません。
え?今調べたら1.00794って。
ガッチャガッチャマンが習ったときには1.00797だったのに。
良かった、酸素は15.9994だった。

話は戻って、水素の原子量が1でないっていったいどういうことかというと、殆どの水素は陽子電子ともに1個ずつとい
う普通の水素なんですが、中に変わったのが居て陽子電子中性子ともに1個ずつになってるんです。
これを重水素といい、英語ではdeuterium(デューテリウム)とも言います。
これ原子量は2です。
更に変わったのには陽子電子が1個ずつなのに中性子が2個という三重水素(英語ではtritiumトリチウム)なんてのまであります。
原子量は当然3です。
一番多いのは普通の水素原子ですが、重水素と三重水素も自然界にわずかながら存在してます。
これらを総称して同位体(isotopeアイソトープ)と言います。
電気的な特性が全く一緒なので、化合物も同じものを作ります。
でも重いです。
この水素とその同位体を自然界に存在する量で平均したら1.00794になったので、これが水素の原子量になるわけです。

これらを
水素1 元素記号H
水素2 元素記号D (デューテリウム)
水素3 元素記号T (トリチウム)
と書く場合もあります。
水素2の水はH2OではなくD2Oって変。
一個だけだったらHDO???

話は大きく戻って炭素です。
炭素12は今までの話から陽子、電子、中性子が全部6個ずつの炭素原子だって事がわかっていただけたと思います。
でも変わり者はどこにも居るわけで、炭素の中にも中性子の数が7個のと8個のがちょっとずつ居ます。
で、平均すると12.0107位になります。
そうそう、この原子量の数値は全て誤差の範囲でこれくらいというものです。
物理量はこんなのが多いんです。
で、ちゃんとした(?)計算に用いる場合には原子量まで指定して”炭素12″とか書くわけです。

 

原子の数

ちなみに原子量を数えるときには陽子数+中性子数で、電子数は含みません。
理由は陽子や中性子に比べて電子が非常に軽いこと(1800分の1より小さい)と陽子と中性子の質量差は電子くらいしかないことがその理由です。
ちなみに電子+陽子=中性子という話もあります。

この原子量、人間の感覚ではよくわからないので、単位を付けて12g(0.012kg)にしたらわかりやすいですよね。
じゃ12gにしましょう。
ところで炭素原子をいくつ集めたら12gになるんでしょうか。

答は6.022×10^23個(6.022掛ける10の23乗個)です。
炭素12をこれだけの個数集めると12gになります。
面白いことに(というか当然のことですが)どの元素でもこの数あつめると”原子量”gになるのです。
鉄56をこれだけ集めたら56g、金197なら197gとなります。
わかりやすくていいですね。
で、この数値のことをアボガドロ(アヴォガドロAvogadro)数っていいます。
え、いまはアヴォガドロ定数だって?
アヴォガドロも人の名前です。
で、正確には6.022のあとにもっと数字が続くんですが、単に6って書いてある本もあるし。
このぐらいにしといたるわ。

 

それに等しい要素粒子を含む系の物質量

続いて、酸素とか2原子分子の時はどうなるのかっていうと、これもアボガド数、もといアヴォガドロ数個集まると水素で2g、酸素で32g(“分子量”gですね)になります。
原子でも分子でもそのひとかたまりを要素粒子とすれば、タンパク質などの巨大分子になってもそのまま計算出来ます。
便利でしょ?

これにはおまけがあって、気体なら何でも当てはまるのですが、アヴォガドロ数個の気体分子(ヘリウムなどは気体でも1原子分子です)が集まると、その体積はほぼ22.4リットルになります。
これも便利でしょ。
これ使って質量濃度と体積比の換算を行う人も居ます(そういうご質問が来たことがあります)、。

 

結論

1モルとは
「アヴォガドロ数個の要素粒子(原子または分子)の集合体で、その時の質量は”原子量”g(グラム)。
気体の場合は加えて22.4リットルの体積を占める」

※アヴォガドロ数:6.022×10の23乗
※SIではkg(キログラム)が標準なので、”原子量/1000″kgとなる
※モル体積:22.4リットル

※※この文章中の物理量に関しては、元々ある程度の誤差を持って定義されているもののほか、再測で更新されているものや定義方法が変わったものなど、色々な理由で異なるものもあり、絶対に正しいものではありません。
例:水素の原子量 1.00797→1.00794
モル体積 22.4リットル→22.7リットル(気圧の違い)→24.8リットル(気圧・気温の違い)
など。

ちなみにこのアヴォガドロ数がSIでの質量の基準になるかも知れないので、ISO爺マンさん、知っておかないとまずいかも。

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濁度の単位についてのお話。

前回までの話で、濁度の単位がややこしいことは理解していただけたと思います。
意外に知らない?濁度の単位について
今回は、なぜややこしくなるのか、というところを掘り下げていきたいと思います。

 

単位の基準となる標準液に異なったものがある、
というのは前にお話したとおりですが、
更に、測定器側の測定原理によっても結果の値が異なってくるため、
同じ単位で同列に扱うことが難しい、
という面もあるのです。

 

濁度の測定原理には、大きく分けて2つあり、その2つを組み合わせたものもあります。

  • 透過光方式
  • 散乱光方式
  • 透過散乱方式

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図を見て分かるように、試料(測定する対象の水)に光を照射して、そのまま透過する光を検出するのが透過光方式、試料内の懸濁物質によって散乱する光を検出するのが散乱光方式です。
更に、両方を検出してその比を測定するのが透過散乱方式となります。

もちろん、透過光の場合は、光を多く検出した場合の方が水はきれいで濁度は低くなります。
逆に散乱光では、光を多く検出した場合の方が水は汚れており濁度は高くなります。

 

また、散乱光でも、図のような側方散乱光の他、後方散乱光、前方散乱光の方式もあります。
更に、プロセス監視用で多く見られる表面散乱光方式というものもあります。

これは、工場などで、工業排水などのプロセス管理・監視のために連続的な測定が必要な場合に多く採用される方式です。

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まず、主管から導水管→内筒へ試料を流入させ、内筒上部から静かに溢れさせます。

その液表面に光を照射し表面散乱光を検出します。
溢れた試料は、外筒→排水管を経て元の主管に戻します。

この一連を連続させ、常時測定・監視を行います。
内筒で気泡が発生すると、表面散乱光が正しく測定できないので、途中に脱泡機を設置することもあります。

過去、当社レックスが表面散乱光方式のプロセス濁度計を扱っていたこともありますが、出荷準備・点検にあまりにも手間と時間が掛かるため、レンタル取扱いを止めました。

さて、このように様々な測定方式が存在し、同じ試料を測定してもその結果の値が違ってくるため、同じ単位では不都合が生じてくるわけです。

前に記述した4つの単位(意外に知らない?濁度の単位について)

FTU (Formazin Turbidity Unit) ホルマジン濁度単位
NTU (Nephelometric Turbidity Unit) 散乱比濁法濁度単位
FNU (Formazin Nephelometric Unit) ホルマジン散乱比濁法単位
FAU (Formazin Attenuation Unit) ホルマジン減衰単位

このうち、FTUは標準をホルマジンと決めており、NTUは測定方式を決めています。
あとのFNUとFAUは、標準をホルマジンとした上で測定方式も決まっており、より明確です。
ですから、本来はFNUかFAUを使うのが最善なのですが、NTUは欧米で早いうちから使われており、かつ標準にホルマジンを使用するのが基本となっているので、FNUと同等という扱いでNTUの方が一般的に使用されています。
欧米のようにNTUに対して昔からの慣習のない日本のJIS規格の中では、より明確であるFNU/FAUが採用されているようです。
しかし、その日本のメーカーの製品でも、外国製との統一性を重視するためか、FNU/FAUはほとんど用いず、大抵はNTUを使っています。
この辺が、学術的見地と商業的見地の違い、というわけですね。

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溶解性のない物質を測定するには?SS測定を利用しよう!

不溶解性浮遊物質は、SSである。
と言われても、なかなかピンと来ませんよね。

ここでは、不溶解性浮遊物質とはそもそも何か。
SSとは何か。
そんな基本的な事を解説していきたいと思います。

 

溶解性物質と不溶解性浮遊物質

まず、不溶解性浮遊物質を分かる為には、溶解性物質を理解する事が大切です。
参考にさせて頂いたコトバンクには、こう書かれてありました。

 

溶解性物質 ようかいせいぶっしつ

世界大百科事典内の溶解性物質の言及
【浮遊物質】より

…浮遊物質は粘土鉱物に由来する微粒子,下水や産業廃水中の微粒子,プランクトンやその他の微生物,粒子状の有機性物質などで,汚濁の原因となるばかりでなく,汚泥の原因ともなる。浮遊物質に対するものとして溶解性物質dissolved matter(略称DM)がある。両者を区分する方法は定まってはいないが,もっとも一般的には,0.45μm孔径のメンブランフィルターなどを利用したろ過により,通過できない成分を浮遊物質,通過したものを溶解性物質としている。…

出典 :
https://kotobank.jp/word/%E6%BA%B6%E8%A7%A3%E6%80%A7%E7%89%A9%E8%B3%AA-1432142

 つまり、水などの媒質に溶けないもののうち、沈んでしまわないものです。

 

SSとは?

次に、SSの説明に入ります。
SSは、直径2ミリ以下の不溶解性浮遊物質です。
不溶解性物質は、水質と外観を悪くさせます。

10μm以下の小さい不溶解性物質の分離は、「凝集処理」や「膜ろ過」が有利です。
一方、通常の10μm~2mm程度のSS成分であれば、通常の沈殿装置やろ過などで除去する事が可能です。

不溶解性物質とは、水中に浮遊または懸濁している直径2mm以下の粒子状物質の事です。
軽すぎれば、沈殿しないというのは何となく想像が出来ますよね。
不溶解性物質は、SSまたは懸濁物質(けんだくぶっしつ)とも呼ばれます。

濁り物質の正体は、降雨時に発生する土の粒子、沈降しにくい粘土の微粒子。
下水や工場排水などに由来する有機物および金属水酸化物などです。

測定方法は、試料水をガラス繊維ろ紙(孔径1μm、直径24~55mm)を用いてろ過・乾燥後、ろ紙上に捕集された量を秤量します。
試料水1リットル中の重さに換算して浮遊物質量(mg/L)とします。

 

水の濁り具合=水中への悪影響

浮遊物質が多いと、大変な事が起こります。
この浮遊物質が多くなると、まず水の透明度が低下します。
そして、魚類のえらがつまって死んだり、光の透過が妨げられて水中植物の光合成に影響し、発育を阻害します。
また、魚の産卵場、ノリの養殖場等での懸濁・付着などによる障害が発生します。
小さくて軽い浮遊物質ですが、これが多すぎると、このような悪影響が起きてしまうんですね。

 

河川の濁り(SS)と透視度の相関性

SSの測定は乾燥器や天秤などの器具が必要なため、現場で簡単に測定できないという欠点があります。
結構、面倒臭いんですね。
これに対して透視度は、透視度計さえあれば、どこでも手軽に測定できるという利点があります。
そこで、降雨時に採水した河川の濁水の透視度とSSを測定して比較すると。
透視度の逆数とSSの値には比例の関係が見られます。
この関係から、透視度を測定すれば、SSの概略値を推定する事が出来ます。
但し、残念ながらこの相関性は、同時期の同地点での測定に限定されます。

 

いかがでしたでしょうか?
小さい物質であるSS。
こんな小さなものが集まれば、大きな被害を水中に与えてしまうのですね。
水の透明度を守るためにも、定期的にSSはチェックしなければならないのかもしれませんね。

参考文献 :
図解入門 よくわかる 最新水処理技術の基本と仕組み[第2版]

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意外に知らない?濁度の単位について

単位についての基本!
今回は、前回の続きです。

あなたは単位の意味を分かろうとする?あきらめる?【基本編】

濁度って、どうやって測るんだろう?
そんな疑問にお応えするのが、この私家庭内ホームレス・ISO爺マンです。

 

 

濁り具合の単位

計測器でも、けっこうアヤシイ単位があったりする、
ってことでしたね。

私もこれまでいろいろな計測器に携わってきましたが、
一番アヤシイのは濁度計じゃないかな、
と思います。

濁度計

濁度というのは水質の指標で、水の濁り具合を表します。

濁度0が透明で、数値が大きくなるほど濁りがひどいということです。

因みに、濁度は厚生労働省が定めている水質基準51項目のうちの1つで、水道水は濁度2以下が求められています。

もう少し詳しく書くと、51項目のほとんどが細菌や化学物質なのですが、人が飲む水なので、官能的な基準も含まれます。
味、臭気、色度、濁度の4つです。

味、臭気については、単に「異常でないこと」と決められているだけなので、純粋に官能検査のみ、ということになります。
色度と濁度は水質計が使われます。

 

 

 

濁度の単位 = 「度」

さて、やっと単位の話に入ります。

日本工業規格JISでは、濁度の単位は「度」です。

水1L中に微粒子の粉末1mgが十分撹拌された状態の濁り具合が、1度となります。

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この微粒子の粉末は、以前はカオリンという陶磁器の原料に使用される粉が使われていました。
しかし、濁度の標準物質としては均一性や安定性があまり良くないので、現在では、より適したホルマジン溶液が用いられることが多いようです。

もっと詳しく書くと、平成15年に改正された水道法では、より均一性に優れたポリスチレン系粒子が採用されました。
ところが、何分これが高額で、まだ一般的に普及するところまでは至っていないようです。

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mg/L

しかし、水質計としての濁度の単位が「度」では、上記の定義を説明する必要が出てきます。
で、「mg/L」が濁度計の単位でよく採用されることになりました。

でも、濁り具合の単位としては、やっぱりしっくりこないですね。

上の定義をきちんと知らないと、なんで水の濁り具合の単位が「mg/L」なの?
ってなりませんか?

しかも、通常水の濁りというのは、何がどれだけの量混じって濁っているのか分からないわけで、それを実際に測りもしないでmgと表すのはそもそもムリがあります。

例えば、濁度10mg/Lであれば、カオリン又はホルマジンが1Lに10mg混じった時と同じくらいの濁り具合、
という説明を加えないと意味が通じません。

元々は、SSという水質項目があって、これはsuspended solidの略で懸濁物質または浮遊物質を表します。
水1L中にどのくらいの量の濁りのもとになる物質が含まれているのか、という指標です。
これは水の濁り具合ではなく、実際に対象の水を蒸留したりろ過したりして残留物質の質量を秤って求めます。
ですから、単位は間違いなくmg/Lとなります。

よく濁度と混同されることがありますが、意味が違います。

そういうこともあってか、少し前はppm表示のある濁度計もありました。

ところが、これはよりおかしなことになってしまいます。
何故かと言うと、ppmは百万分率を示すので、%と同じような意味です。
ということは、分母と分子は同系列のものでなければなりません。

濁度の場合、分母はリットルLで体積、分子はミリグラムmgで質量です。
すなわち1Lの水に濁度標準物質が◯mg含まれる状態を表すのであって、率を表すわけではありません。
ppmで表すこと自体が不合理です。

今は計量に対する概念が以前より厳格になって、さすがにppm表示の濁度計はあまり見当たらなくなりました。

現在は、ISO規格に則ったホルマジン基準のNTUやFTUが用いられることが多くなっています。
なお、他にFNUやFAUというものもあります。

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(参考)

FTU (Forumajin Turbidity Units) :ホルマジン濁度単位

NTU (Nephelometric Turbidity Units) :比濁法濁度単位(散乱光測定での濁度単位)

FNU (Forumajin Nephelometric Units) :ホルマジン比濁法単位 ≒NTU

FAU (Forumajin Attenuation Units) :ホルマジン減衰単位(透過光測定での濁度単位)

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