[科普中國]-化學(xué)天平

化學(xué)天平是化學(xué)實驗研究中使用的一種精密質(zhì)量計量儀器，是化學(xué)實驗室常用稱量儀器之一。一般用作計量化學(xué)藥品質(zhì)量。

簡介概述傳統(tǒng)的化學(xué)天平由天平和砝碼組成：天平是根據(jù)杠桿原理制作的計量器具；砝碼是質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。質(zhì)量和重量在物理學(xué)上是兩個不同的概念，但由于歷史和習(xí)慣上的原因，質(zhì)量和重量都使用同樣的單位，使兩者的使用產(chǎn)生混淆?；瘜W(xué)上習(xí)慣使用“重量”這一名詞，但準(zhǔn)確地說，天平衡量的結(jié)果是物體的質(zhì)量值。

簡史質(zhì)量計量具有悠久的歷史，中國出土的古代文物中，就有戰(zhàn)國時代（公元前475～前221）楚國制作的天平和砝碼，工藝精致，表明當(dāng)時質(zhì)量計量技術(shù)已達(dá)到相當(dāng)水平。由于天平的計量原理可靠，結(jié)構(gòu)簡單，誤差因素小，在19世紀(jì)中葉以后，質(zhì)量計量基本上達(dá)到所具有的精度水平。在國際單位制的七個基本單位的計量中，質(zhì)量計量的精度一直保持領(lǐng)先地位。近代化學(xué)科學(xué)的發(fā)展與質(zhì)量計量技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)，準(zhǔn)確的質(zhì)量計量使化學(xué)成為精密的定量的科學(xué)。

分類等臂雙盤天平：橫梁上有三個瑪瑙刀，中間的一個是支點刀，兩邊各有一個承重刀，各承受一個稱盤。支點刀與兩邊承重刀之間的距離（稱為臂長）相等。稱量時，物體置于一個稱盤中，砝碼置于另一個稱盤中，調(diào)整砝碼直至天平處于平衡狀態(tài)，稱盤上所加砝碼和標(biāo)牌讀數(shù)之和就是被稱量物體的質(zhì)量。

單盤天平：橫梁上只有兩個瑪瑙刀，一個是支點刀，一個是承重刀，承受一個稱盤。橫梁的另一端以重錘配平。這類天平的機(jī)械加砝碼和稱盤裝在橫梁同一臂上，橫梁始終保持全載荷狀態(tài)。稱量時，被稱物體置于稱盤上，然后通過減去砝碼系統(tǒng)的砝碼使天平恢復(fù)平衡狀態(tài)。物體的質(zhì)量等于減去的砝碼和標(biāo)牌讀數(shù)之和，這種將砝碼和物體放在天平橫梁同一臂上進(jìn)行稱量的方法稱為替代衡量法，是一種精密的稱量方法。這類天平具有靈敏度不變、不存在等臂性誤差等特點。

新式天平以上所述都是對傳統(tǒng)的杠桿式的化學(xué)天平而言，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)各種形式的稱量儀器，如電子天平、電子秤、自動天平等，總的特點是，稱量時被稱物體不是直接與砝碼相比較而求得物體的質(zhì)量，而是被稱物體的質(zhì)量通過傳感器變?yōu)殡娦盘?，?jīng)放大器放大后，反饋到自動補(bǔ)償裝置中產(chǎn)生平衡力矩，再通過顯示裝置直接給出示值。這類儀器具有稱量迅速、簡便的特點，還可與微處理機(jī)聯(lián)用，但是精度仍不如傳統(tǒng)天平，而且仍須用標(biāo)準(zhǔn)砝碼加以調(diào)校。

型號和精度級別化學(xué)家早期使用的天平是結(jié)構(gòu)簡單的指針標(biāo)牌天平（通常稱作搖擺天平）。在指針擺動過程中讀數(shù)，再通過計算求出天平的平衡點。后來，給天平加上了空氣阻尼器，使橫梁擺動能很快停止，此類天平稱阻尼天平，天平的平衡點采用靜止讀數(shù)，直接求得。為了提高讀數(shù)的精確度，又在指針尖上裝置微分標(biāo)牌，并裝設(shè)光電放大讀數(shù)裝置，從而提高了天平的準(zhǔn)確度和靈敏度。在操作砝碼上，也把用手?jǐn)z取砝碼改進(jìn)為機(jī)械加減砝碼，提高了稱量速度。普遍使用的是半機(jī)械或全機(jī)械加砝碼的電光天平。

天平按精度不同分為十級，天平的精度是該天平最小分度值與最大載荷之比值。最小分度值越小、載荷越大的天平，其精度越高。化學(xué)天平的精度一般為三至五級。表中列出中國常用天平的型號與精度級別。1

計量性能穩(wěn)定性指天平橫梁在受到擾動后能自動回復(fù)到初始平衡位置的能力。保證天平處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)的必要條件是整個橫梁和承重系統(tǒng)的重心必須在支點刀刃的下方。

靈敏性指天平能覺察出稱盤中重量變化的能力，天平能覺察到的重量差值越小，天平的靈敏度就越高。在習(xí)慣上，靈敏度又稱感量，用天平標(biāo)牌的最小分度值來表示，其單位是毫克/分度。通常所謂萬分之一的天平，表示其標(biāo)牌最小分度值為0.1毫克；當(dāng)秤盤中重量變化0.1毫克時，標(biāo)牌相應(yīng)地發(fā)生1個最小分度的位移。

一臺結(jié)構(gòu)定型的天平，靈敏度主要由橫梁系統(tǒng)的重心與支點刀刃之間的距離決定。對于等臂雙盤天平來說，三個刀刃的相對位置將影響天平空載和重載時靈敏度的差別,因為三個刀刃位置和橫梁本身在負(fù)載時的變形,會引起整個橫梁系統(tǒng)重心的變化，而這種變化不能通過調(diào)整重心砣得到解決。對于非固定分度值的天平，可以通過實測校正靈敏度；對于固定分度值的天平，在調(diào)校天平時，就應(yīng)嚴(yán)格做到天平空載和重載時靈敏度的一致。

準(zhǔn)確性對等臂雙盤天平而言，是指天平兩臂長度應(yīng)精密相等,實際上不可能完全相等,由此就產(chǎn)生不等臂性誤差。通常也稱偏差。偏差與天平的載荷成正比， 因此規(guī)定不等臂性誤差以最大載荷時產(chǎn)生的誤差量值表示。各種天平的不等臂性誤差允許9個最小分度值。橫梁的不均勻受熱是引起不等臂性誤差的重要原因，一般用銅合金制的橫梁，兩臂溫差0.2℃，載荷為100克時，即可產(chǎn)生0.5毫克的誤差，因此,不允許在天平上稱量未與天平室溫度達(dá)到平衡的過冷或過熱的物體。

示值變動性指天平在載荷不變的情況下，多次開關(guān)天平時平衡點變動的情況，它表示天平稱量結(jié)果的可靠性。稱量時，不能要求每次讀數(shù)完全一致，但是天平的這種示值變動性應(yīng)盡可能降到最低程度。顯然，當(dāng)示值變動大于最小分度值時，天平的靈敏度就失去它的意義。因此，天平的示值變動性最大允許誤差為1個最小分度值。引起示值變動的原因很多，天平元件的質(zhì)量和所處的調(diào)整狀態(tài)是內(nèi)在因素，但環(huán)境溫度、氣流、震動和不正確的操作也會引起示值的變動。

天平檢定一臺使用中的天平的上述各項計量性能都必須達(dá)到該天平規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)。對天平的計量性能進(jìn)行全面測定的過程稱天平檢定。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)