Vekten - å måle masse

Vekten, og kunsten å veie er en forutsetning for sivilisasjonens (og kjemiens) utvikling. Mens det tok svært lang tid å utvikle et brukbart termometer, var  et måleinstrument for masse tidlig på plass. Da som nå var det viktigere å tjene penger enn å ha innsikt. Og vekten var et nødvendig instrument i all handel.

Av professor emeritus Arvid Mostad

Elektronisk analysevekt produsert av Mettler. Anskaffet av Kjemisk institutt 1964. Foto: Ragnhild Dannevig / MUV

De aller eldste «veiemaskinene» ser ut til å ha vært balansevekter, som i alle fall fantes i Mesopotamia ca 4000 år f.Kr. De besto av en trestokk som var opphengt på midten ved hjelp av et tau, og med to skåler hengende på hver sin side. Det er nærliggende å tro at slike balansevekter var en utvikling fra bæreredskapet åket.

2000 års grubling

Nøyaktigheten av en slik balansevekt var avhengig av at opphenget var plassert nøyaktig på midten av stokken, og at avstanden fra opphenget til hullene der skålene var festet, var nøyaktig like stor. Dette var ikke lett å få til, og det tok mer enn 2000 år før egypterne løste problemet ved å henge tauet til skålene ut over kanten på vektarmen. Da var problemet redusert til å bore et hull på midten av stokken.

Frø-lodd

For å kunne sammenligne masser som ikke ble veid på samme vekt, og dessuten ha et objektivt mål på det som ble veid, var det nødvendig å ha en referansemasse eller «lodd». De tidligste loddene var ofte frø av forskjellige planter siden frø gjerne var ensformet og av tilnærmet samme tyngde. Et byggkorn (barleygrain) veier ca 65 mg ifølge den gamle engelske vektenheten «grain», derav utsagnet «ikke det grann». Sennepsfrø ble brukt som lodd i India i forbindelse med veiing av gull. Disse frøene veier ca 2 mg. Frøene fra johannesbrødtreet (carob) ble også brukt. Disse veier ca 0,2 g og har gitt opphavet til vektenheten «karat» som fremdeles er en standardvekt for edelstener.

Bismervekten

Beskrivelsen av «bismervekten» dukket opp ca 400 f Kr. Den var forskjellig fra den toarmede balansevekten. Den besto av en stang med en fast vekt i den ene enden og en krok for det som skulle veies i den andre. Stangen ble løftet i et håndtak som kunne flyttes langs stangen til den hang i balanse. Vekten ble så avlest ved hjelp av merker på stangen. Den ble forbudt ved flere anledninger fordi den lett kunne brukes til bedrag.

Bismervekt. Kilde: Colourbox

Statera

En lignende vekt ble funnet opp av romerne ca 200 f. Kr., og ble kalt statera. Den var gjerne laget av bronse og hadde et fast oppheng, samt et lodd som kunne flyttes langs den ene armen slik at det som skulle veies ble balansert. Det var en relativt nøyaktig vekt som kom i mange størrelser.

Overskålsvekt

Leonardo da Vinci (1453-1519) konstruerte den første veiemaskinen som anga vekten direkte. Slike vekter ble først produsert før 300 år senere. I stedet for å henge det som skulle veies under vektarmen, ble det laget vekter med faste skåler over vektarmen. Slike vekter ble kalt overskålsvekter. Her dukket det opp et problem fordi det ikke var likegyldig hvor loddene og det som skulle veies ble plassert på skålene. Imidlertid konstruerte Gilles Personne de Robertval i 1669 en overskålsvekt med et parallellogramsystem (static enigma), der det var likegyldig hvor på skålen vekten ble plassert.

Analysevekt for kjemifaget

Det var likevel den likearmede vekten, der skålene hang under amen, som ble raffinert til meget nøyaktige måleinstrumenter. Nøyaktige vekter kom til å spille en avgjørende rolle i utviklingen av kjemien, blant annet for utarbeidelsen for atomteorien. Riktignok var hypotesen gammel (Demokrit, 460 f. Kr.), men på ingen måte akseptert før John Dalton (1766-1844) ved sine nitide veiinger av reagenser og produkter fant at: 1) Massen er konstant ved kjemiske reaksjoner, 2) Vektene av de forskjellige stoffer som reagerer med hverandre eller erstatter hverandre, viser ekvivalente forhold.

Daltons atomteori

Masse og vekt

I dag er vi klar over at masse og vekt er to forskjellige begreper. Enheten for masse er «kilogram» og er en uforanderlig egenskap knyttet til en gjenstand (referansekiloen i Paris). Vekt er den kraften som gjenstanden trekkes mot jordens sentrum (gravitasjon) og måles strengt tatt med enheten Newton, som er den kraften som trekker en masse 1 kg mot jorden. Når vi til daglig sier at vekten av noe er så og så mange kilo, så mener vi at det vi veier trekkes mot jorden med en kraft som er lik den som en masse på tilsvarende mange kilo vil oppvise. Litt forvirrende kanskje, men ikke så viktig i dagliglivet

Noe av dette var for øvrig også utført av Lavoisier, slik at Proust i 1799 kunne formulere hypotesen om konstante forhold i kjemiske forbindelser. Men det var altså Dalton som forklarte disse resultatene i sin atomteori:

  1. Atomene fra et gitt grunnstoff er forskjellig fra atomer fra andre grunnstoffer, og de har spesielle relative atomvekter.
  2. Alle atomer i et gitt grunnstoff er identiske
  3. Atomene fra et grunnstoff kan knytte seg til atomer fra et annet grunnstoff og danne en kjemisk forbindelse. En gitt forbindelse har alltid de samme relative antall av de respektive atomer.
  4. Atomer kan ikke skapes, deles eller ødelegges i en kjemisk prosess.
  5. Minste partikler i et grunnstoff kalles atomer

De minste partikler av en forbindelse er molekyler. Alle molekyler av en forbindelse er like og består av et fast antall atomer av hvert slag i forbindelsen. Etter hvert har fysikerne bevist atomets eksistens og oppbygging.

Massevirkningsloven

Ved oppdagelsen av massevirkningsloven, var også vekten et sentralt instrument. I tidsrommet 1864-1879 formulerte kjemiprofessorene ved universitetet Guldberg og Waage massevirkningsloven som viser at hastigheten til en kjemisk reaksjon er proporsjonal med reagensenes konsentrasjon (aktivitet). Massevirkningsloven fikk en avgjørende betydning for utviklingen av den teoretiske, så vel som for den praktiske kjemi

Guldberg og Waages vekt. Foto: Ragnhild Dannevig/MUV

Mekaniske vekter utkonkurrert

Etter 1940 begynte man å kombinere mekaniske vekter med elektronikk, men det var ikke før «transdusere» ble oppfunnet at de mekaniske vektene for alvor ble utkonkurrert. Slike transdusere finnes i mange former. De kan for eksempel benytte at den elektriske ledningsevnen i et medium kan variere med trykket. Elektroniske vekter dominerer nå fullstendig, og de finnes for alle formål fra høynøyaktige vitenskapelige vekter som kan veie masser av størrelsesorden mikrogram, til slike som veier hele trailere eller tog.

Å veie bakterier

En kantilevervekt bruker et mekanisk prinsipp for å måle meget små endringer i masse. Det er en arm som bare er festet i den ene enden. Armen vil ha en bestemt vibrasjonsfrekvens som vil endres om noe legges på spissen av den. En mikrochip med etsende kanaler gjør at man kan manipulere levende celler ut i tuppen på armen. Her kan cellen tilføres næring, og man kan dermed måle dens vektøkning. En slik mikrokantilevervekt kan måle masser mellom 1012 og 1015 gram. Ja, så slipper vel heller ikke bakteriene for vektkontroll.

Kilder:

Mostad, Arvid 2011. «Alt er kjemi». Universitetsforlaget. Artikkelen er en forkortet versjon av kapittel 35 om vekten. 

Av Arvid Mostad
Publisert 10. mars 2016 00:02 - Sist endret 10. mars 2016 00:10