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Analytical Chemistry

El kilo y el mol estrenan definición

Los científicos votan redefinir todas las unidades del sistema internacional utilizando constantes físicas

by Laura Howes
November 26, 2018 | APPEARED IN VOLUME 96, ISSUE 47

 

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Credit: Crédito: Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Este interferómetro esférico midió el diámetro de las esferas de silicio con precisión de unos pocos nanómetros, permitiendo ajustar el valor de la constante de Avogadro.

No ocurre muy a menudo: tras la votación que tuvo lugar en París el 16 de noviembre, toca cambiar los libros de texto.

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Credit: PTB/BIPM
El kilo patrón (IPK), el cilindro que todavía define el kilogramo está en París, esperando su pronta jubilación.

Metrólogos de todo el mundo se reunieron en la Cámara del Congreso del Palacio de Versalles, para redefinir cuatro unidades fundamentales del Sistema Internacional (SI): el amperio, el kelvin, el kilogramo y el mol. Estas unidades, como el metro, la candela, y el segundo, dejarán de tener un patrón tangible y pasarán a definirse en relación a constantes físicas fundamentales. Los científicos dicen que, tras estos cambios, las medidas serán más precisas y estables. La moción se aprobó por unanimidad, y los participantes—provenientes de más de 60 países—celebraron la votación clamorosamente.

Las unidades adoptarán su nueva definición el 20 de mayo de 2019, el Día Mundial de la Metrología. Estas nuevas definiciones son resultado de años de trabajo, discusión, y una enorme competición para medir las constantes físicas universales con un grado de precisión increíble. Aunque la mayoría de la gente, en la práctica, no notará este cambio, el aumento en la precisión de las medidas hará que el SI sea más robusto, dice Frank Härtig del PTB, el Instituto Nacional de Metrología alemán. “Las posibilidades son completamente nuevas,” explica, añadiendo que conforme las tecnologías de análisis han avanzado, han permitido detectar cantidades cada vez más pequeñas de material. Las nuevas definiciones garantizan que esas medidas serán exactas.

Desde 1889, la unidad de masa del SI, el kilogramo, estaba definida por comparación con la masa del kilo patrón internacional (IPK, por sus siglas en inglés). El IPK es un cilindro de platino e iridio que se guarda en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas cerca de París. Durante la reunión en Versalles, Bill Philips del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología estadounidense (NIST, por sus siglas en inglés) describió esta situación como “escandalosa.”

Cuando se creó el IPK durante la década de 1880, se crearon otros cilindros idénticos y se distribuyeron entre varios países. Con el paso de los años, el IPK había perdido masa en comparación a sus gemelos viajeros.

Esta incertidumbre sobre el patrón de masa también afectaba al mol. Esta unidad del sistema internacional tan usada por los químicos para medir la cantidad de átomos y moléculas, estaba definida desde 1971 en relación al kilo: “la cantidad de sustancia de un sistema que tiene tantas entidades elementales como 0.012 kg de carbono 12.”

A partir de mayo de 2019, el kilo estará definido en relación a la constante de Planck, y el mol pasará a ser la cantidad de entidades equivalente al número de Avogadro. De manera similar, el amperio se redifinirá con respecto a la carga eléctrica del protón, también llamada la “carga eléctrica elemental,” y el kelvin estará definido en relación a la constante de Boltzmann. Para hacer posible este cambio, estas constantes tienen que haberse medido con gran precisión y con un muy bajo grado de incertidumbre. Este trabajo ha llevado más de diez años, y ha implicado la superación de varios retos tecnológicos. Tal y como lo describe Härtig, la investigación ha incitado “la competitividad entre amigos” —muchos institutos de metrología han luchado por obtener los valores más precisos de todas estas constantes.

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Dos métodos competían para definir la constante de Planck. La balanza de Kibble, el método ganador, enfrenta la masa de un patrón contra la fuerza producida por una corriente eléctrica que pasa por una bobina de cable suspendida en un campo magnético. Dos balanzas distintas, una en el NIST y otra en el Consejo Nacional de Investigación canadiense, hicieron las medidas para establecer el valor de la constante de Planck: 6.62607015 × 10−34 J s.

El método que ‘perdió’ la carrera por la constante de Planck, el método del conteo, hizo posible redefinir el número de Avogadro. El equipo de Härtig en el PTB creó esferas enriquecidas con silicio 28 increíblemente precisas y midió su volumen con interferometría. Robert Vocke y Savelas Raab, en el NIST, trabajaron para determinar las proporciones exactas entre los isótopos de silicio en el cristal con espectrometría de masas. Conociendo el volumen de la esfera y sabiendo la estructura de la red cristalina, los científicos determinaron el valor de la constante de Avogadro como 6.02214076 × 1023 mol−1.

En clase, los nuevos libros de texto podrían explicar de forma más sencilla el concepto de mol. Aunque pedagógicamente hablando, dice Marcy Towns de la Universidad Purdue, la nueva definición no es un gran cambio. “Si lees los libros de texto,” explica, “los estudiantes entienden la definición del mol como 6.022 x 1023 partículas, y los profesores usan mucho esa definición,” en vez de la relación con el kilo. Towns sabe de lo que habla, ya que participó en una amplia revisión del tema como parte del Comité de Terminología, Nomenclatura y Símbolos de la IUPAC—la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada.

Varias fuentes que hablaron con C&EN recalcan como un momento culminante de sus carreras estos cambios en las definiciones de las unidades del SI. Es una oportunidad única de formar parte de un cambio de paradigma. Muchos resaltan la importancia del cambio en un sentido filosófico—estas definiciones mantendrán su significado aunque desaparezca nuestro planeta. En vez de tener que enviar el kilo patrón u otros cachivaches para explicar estas unidades, dice Härtig, “otros seres inteligentes podrán entender lo mismo que nosotros entendemos por ‘kilogramo’.”

Traducido al español por Fernando Gomollón para C&EN. La version original (en inglés) de este artículo está disponible aquí.

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