Novas definições para o quilograma e mol

Não acontece com muita frequência, mas, após uma votação realizada hoje mais cedo nas proximidades de Paris, os livros de ciências realmente terão que ser reescritos.

Na Câmara do Congresso, no Palácio de Versalhes, os metrologistas reunidos votaram pela redefinição de quatro unidades fundamentais de medida no Sistema Internacional de Unidades (SI): ampere, kelvin, quilograma e mol. Essas unidades se juntarão ao medidor, candela, e serão definidas em segundo lugar, não em referência a artefatos físicos, mas em referência a constantes físicas fundamentais. Os cientistas dizem que redefinir essas unidades com base em uma constante física tornará as medições mais precisas e estáveis. A aprovação unânime da votação foi recebida com aplausos de pé entre os participantes de mais de 60 países.

As unidades redefinidas, que entrarão em vigor em 20 de maio de 2019, Dia Mundial da Metrologia, são o resultado de anos de trabalho, discussão e competição para medir as constantes fundamentais da natureza a um incrível grau de certeza. Embora a maioria das pessoas não perceba a mudança, o aumento da precisão tornará o sistema SI mais robusto, diz Frank Härtig, do PTB, o instituto nacional alemão de metrologia. “Temos possibilidades completamente novas”, explica ele, acrescentando que, à medida que as técnicas analíticas se tornam mais avançadas e podem medir quantidades cada vez menores de material, as novas definições garantem que essas medidas serão precisas.

Desde 1889, a unidade de massa do SI, o quilograma, foi definida como sendo igual à massa do quilograma protótipo internacional (IPK, do inglês International Prototype Kilogram). O IPK é um cilindro de liga de platina/irídio que fica no Gabinete Internacional de Pesos e Medidas, perto de Paris. No palco em Versalhes, Bill Phillips, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos (NIST), descreveu essa situação como escandalosa.

Quando o IPK foi criado na década de 1880, também existiam outros cilindros protótipos idênticos, distribuídos em vários países. Ao longo dos anos, o IPK perdeu massa quando comparado com esses protótipos.

A incerteza de que essa massa mudou criou também impactos na unidade mol. Esta unidade SI, usada por químicos para definir uma quantidade de átomos ou moléculas, foi definida desde 1971 em relação ao quilograma, como “a quantidade de substância de um sistema que contém tantas entidades elementares quanto há átomos em 0,012 kg de Carbono-12.”

Com início em maio de 2019, o quilograma será definido com relação à constante de Planck, e a unidade mol será definida como sendo uma quantidade de entidades igual ao número de Avogadro. Da mesma forma, o ampere será definido relativamente à carga elétrica transportada por um único próton, denominado de “carga elétrica elementar”, e o kelvin será definido relativamente à constante de Boltzmann. Para permitir essa mudança, essas constantes tiveram que ser medidas com precisão e com um alto grau de certeza. Esse trabalho levou mais de 10 anos e deu origem a vários avanços tecnológicos. Como Härtig descreve, a pesquisa tem sido “competição entre amigos” - diferentes institutos metrológicos têm competido para medir os valores ainda mais precisos para essas constantes.

Para definir o valor da constante de Planck, competiram dois métodos independentes. A balança de Kibble, que ganhou, compensa o peso de uma massa de teste contra a força produzida quando uma corrente elétrica passa por uma bobina de fio suspensa em um campo magnético. Duas balanças de Kibble diferentes, uma no NIST e uma segunda no Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá, fizeram as medições que definem a constante de Planck como sendo 6,62607015 × 10⁻³⁴ J s.

O método que não venceu a competição para a constante de Planck, chamado método de contagem, na verdade possibilitou definir o número de Avogadro. A equipe da Härtig na PTB criou esferas incrivelmente precisas enriquecidas no isótopo silício-28 e mediram seus volumes com interferometria. Robert Vocke e Savelas Raab, do NIST, trabalharam então para determinar as proporções precisas de isótopos de silício na rede cristalina com espectrometria de massa. Com o volume preciso da esfera e a composição da rede cristalina conhecida, os cientistas puderam determinar o valor da constante de Avogadro como 6,02214076 × 10²³ mol⁻¹.

De volta à sala de aula, esses livros didáticos reescritos podem, na verdade, tornar as coisas mais fáceis para os alunos que lidam com o conceito da mole. Pedagogicamente, diz Marcy Towns, da Universidade de Purdue, a nova definição não é uma grande mudança. “Se você ler a literatura educacional”, explica, “os alunos entendem a definição da mole como 6,022 × 10²³ partículas, e os professores usam muito essa definição”, em vez de definir a unidade em relação ao quilograma. Towns deve saber, tendo realizado uma grande revisão do assunto como parte da União Internacional do Comitê Interdivisional de Química Pura e Aplicada sobre Terminologia, Nomenclatura e Símbolos.

Múltiplas fontes que falaram com C&EN para esta história descreveram a tarefa de redefinir essas unidades do SI como sendo um destaque de sua carreira científica, uma oportunidade única na vida de fazer parte de um evento que define uma era. Sublinharam a alteração filosófica na mudança para definições que reterão seu significado para além da Terra. Em vez de autoridades neste planeta enviarem o IPK ou outros artefatos para explicar essas unidades, Härtig explica, “outras culturas inteligentes serão capazes de entender o que entendemos quando dizemos ‘quilograma’ ”.

A versão original (em inglês) deste artigo está disponível aqui.