La nueva definición del mol

por Juris Meija

P. ¿Cuál es el cambio reciente en la definición del mol?

R. La necesidad de redefinir dos unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades (SI), el kilogramo y el amperio, ha sido tema de discusión por décadas. Existen muchas razones para revisar las definiciones actuales de estas unidades, sobre todo la inestabilidad inherente a largo plazo del artefacto que sirve para definir el kilogramo. Tras el éxito de la definición del metro en 1983, la cual se basa ahora en la velocidad de la luz en el vacío, el Comité Internacional de Pesos y Medidas ha decidido que este es también un momento oportuno para volver a redactar las definiciones de las siete unidades básicas del SI en términos de los elementos más estables conocidos por los científicos: las constantes físicas.

La constante de Avogadro

La constante de Avogadro ha sido llamada de muchas maneras, desde ser una de las constantes físicas más importantes hasta ser una constante de clase inferior. Einstein dedicó uno de sus artículos "annus mirabilis" a la constante de Avogadro, y Jean Perrin recibió el Premio Nobel de 1926 por haber determinado su valor. Ahora, el valor numérico de la constante de Avogadro, conocida como el número de Avogadro, se utilizará para definir el mol. La importancia de determinar la constante de Avogadro está demostrada no solo por el Premio Nobel de 1926, sino también por el hecho de que Perrin fue nominado unas 50 veces por científicos eminentes de su época.

En 1926 se le otorgó a Perrin el Premio Nobel, dicho en pocas palabras, por proporcionar un valor estimado de la constante de Avogadro entre 6.5 × 10²³ y 6.9 × 10²³. En alguna medida similar a la ley de Moore, la cual observa la duplicación de la cantidad de transistores en "chips" de circuitos integrados cada dos años, la incertidumbre de la constante de Avogadro ha disminuido en un orden de magnitud cada dos décadas. Así, un siglo de mediciones de la constante de Avogadro nos ha llevado ahora a incertidumbres relativas de unas cuantas partes en 10⁸ (100 millones). Hoy día, el mejor cálculo de la constante de Avogadro proviene de las determinaciones de la constante de Planck realizadas en el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (National Research Council Canada): 6.022 140 772 × 10²³ con la incertidumbre de 9 partes en 109 (1000 millones) (las constantes de Planck y Avogadro pueden intercambiarse por medio de la constante de Rydberg). Esta notable precisión ahora nos permite reescribir la definición del mol en los términos más absolutos posibles: estipulando una cantidad exacta de entidades elementales en un mol.

¿Por qué necesitamos una nueva definición del mol?

La definición del mol de 1971 implica que la cantidad de sustancia se determina mejor midiendo la masa de las sustancias. Si bien la mayoría de las mediciones de la cantidad química son de hecho mediciones de masa, esto no significa que la definición de mol deba necesariamente estar vinculada con la definición del kilogramo. En 2011 el órgano rector del SI, la Conferencia General sobre Pesos y Medidas, señaló que, de hecho, es conveniente enfatizar la distinción entre la cantidad de sustancia y la masa. Además, los estudios han demostrado que la cantidad de sustancia a menudo se identifica incorrectamente con la masa. Debido a que muchos han argumentado que la definición actual oscurece la utilidad del mol y a que la mayoría de los libros de texto de química ya ven al mol como una cantidad que contiene un número de Avogadro de entidades, la nueva definición establece que el mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene 6.022 140 76 × 10²³ entidades elementales.

En este sentido, la nueva definición propuesta del mol tiene la ventaja de la simplicidad. De hecho, en el nuevo SI, el mol se convertirá en la única unidad básica que se define de manera independiente de cualquier otra unidad.

Inquietudes sobre la definición del mol

Las discusiones serias sobre la redefinición del mol comenzaron alrededor de 2005, y se necesitó casi una década para lograr el consenso internacional. Durante este tiempo se planteó una gama de temas con respecto a la forma en que se debe o no se debe definir el mol. Huelga decir que no a todos les gusta la nueva definición. Algunas voces prominentes argumentaron, de hecho, que el mol debería ser eliminado del SI.

La resistencia contra la definición del mol basada en Avogadro se debe en gran parte a la opinión de que la constante de Avogadro no es una constante universal de la física y que su valor numérico no tiene un significado físico particular. Si bien algunas constantes son de hecho más fundamentales que otras, no se debe confundir "ser fundamental" con "no ser útil". Al igual que la constante de Avogadro, la constante de Boltzmann también es vista por muchos como un mero factor de conversión sin un significado físico profundo. Esta ha adquirido una condición de constante fundamental con su propia dimensión porque los científicos eligieron diferenciar la energía térmica de la temperatura mediante la creación de una dimensión a la que llamamos temperatura.

Finalmente, muchas de las decisiones con respecto a las unidades reflejan elecciones extraídas de consideraciones prácticas. El valor "cantidad de sustancia" con su propia dimensión se convirtió en parte del SI, no por una necesidad lógica sino porque la comunidad científica sintió que aportaba ventajas. En la actualidad tenemos las constantes de Boltzmann y de Avogadro porque los termómetros aparecieron antes de nuestra comprensión de la mecánica estadística y porque los químicos pudieron comparar las cantidades de sustancias químicas antes de conocer la cantidad real de átomos involucrados.

Quizás uno de los aspectos más difíciles de la definición de mol basada en Avogadro es el hecho de que la masa molar de carbono 12 ya no será exactamente 12 g/mol. A muchos químicos les sorprenderá que, de hecho, la masa molar del carbono 12 nunca haya sido exactamente 12 g/mol, así que nada cambiará en este respecto. Esto se debe a que la definición de 1971 del mol se refiere formalmente a los átomos libres. Los químicos no trabajan con átomos libres. Por el contrario, manejan átomos ligados; la energía de cohesión (E = mc²) reduce la masa total en el orden de una pocas partes en 10¹⁰.

Por lo tanto, para obtener 12 g de grafito puro es necesario tener 4 × 10¹⁴ átomos adicionales en comparación con la misma masa de átomos libres, que en conjunto forman 1 μg adicional. En este contexto, la nueva definición del mol es más fundamental que la definición de 1971. Como muchas otras definiciones nuevas del SI, la nueva definición no afectará las mediciones cotidianas, pero es probable que afecte nuestra comprensión diaria del mol.

Juris Meija, Ph.D., es un funcionario de investigación del Consejo Nacional de Investigación de Canadá, donde trabaja en estándares y ciencia de la medición y ha participado en la nueva definición del mol.