Het probleem met de kilogram

In de natuurwetenschappen worden een heleboel eenheden gebruikt. Vaak worden hiervoor SI-eenheden gebruikt, bijvoorbeeld Watt voor vermogen, Joule voor energie, Coulomb voor lading en Newton voor kracht. Andere voorbeelden zijn de mol voor een hoeveelheid stof, meter voor afstand, seconde voor tijd en natuurlijk de kilogram voor massa. Maar niet al die eenheden zijn ‘fundamentele’ eenheden, het merendeel van de eenheden zijn zogeheten afgeleide eenheden.

Het SI-stelsel kent zeven basiseenheden, de meter, seconde, kilogram, mol, kelvin, ampère en candela. Alle andere eenheden kunnen hiervan worden afgeleid. Een newton is bijvoorbeeld de kracht die nodig is om een object van één kilogram te versnellen met één m/s2, oftewel 1 N = 1 kg m/s2. Een joule is weer de energie die nodig is om met een kracht van 1 N een object 1 m te verplaatsen, dus in feite is 1 J = 1 N m = 1 kg m2/s2. De watt is weer één joule per seconde, dus 1 W = 1 J/s = 1 kg m2/s3.

Zo zijn er nog veel meer voorbeelden te verzinnen. Allemaal leuk en aardig, maar je zult wel moeten afspreken wát nu precies een meter, seconde en kilogram is. Het handigste is om basiseenheden te definiëren aan de hand van natuurconstanten zoals de lichtsnelheid. Bij de meter en seconde is dit ook gedaan. Eén meter is exact gelijk aan de afstand die licht in 1/299.792.458 deel van een seconde aflegt. Met andere woorden, de lichtsnelheid is per definitie 299.792.458 m/s. De seconde is op haar beurt weer gedefinieerd als de duur van 9.192.631.770 perioden van elektromagnetische straling afkomstig van (een overgang tussen de twee hyperfijne energieniveau’s van de grondtoestand van) een cesium-133 atoom.

Deense replica van dè kilogram

Dit klinkt misschien een beetje ingewikkeld, maar zulke definities hebben een heel groot voordeel: je kunt ze overal en altijd reproduceren en gebruiken. Vroeger was de meter de lengte van een bepaalde platina-iridium staaf die ergens in Frankrijk lag, maar daar had de rest van de wereld natuurlijk weinig aan. De snelheid van het licht is daarentegen overal hetzelfde en ook cesium-133 atomen zijn overal identiek, dus iedereen kan deze definities gebruiken.

Maar dit geldt niet voor de kilogram. De kilogram is nog steeds gedefinieerd als de massa van die ene platina-iridium cilinder uit 1884 (!) in een kluis in Parijs, de IPK (International Prototype Kilogram). Er zijn een aantal replica’s van de IPK, maar dat helpt ook niet echt, vooral niet als blijkt dat de massa’s van deze replica’s en de IPK steeds meer beginnen te verschillen. Er wordt dus al een tijdje gesteggeld over wat nu een goede, reproduceerbare manier is om een kilogram te definiëren.

Er zijn een aantal opties, maar mijn favoriet, als chemicus, is dat we het getal van Avogadro vastzetten (in plaats van experimenteel bepalen). Je maakt gebruik van het feit dat één mol koolstofatomen exact 0,012 kg is, waardoor we atomen kunnen gaan tellen om tot een kilogram te komen.

Natuurlijk ga je niet één voor één atomen tellen. Een praktische uitwerking is bijvoorbeeld dat je een perfecte bol van silicium maakt. De straal van de bol is zeer nauwkeurig te meten, tot op 0,3 nm. Dankzij de halfgeleiderindustrie kan er super zuiver silicium worden gemaakt. Ook de relatieve atoommassa’s van de siliciumisotopen zijn nauwkeurig bekend. Verder heb je de afstand tussen de siliciumatomen in de bol nodig, dit kun je meten met rontgendiffractie. Samen met het volume van de bol (uit de straal) kun je dan het aantal atomen bepalen en dus de massa, zonder een weegschaal te gebruiken. De silicium bal kun je vervolgens als referentie gebruiken.

Het voordeel van zo’n definitie is dat iedereen zijn éigen kilogram kan maken en niet afhankelijk is van een kilogram in Parijs. Gaat het stuk, dan kun je weer een nieuwe maken zonder al te veel narigheid.

Jammer genoeg gaat er veel politiek achter het maken van een afspraak als deze. Het zal dus nog een tijdje duren voordat we een definitie van de kilogram hebben waar zelfs de exactste wetenschapper het mee eens is.

Dansende deeltjes (deel 2)

In deze miniserie getiteld ‘Dansende deeltjes’ beschrijven we drie manieren waarop het getal van Avogadro is bepaald. In het eerste deel zagen we dat hele kleine stuifmeelkorreltjes in water zich net zo gedragen als de moleculen in de lucht: des te hoger je in zo’n suspensie komt, des te lager de concentratie van de stuifmeelkorreltjes wordt. Hetzelfde gebeurt met de concentraties van stikstof, zuurstof en dergelijke als je hoger in de lucht komt. Uit dit fenomeen kon Jean Baptiste Perrin in 1909 de constante van Boltzmann bepalen, en daarmee het getal van Avogadro: N_\mathrm{A}= R / k_\mathrm{B}. In deze formule is R de gasconstante die wel bekend was.

Brownse beweging

In 1828 zag botanist Robert Brown dat er in de vacuoles (blaasjes gevuld met vloeistof) van stuifmeelkorrels iets zat, dat continu bewoog. Eerst dacht hij dat dit kwam doordat de stuifmeelkorrels op een of andere manier ‘levend’ waren. Echter, ook de stuifmeelkorrels van een plant die meer dan 100 jaar dood was, vertoonden dit vreemde gedrag. Ook niet-organisch materiaal zoals hele kleine glaskorreltjes vertoonde deze merkwaardige beweging. Met leven kon het dus niks te maken hebben. Maar waarmee dan wel? Lees verder Dansende deeltjes (deel 2)

Dansende deeltjes (deel 1)

avogadro_amedeoEen van onze vaste lezeressen vroeg zich af wat een mol is, en waar het getal van Avogadro vandaan komt.

Het is altijd goed om je af te vragen waar kennis vandaan komt. Hoe zijn we dingen, die nu voor ons heel normaal zijn, ooit te weten gekomen? Hoe zou je als 19e eeuwse chemicus kunnen aantonen dat water H2O is en geen HO of H2O2? Waarom weten we dat er twee waterstofatomen in een water molecuul zitten? Hoe weten we eigenlijk hoeveel atomen er in een bepaald volume of bepaalde massa zitten?

De constante van Avogadro heb je nodig als je wilt weten hoeveel moleculen (of atomen) er in m gram stof zitten. Er is afgesproken dat er in exact 12 gram koolstof precies één mol koolstof atomen zitten. Een mol koolstof is dus net zoiets als een dozijn, gros of krat bier. Alleen wéét je dat er in een krat bier 24 flesjes zitten. Maar hoeveel atomen er in een mol zouden zitten, wist men lange tijd niet. Deze hoeveelheid (het aantal atomen in exact 1 mol) zou men later de constante van Avogadro noemen en werd pas bepaald rond 1909. Maar hoe?

In deze mini-serie worden in de eerste twee delen twee manieren beschreven die men in die tijd heeft uitgevoerd en in het laatste deel zal worden uitgelegd hoe dat tegenwoordig gaat. Lees verder Dansende deeltjes (deel 1)