Koolstof, de constante van Avogadro en het belang van het getal 12

Het International System of Units (met de afkorting SI-eenheden) is een van de fundamenten van de moderne wetenschap. Het bestaat uit zeven basiseenheden waaruit alle andere kunnen worden afgeleid.

Dit zijn de meter voor lengte; de kilogram voor massa; de tweede voor tijd; de ampère voor elektrische stroom; Kelvin voor thermodynamische temperatuur; candela voor lichtsterkte en mol voor de hoeveelheid stof. Dit is een gecoördineerd systeem van eenheden waarmee wetenschappelijke resultaten relatief eenvoudig kunnen worden vergeleken, ongeacht waar ze zijn gemaakt.

Het SI-systeem is echter verre van perfect. Een van de problemen is dat sommige eenheden waarden hebben die gebaseerd zijn op willekeurige objecten, zoals de kilogram. Er is algemene overeenstemming dat dit moet worden gewijzigd, zodat de eenheden zijn gebaseerd op de fundamentele constanten van de natuur en op specifieke getallen die zijn gedefinieerd en daarom constant zijn.

Een van deze getallen is de constante van Avogadro. Dit wordt momenteel gedefinieerd als het aantal atomen in 12 gram koolstof-12 en het is bekend dat het ongeveer 6.02214129 × 10 ^ 23 is. Maar het exacte aantal hangt af van de definitie van een kilogram, wat voorlopig de massa is van een willekeurige staaf van een platina-iridiumlegering verborgen in een kluis ergens in Parijs.

De algemene consensus is dat het beter zou zijn om de constante van Avogadro te definiëren en deze de massa van de kilogram te laten bepalen. Maar welk nummer moet dienen?

Vandaag komt Phil Fraundorf van de Universiteit van Missouri-St. Louis met een interessante suggestie. Hij zegt dat een praktische oplossing is om een ​​getal te kiezen dat deelbaar is door 12, zodat een geheel aantal koolstof-12-atomen gelijk is aan de massa van een gram, althans tot een eerste benadering.

Tegelijkertijd zou het nuttig zijn om een ​​fysiek zinvolle definitie te hebben op basis van een structuur die redelijkerwijs in de natuur zou kunnen bestaan. Verschillende onderzoekers hebben een kubus van silicium gesuggereerd in kubusvormige diamantkristallen of een kubus van op het gezicht gecentreerde kubieke koolstof.

Het probleem is dat deze structuren bijna niet te fabriceren zijn en in ieder geval geen aantal atomen bevatten dat deelbaar is door 12.

Dus Fraundorf heeft een beter idee bedacht op basis van grafeen, losse vellen koolstofkippengaas waar momenteel intensief onderzoek naar wordt gedaan. Zijn idee is om de constante van Avogadro te definiëren in termen van een aantal zeshoekige vellen grafiet die op elkaar zijn gestapeld om een ​​zeshoekig prisma te vormen.

Hij laat zien dat als het aantal lagen gelijk is aan het aantal atomen langs één zijde van de zeshoekige basis, zo'n structuur altijd een aantal atomen zal hebben dat deelbaar is door 12, precies zoals vereist. Het is dus gewoon een kwestie van een getal kiezen dat een prisma produceert met het aantal atomen dat dicht bij de huidige waarde van de constante van Avogadro ligt.

Hij suggereert dat als dit aantal - het aantal lagen en het aantal atomen langs elke zeshoekige rand - gelijk was aan 51.150.060, het totaal 602.214.158.510.196.804.982.800 atomen zou zijn. Dat is zo verdomd gelijk aan het huidige aantal.

Hij zegt dat een koolstofkristal dat op deze manier is gemaakt, 1,71 centimeter lang zou zijn, waarbij elk van de zes zijden 1,09 centimeter lang zou zijn.

Dat is een interessant idee, niet in de laatste plaats omdat ons vermogen om grafeen te manipuleren met grote sprongen verbetert. Fraundorf stelt zich een tijd voor in de niet al te verre toekomst waarin het mogelijk zou kunnen zijn om met behulp van 3D-printtechnologie een prisma te construeren met precies het aantal atomen van Avogadro.

Dat zou een fascinerend object zijn en iets dat mensen een concreet idee zou geven van de ruimte die een mol materie inneemt, evenals het gewicht van een mol koolstof. Het gewicht van een mol andere atomen zal proportioneel zwaarder of lichter zijn, afhankelijk van de verhouding tussen atoomgewichten, zegt hij.

En in plaats van dat er maar één kilogram in een kluis in Parijs ligt (en een paar exemplaren elders), kan iedereen zijn eigen kilogram overal ter wereld afdrukken (in principe tenminste).

Natuurlijk is het debat aan de gang, met andere suggesties in overweging. Maar het idee van Fraundorf lijkt bij uitstek verstandig en zeker de moeite waard om nader te bestuderen.

Referentie: arxiv.org/abs/1201.5537 : Een veelvoud van 12 voor Avogadro

zich verstoppen