Der Maulwurf wurde 1971 Teil des Internationalen Einheitensystems (SI). Derzeit ist es definiert als die Menge an Substanz, die so viele Einheiten enthält, wie es in 0,012 kg Kohlenstoff-12 gibt. Aber die Notwendigkeit, das Kilogramm neu zu definieren, wird seit Jahrzehnten diskutiert – nicht zuletzt wegen der langfristigen Instabilität von ‚Le Grand K‘, dem Artefakt, das das Kilogramm definiert. Nach dem Erfolg der Definition des Meters von 1983, die auf der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum basiert, entschied das Internationale Komitee für Maße und Gewichte (CIPM), dass dies auch ein günstiger Zeitpunkt ist, um die Definitionen aller SI-Basiseinheiten in Bezug auf die stabilsten Dinge, die Wissenschaftlern bekannt sind, neu zu fassen: physikalische Konstanten.

Die Avogadro-Konstante wird verwendet, um den Maulwurf zu definieren. Seit Jean Perrin 1926 den Nobelpreis für die Bestimmung seines ungefähren Wertes erhielt, waren die Fortschritte bei der Bestimmung der Avogadro-Konstante enorm. Heute stammt die beste Schätzung der Avogadro-Konstante aus den Planck-Konstanten-Bestimmungen des kanadischen National Research Council: 6,022140772 × 1023 mit der Unsicherheit von neun Teilen in 109. Diese bemerkenswerte Präzision ermöglicht es uns nun, die Definition des Maulwurfs so absolut wie möglich neu zu schreiben. Tatsächlich wird der Mol die einzige SI-Basiseinheit sein, die unabhängig von anderen Einheiten definiert ist.

Die aktuelle Definition des Mols impliziert, dass die Menge einer Substanz am besten durch Messen der Masse bestimmt wird. Während dies für die meisten Messungen chemischer Mengen funktioniert, folgt daraus nicht, dass die Definition des Mols mit der Definition des Kilogramms verbunden sein muss. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass die Substanzmenge oft (falsch) mit Masse identifiziert wird. Die vorliegende Definition verdeckt auch die Nützlichkeit des Maulwurfs, und die meisten Chemielehrbücher betrachten Mol bereits als eine Menge einer Substanz, die eine Avogadro-Anzahl von Entitäten enthält. Daher besagt die vorgeschlagene neue Definition: ‚Ein Mol enthält genau 6,02214076 × 1023 Elementareinheiten. Dies hat den Vorteil der Einfachheit. Peter Atkins schrieb für die International Union of Pure and Applied Chemistry (Iupac) und bemerkte treffend, dass die neue Definition den Kern der Bedeutung eines Mols schneidet und daher zu begrüßen ist, dass es keine Entschuldigung mehr für ein Missverständnis seiner Definition geben kann.‘

Gegenargumente

Trotzdem hat es lange gedauert, bis diese Definition zusammengekommen ist. Ernsthafte Diskussionen über eine Neudefinition des Maulwurfs begannen etwa 2005, und es dauerte etwa ein Jahrzehnt, um einen Konsens zu erzielen. Unnötig zu erwähnen, dass nicht jeder die neue Definition mag – und einige prominente Stimmen haben sogar argumentiert, dass der Maulwurf vollständig aus dem SI entfernt werden sollte.

Um das Jahr 2010 konzentrierten sich die Diskussionen auf den fundamentalen Anker für das Mol: Sollte die Molmasse von Kohlenstoff-12 das bestimmende Merkmal bleiben oder sollte es die Avogadro-Konstante sein? Man muss beachten, dass die Bindung des Maulwurfs an die Avogadro–Konstante nicht die einzige Alternative ist – es wurden andere exotische Möglichkeiten zur Definition des Maulwurfs festgestellt. Eine interessante (und vielleicht am wenigsten nützliche) Definition könnte sein: Das Mol ist die Substanzmenge eines Systems, das so viele elementare Einheiten enthält, wie Atome in einer Probe von Kalium-40 mit einer Aktivität von 10599044s–1 vorhanden sind. Im Sinne der obigen Definition verwendeten Bertram Boltwood und Ernest Rutherford 1911 radioaktivitätsbasierte Methoden, um die Avogadro-Zahl zu bestimmen.

Andere Probleme wurden hervorgehoben. Wenn ein Mol eines Stoffes als die Menge definiert wird, die eine bestimmte Anzahl von Entitäten aufweist, ist vielen klar, dass diese Zahl nur eine ganze Zahl sein kann. Um die Klarheit der Definition weiter zu maximieren, sollten wir daher explizite ganze Zahlen verwenden (wobei alle Zahlen ausgeschrieben sind). Dies ist für die Avogadro-Zahl unpraktisch, weshalb einige eine sehr ansprechende Alternative vorgeschlagen haben: 844468853 (bei einer gröberen Genauigkeit könnte man das ‚binäre‘ Mol genießen: NA ≈ 279 mol–1).

Eines der interessantesten Argumente gegen die neue Definition ist, dass die Molmasse von Kohlenstoff-12 nicht mehr genau 12 g/mol beträgt. Es wird für viele Chemiker eine Überraschung sein zu erfahren, dass dies in der Tat überhaupt keine Veränderung ist. 1980 wurde die vorherige Definition geklärt, um sich nur auf ungebundene Atome zu beziehen; Die Bildung chemischer Bindungen reduziert die Gesamtmasse geringfügig, was bedeutet, dass 12 g reiner Kohlenstoff-12 im Labor etwas mehr als ein Mol Kohlenstoffatome enthält. In diesem Zusammenhang ist die neue Definition des Maulwurfs grundlegender als die derzeitige Definition.

Einheiten überdenken

Der Widerstand gegen die Avogadro-basierte Definition des Maulwurfs ist weitgehend auf die Überzeugung zurückzuführen, dass die Avogadro-Konstante keine universelle Konstante der Physik ist und dass ihr numerischer Wert keine besondere physikalische Bedeutung hat. Während einige Konstanten in der Tat grundlegender sind als andere, sollte man ‚fundamental sein‘ nicht mit ’nicht nützlich sein‘ in Verbindung bringen; Letztendlich spiegeln viele der Entscheidungen bezüglich der Einheiten Entscheidungen wider, die aus praktischen Erwägungen getroffen wurden. Heute haben wir sowohl Boltzmann- als auch Avogadro-Konstanten, weil Thermometer vor unserem Verständnis der Thermodynamik oder statistischen Mechanik standen und weil Chemiker die Mengen chemischer Substanzen vergleichen konnten, bevor sie die tatsächliche Anzahl der beteiligten Atome kannten. Die SI ist nicht nur auf logische Notwendigkeit zurückzuführen.

Wie bei vielen anderen neuen SI–Definitionen wird sich diese neue Definition nicht auf alltägliche Messungen auswirken – aber es ist wahrscheinlich, dass sie unser tägliches Verständnis der Maßeinheiten beeinflusst.

Juris Meija ist Vorsitzender der Iupac-Kommission für Isotopenhäufigkeiten und Atomgewichte