La constante d’Avogadro sera utilisée pour définir la mole. Depuis que Jean Perrin a reçu le prix Nobel pour avoir déterminé sa valeur approximative en 1926, les progrès dans la détermination de la constante d’Avogadro ont été énormes. Aujourd’hui, la meilleure estimation de la constante d’Avogadro provient des déterminations de la constante de Planck au Conseil national de recherches du Canada : 6,022140772×1023 avec l’incertitude de neuf parties sur 109. Cette précision remarquable nous permet maintenant de réécrire la définition de la taupe dans les termes les plus absolus possibles. En fait, la mole deviendra la seule unité de base SI définie indépendamment de toute autre unité.

La définition actuelle de la mole implique que la quantité d’une substance est mieux déterminée par la mesure de la masse. Bien que cela fonctionne pour la plupart des mesures de quantités chimiques, il ne s’ensuit pas que la définition de la mole doit être liée à la définition du kilogramme. De plus, des études ont montré que la quantité de substance est souvent (incorrectement) identifiée à la masse. La définition actuelle occulte également l’utilité de la taupe, et la plupart des manuels de chimie considèrent déjà la taupe comme une quantité d’une substance contenant un nombre Avogadro d’entités. Par conséquent, la nouvelle définition proposée stipule que: « une mole contient exactement 6,02214076×1023 entités élémentaires. » Cela a l’avantage de la simplicité. Écrivant pour l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (Uicpa), Peter Atkins a noté avec justesse que « la nouvelle définition touche au cœur de la signification d’une taupe et qu’il faut donc se féliciter qu’il ne puisse plus y avoir d’excuse pour mal comprendre sa définition.’

Contre-arguments

Malgré cela, cette définition a pris beaucoup de temps à se réunir. Des discussions sérieuses sur une redéfinition de la taupe ont commencé vers 2005 et il a fallu environ une décennie pour parvenir à un consensus. Inutile de dire que tout le monde n’aime pas la nouvelle définition – et certaines voix éminentes ont même soutenu que la taupe devrait être complètement retirée de l’IS.

Vers 2010, les discussions se sont concentrées sur l’ancrage fondamental de la mole: la masse molaire du carbone 12 devrait-elle rester la caractéristique déterminante, ou devrait-elle être la constante d’Avogadro? Il faut noter que le rattachement de la taupe à la constante d’Avogadro n’est pas la seule alternative – d’autres façons exotiques de définir la taupe ont été notées. Une définition intéressante (et peut-être la moins utile) pourrait être: « La mole est la quantité de substance d’un système qui contient autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans un échantillon de potassium-40 ayant une activité de 10599044s–1. »Dans l’esprit de la définition ci-dessus, Bertram Boltwood et Ernest Rutherford ont utilisé des méthodes basées sur la radioactivité pour déterminer le nombre d’Avogadro en 1911.

D’autres problèmes ont été mis en évidence. Si une mole d’une substance est définie comme la quantité ayant un certain nombre d’entités, il est clair pour beaucoup que ce nombre ne peut être qu’un entier. Par conséquent, pour maximiser davantage la clarté de la définition, nous devrions utiliser des entiers explicites (avec tous les nombres écrits). Ce n’est pas pratique pour le nombre d’Avogadro, c’est pourquoi certains ont suggéré une alternative très attrayante: 844468853 (à un niveau de précision plus cru, on pourrait apprécier la mole « binaire »: NA ≈ 279 mol–1).

L’un des arguments les plus intéressants contre la nouvelle définition est que la masse molaire du carbone 12 ne sera plus exactement de 12 g/mol. Il sera surprenant pour de nombreux chimistes d’apprendre qu’en fait, ce n’est pas du tout un changement. En 1980, la définition précédente a été clarifiée pour ne faire référence qu’aux atomes non liés; la formation de liaisons chimiques réduit légèrement la masse totale, ce qui signifie que 12 g de carbone pur – 12 en laboratoire contient un peu plus d’une mole d’atomes de carbone. Dans ce contexte, la nouvelle définition de la taupe est plus fondamentale que la définition actuelle.

Repenser les unités

La résistance à la définition basée sur Avogadro de la taupe est en grande partie due à la croyance que la constante d’Avogadro n’est pas une constante universelle de la physique et que sa valeur numérique n’a pas de signification physique particulière. Bien que certaines constantes soient en effet plus fondamentales que d’autres, il ne faut pas confondre « être fondamental » et « ne pas être utile »; en fin de compte, bon nombre des décisions concernant les unités reflètent des choix faits à partir de considérations pratiques. Aujourd’hui, nous avons à la fois des constantes de Boltzmann et d’Avogadro parce que les thermomètres ont précédé notre compréhension de la thermodynamique ou de la mécanique statistique, et parce que les chimistes ont pu comparer les quantités de substances chimiques avant de connaître le nombre réel d’atomes impliqués. Le SI n’est pas uniquement dû à une nécessité logique.

Comme avec de nombreuses autres nouvelles définitions de SI, cette nouvelle taupe n’affectera pas les mesures quotidiennes – mais elle affectera probablement notre compréhension quotidienne des unités de mesure.

Juris Meija est président de la commission de l’Uicpa sur les abondances isotopiques et les poids atomiques