La talpa divenne parte del Sistema Internazionale di Unità (SI) nel 1971. Attualmente, è definito come la quantità di sostanza che contiene tante entità quante ce ne sono in 0,012 kg di carbonio-12. Ma la necessità di ridefinire il chilogrammo è stata discussa per decenni, non da ultimo a causa dell’instabilità a lungo termine di “Le Grand K”, il manufatto che definisce il chilogrammo. Dopo il successo della definizione del metro del 1983, che si basa sulla velocità della luce nel vuoto, il Comitato internazionale per i pesi e le misure (CIPM) ha deciso che questo è anche un momento opportuno per riformulare le definizioni di tutte le unità di base SI in termini delle cose più stabili conosciute dagli scienziati: le costanti fisiche.

La costante di Avogadro verrà utilizzato per definire la mole. Da quando Jean Perrin ha ricevuto il premio Nobel per aver determinato il suo valore approssimativo nel 1926, i progressi nel determinare la costante di Avogadro sono stati enormi. Oggi, la migliore stima della costante di Avogadro proviene dalle determinazioni costanti di Planck al Consiglio nazionale delle Ricerche del Canada: 6.022140772×1023 con l’incertezza di nove parti in 109. Questa notevole precisione ci consente ora di riscrivere la definizione della talpa nei termini più assoluti possibili. In effetti, la talpa diventerà l’unica unità di base SI definita indipendente da qualsiasi altra unità.

La definizione attuale della talpa implica che la quantità di una sostanza è meglio determinata misurando la massa. Mentre questo funziona per la maggior parte delle misurazioni di quantità chimiche, non ne consegue che la definizione della talpa deve essere legata alla definizione del chilogrammo. Inoltre, gli studi hanno dimostrato che la quantità di sostanza è spesso (erroneamente) identificata con la massa. La presente definizione oscura anche l’utilità della talpa, e la maggior parte dei libri di testo di chimica vede già la talpa come una quantità di una sostanza contenente un numero Avogadro di entità. Pertanto, la nuova definizione proposta afferma che: “una mole contiene esattamente 6,02214076 × 1023 entità elementari.”Questo ha il vantaggio della semplicità. Scrivendo per l’Unione Internazionale di chimica Pura e applicata (Iupac), Peter Atkins ha giustamente osservato che ” la nuova definizione taglia al centro del significato di una talpa, ed è quindi da accogliere con favore non ci può più essere alcuna scusa per fraintendere la sua definizione.’

Contro argomenti

Anche così, questa definizione ha richiesto molto tempo per venire insieme. Le discussioni serie su una ridefinizione della talpa sono iniziate intorno al 2005 e ci sono voluti circa un decennio per raggiungere il consenso. Inutile dire che non a tutti piace la nuova definizione-e alcune voci di spicco hanno persino sostenuto che la talpa dovrebbe essere rimossa dal SI del tutto.

Intorno al 2010, le discussioni si sono concentrate sull’ancora fondamentale per la talpa: la massa molare del carbonio-12 dovrebbe rimanere la caratteristica distintiva, o dovrebbe essere la costante di Avogadro? Bisogna notare che ancorare la talpa alla costante di Avogadro non è l’unica alternativa: sono stati notati altri modi esotici per definire la talpa. Una definizione interessante (e forse meno utile) potrebbe essere: “La talpa è la quantità di sostanza di un sistema che contiene tante entità elementari quante sono gli atomi in un campione di potassio-40 che ha un’attività di 10599044s-1.”Nello spirito della definizione di cui sopra, Bertram Boltwood e Ernest Rutherford usarono metodi basati sulla radioattività per determinare il numero di Avogadro nel 1911.

Sono stati evidenziati altri problemi. Se una mole di una sostanza è definita come la quantità che ha un certo numero di entità, è chiaro a molti che questo numero può essere solo un numero intero. Quindi, per massimizzare ulteriormente la chiarezza della definizione, dovremmo usare numeri interi espliciti (con tutti i numeri scritti). Questo non è pratico per il numero di Avogadro, motivo per cui alcuni hanno suggerito un’alternativa molto attraente: 844468853 (a un livello di precisione più crudo, si potrebbe godere la mole ‘binaria’: NA ≈ 279 mol–1).

Uno degli argomenti più interessanti contro la nuova definizione è che la massa molare del carbonio-12 non sarà più esattamente 12 g/mol. Sarà una sorpresa per molti chimici apprendere che, in realtà, questo non è affatto un cambiamento. Nel 1980, la definizione precedente è stata chiarita per riferirsi solo agli atomi non legati; la formazione di legami chimici riduce leggermente la massa totale, il che significa che 12 g di carbonio puro-12 in laboratorio contiene poco più di una mole di atomi di carbonio. In questo contesto, la nuova definizione della talpa è più fondamentale della definizione attuale.

Ripensare le unità

La resistenza verso la definizione basata su Avogadro della mole è stata in gran parte dovuta alla convinzione che la costante di Avogadro non sia una costante universale della fisica e che il suo valore numerico non abbia un particolare significato fisico. Mentre alcune costanti sono davvero più fondamentali di altre, non si dovrebbe confondere “essere fondamentali” con “non essere utili”; in definitiva, molte delle decisioni riguardanti le unità riflettono scelte fatte da considerazioni pratiche. Oggi abbiamo sia Boltzmann che Avogadro costanti perché i termometri sono venuti prima della nostra comprensione della termodinamica o della meccanica statistica e perché i chimici sono stati in grado di confrontare le quantità di sostanze chimiche prima di conoscere il numero effettivo di atomi coinvolti. Il SI non è solo verso il basso per necessità logica.

Come con molte altre nuove definizioni SI, questa nuova talpa non influenzerà le misurazioni quotidiane – ma è probabile che influenzerà la nostra comprensione quotidiana delle unità di misura.

Juris Meija è presidente della commissione Iupac sulle abbondanze isotopiche e sui pesi atomici