Von Kilogramm zu TeilchenDas Mol neu definiert – Was ändert sich?

Der 20. Mai 2019, ein Montag, ist für Physiker und Chemiker ein denkwürdiger Tag. Seit diesem Tag sind die sieben SI-Basiseinheiten Kilogramm, Meter, Sekunde, Ampere, Kelvin, Mol und Candela auf der Basis festgelegter Naturkonstanten neu definiert. Damit ist die Zeit des „Urkilogramms“ von Paris oder des „Urmeters“ vorbei. Doch was ändert sich eigentlich? Müssen wir nun mit anderen Werten und Maßeinheiten rechnen? Keineswegs. Allerdings wird man die Definitionen dieser SI-Basiseinheiten in Schulbüchern und Hochschullehrbüchern anpassen müssen.

Ähnlich einer Drehscheibe sind auf einem äußeren Drehkreis die SI-Einheiten aufgetragen, aud dem inneren Kreis die zugrundeliegenden Naturkonstanten.

Alle SI-Einheiten werden nun mit Naturkonstanten berechnet – einige Multiplikationen beziehen mehrere Naturkonstanten ein. Grafik: PTB Braunschweig CC-BY-ND Creative Commons

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Das Mol vor und nach Mai 2019

Das Mol ist die jüngste SI-Einheit. In der 1971 formulierten Definition für das Mol heißt es: „Das Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebenso vielen Einzelteilchen besteht, wie Atome in 0,012 Kilogramm des Kohlenstoffnuklids 12C enthalten sind. Bei Benutzung des Mols müssen die Einzelteilchen spezifiziert sein und können Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen sowie andere Teilchen oder Gruppen solcher Teilchen genau angegebener Zusammensetzung sein.“ [1, S. 157].

Es fällt auf, dass in dieser Definition die Teilchenanzahl der Portion des Kohlenstoffnuklids 12C nur implizit über die Masse angesprochen wird, eine exakte Angabe jedoch fehlt. Was für uns in der schulischen Praxis und im Labor kein echtes Problem darstellt, ist jedoch eine Schwierigkeit für diejenigen, die sich um Größen und Einheiten kümmern, die Metrologen. Ihre Kritik am bisherigen System: Die Basiseinheit Mol ist an die Basiseinheit Kilogramm gekoppelt und die Waage wird das Werkzeug zur Bestimmung von Masse und Stoffmenge zugleich.

Um eine von der Masse bzw. einer zweiten Basiseinheit unabhängige Definition zu erhalten, bediente man sich wie bereits bei den übrigen Basiseinheiten einer universellen Naturkonstante – der Avogadro-Konstante NA. Seit dem 20. Mai 2019 gilt damit folgende Definition: „Das Mol (Symbol mol), ist die SI-Einheit der Stoffmenge. Ein Mol enthält genau 6,02214076 · 1023 Einzelteilchen. Diese Zahl ist der festgelegte numerische Wert der Avogadro-Konstante NA, ausgedrückt in der Einheit mol–1, und wird als Avogadrozahl bezeichnet.“ [2, S. 257]. Mit der Einbindung zur Avogadro-Konstante entledige man sich gleich zweier möglicher Messungenauigkeiten, so die Metrologen – einmal des Bezugs zum Urkilogramm, dessen Masse noch immer nicht hinreichend genau bestimmt werden könne, und einmal von der Herstellung eines Kohlenstoffisotops in einer Reinheit, die praktisch nicht erreichbar sei. 

Bestimmung der Avogadro-Konstante mittels X-Ray Chrystal Density

Wie die Zahl pi lässt sich auch der Zahlenwert jeder Naturkonstante durch unterschiedliche Mess- und Rechentechniken mehr oder weniger genau bestimmen. Für die Neubestimmung der Avogadro-Konstante „zählte“ man die Si-Atome in einem Kilogramm einer Kugel aus hochreinen Silicium-28, die aus einem Silicium-Einkristall hergestellt wurde. In dem nahezu perfekten Kristallgitter lassen sich die Volumina einzelner Si-Atome durch Röntgen-Interferometer bestimmen, während das Volumen der gesamten Silickumkugel ebenfalls interferometrisch ermittelt wurde. Aus diesen Werten lässt sich die Anzahl N an Si-Atomen in der Kugel berechnen. Unter Einbezug der molaren Masse von Silicium sowie der Masse der Kugel konnte man dann aus wenigen Messgrößen die Avogadro-Konstante mit bisher nie erreichter Genauigkeit bestimmen. 

Die Folgen für die Praxis

Das neue SI-System basiert nun auf Naturkonstanten und nicht mehr auf zu vermessende Prototypen wie dem Urkilogramm oder dem Urmeter, mit denen eine größere Messunsicherheit verbunden ist. Mit Blick auf die Laborpraxis und die Schule wird die Änderung des SI-Systems insofern eine Veränderung darstellen, alsdass Schülerinnen und Schüler sowie Studierende neue Definitionen erlernen müssen. Eine Veränderung an Messwerten, Grenzwerten o.ä. wird es aller Voraussicht nicht geben. Doch mit der Umstellung des SI-Systems ist ein grundlegender Wandel des Blickwinkels verbunden, der in Schule und Hochschule Anlass einer Diskussion um die Bedeutung von Größen und Einheiten sein kann.


Zum Weiterlesen:

Verschiedene Materialien der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Link

u.a. eine Broschüre aller aktueller Definitionen: https://www.ptb.de/cms/fileadmin/internet/presse_aktuelles/broschueren/intern_einheitensystem/Einheiten_deutsch.pdf

[1] DIN1301 in PTB-Mitteilungen 117 (2007) Heft 2: https://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/zeitschriften-magazine/ptb-mitteilungen/verzeichnis-der-ptb-mitteilungen/ptb-mitteilungen-2007/heft-2-das-internationale-einheitensystem-si.html

 

[2] Stosch, R., Rienitz, O., Pramann, A. und Güttler, B. (2019): Eine neu definierte SI-Einheit für die Chemie. Wie viele Moleküle enthält ein Mol? ChiuZ,  (2019) Heft 53, S. 256-262; DOI: 10.1002/ciuz.201900014

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