Eine neue Definition für das Mol auf der Grundlage der Avogadro-Konstante: Eine Reise von der Physik zur Chemie

Einführung

Die Ideen, die unserer heutigen Verwendung der Stoffmenge und ihrer Basiseinheit, dem Mol, zugrunde liegen, haben sich seit den frühesten Zeiten entwickelt, als Wissenschaftler die Beobachtung quantifizieren mussten, dass Materie, die chemisch reagiert, dies nicht einfach in gleichen Massen der beteiligten Proben tut.

Die Entwicklung der dem Mol zugrundeliegenden Ideen vom siebzehnten bis zum neunzehnten Jahrhundert ist bereits erörtert worden. Darüber hinaus wurde die Geschichte der Avogadro-Konstante besprochen. Die parallelen Entwicklungen im Verständnis der Stoffmenge, deren Basiseinheit das Mol ist, wurden jedoch nicht im Detail erörtert. In diesem Beitrag wird gezeigt, wie das „Gramm-Molekül“ – eine Einheit, die im 19. Jahrhundert für den praktischen Gebrauch erfunden wurde – entwickelt wurde, um die Grundlage für die aktuelle Definition zu bilden, die 1971 für das Mol vereinbart wurde. Er veranschaulicht, wie sich unser Verständnis der drei miteinander verbundenen Begriffe Mol, Stoffmenge und Avogadro-Konstante entwickelt hat und wie diese Veränderungen die Ausrichtung der wichtigsten Protagonisten entweder auf die Physik oder die Chemie widerspiegeln. Abschließend wird erörtert, ob die derzeitige Verwendung des Begriffs „Stoffmenge“ mit der derzeitigen Definition des Mols vollständig vereinbar ist und ob diese Inkonsistenz durch die Annahme einer Definition des Mols auf der Grundlage einer festen Anzahl von Einheiten beseitigt werden könnte.

Das Gramm-Molekül

Die Ideen, die unserem modernen Verständnis von Thermodynamik und kinetischer Theorie zugrunde liegen, wurden im neunzehnten Jahrhundert entwickelt. Im Mittelpunkt dieser Entwicklungen stand die Entdeckung, dass chemisch reagierende Stoffe nicht einfach zwischen gleichen Massen der beteiligten Proben reagieren. Die Untersuchung dieses Phänomens wird heute als „Stöchiometrie“ bezeichnet, definiert als:

Eine weitere Entwicklung im 19. Jahrhundert, die für unser modernes Verständnis der chemischen Natur der Materie von zentraler Bedeutung war, war die Beobachtung von Avogadro, dass „gleiche Volumina idealer oder perfekter Gase bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl von Teilchen oder Molekülen enthalten“. Dies ist heute als Avogadrosches Gesetz bekannt. Es liefert die Motivation für die Formulierung von Ausdrücken für die Menge einer Probe, die mit einer anderen Probe reagiert. Das bemerkenswerteste Beispiel für eine solche Formulierung ist das Gramm-Molekül, das sowohl für eine Einheit als auch für eine Menge verwendet wurde. Jahrhunderts zu betrachten.

(a) Ostwald und Nernst

Als Ostwald und Nernst ihre Lehrbücher schrieben, die beide 1893 veröffentlicht wurden, war der Begriff „Grammmolekül“ allgemein gebräuchlich. Ein typisches Beispiel für seine Verwendung durch diese Autoren ist „der Druck, den ein Gramm-Molekül eines Gases auf die Wände eines Gefäßes ausüben würde…“. Der Satz bezieht sich jedoch weder auf die Masse der Probe noch auf die Anzahl der darin enthaltenen Einheiten. Er wird einfach als Standardformulierung für die „Größe“ der Probe verwendet. In diesen Texten findet sich auch das, was allgemein als erstes Zitat für die Verwendung des Wortes Mol als Abkürzung für Gramm-Molekül gilt: „…ein g.-Molekel oder ein Mol…“.

(b) Einstein

Einstein liefert ein Beispiel für die Verwendung des Begriffs Gramm-Molekül in seinen 1905 veröffentlichten Forschungsarbeiten. Er ist besonders interessant, weil er in der Forschung verwendet wurde, die zu einer der ersten Bestimmungen dessen führte, was wir heute die Avogadro-Konstante nennen. Sie wurde zu einer Zeit veröffentlicht, als die „atomistische Hypothese“ in der Chemie zu einer Selbstverständlichkeit geworden war, aber in der Physik noch nicht allgemein anerkannt wurde. Einstein war ein Befürworter der Hypothese und hatte einen Einblick in die Art und Weise, wie die Gesetze der Thermodynamik und der kinetischen Theorie zusammengebracht werden konnten, um eine unwiderlegbare Unterstützung für die Hypothese zu liefern, die auf der makroskopischen Skala beobachtbar war.

Einsteins Argumentation begann mit der von van’t Hoff abgeleiteten Formel für den osmotischen Druck (Π) in einer Lösung bei der Temperatur T,

mit der er die Gaskonstante R und die Variable z einführte. Anschließend setzte er z=n/N „wobei n Schwebeteilchen vorhanden sind … und …N die tatsächliche Anzahl der in einem Grammmolekül enthaltenen Moleküle bezeichnet“. (Als Einsteins Argument von Langevin überarbeitet wurde, verwendete auch er dieselbe Terminologie). Das Argument führt zur Ableitung der Stokes-Sutherland-Einstein-Formel, die umformuliert werden kann zu:

wobei N die „tatsächliche Anzahl der in einem Gramm-Molekül enthaltenen Moleküle“ ist, a der Radius der Teilchen, η die Viskosität der Lösung, T die Temperatur, R ist die ideale Gaskonstante (Einstein erklärt dieses Symbol in seinem Text nicht) und D ist der Diffusionskoeffizient, der durch mikroskopische Beobachtung der mittleren quadratischen Verschiebung eines Teilchens in der Zeit t mitgemessen werden kann.

In einer Veröffentlichung im folgenden Jahr überarbeitete Einstein ein Argument aus seiner Doktorarbeit, um eine Formel für die Änderung der Viskosität einer Lösung abzuleiten, wenn Moleküle mit dem Radius a in ihr gelöst werden. In einem ersten Schritt entwickelte er eine Formel, die die Änderung der Viskosität mit dem Gesamtvolumen der gelösten Moleküle pro Volumeneinheit der Lösung verknüpft. Diese Formel konnte umgestellt werden und ergab

wobei M das Molekulargewicht der gelösten Moleküle, a der Radius der Teilchen, ρ die Masse der gelösten Substanz pro Volumeneinheit der Lösung, η die Viskosität des Lösungsmittels und η* die Viskosität der Lösung ist.

In beiden Fällen wird das Gramm-Molekül in das Argument eingeführt, um die Anzahl der Moleküle in einer Probe zu quantifizieren. Die Kombination der Formeln (2.2) und (2.3) ermöglichte es ihm, die tatsächliche Anzahl der in einem Grammmolekül enthaltenen Moleküle (N) zu bestimmen und einen Wert von 6,56×1023 zu erreichen.

(c) Perrin

Im Jahr 1909 führte Perrin weitere Messungen der Brownschen Bewegung von Teilchen durch, die es ihm zusammen mit den von Einstein abgeleiteten Formeln ermöglichten, einen Wert von 6,7×1023 für N zu bestimmen. Perrin erklärte deutlich, wie er das Grammmolekül verwendete:

In der gleichen Publikation schlug er dann vor: „Diese unveränderliche Zahl N ist eine universelle Konstante, die passenderweise als Avogadro-Konstante bezeichnet werden kann. Wenn diese Konstante bekannt ist, ist die Masse eines jeden Moleküls bekannt.“

Diese Beispiele veranschaulichen zwei konzeptionell unterschiedliche Ansätze für die Verwendung des Gramm-Moleküls. In einem Fall (von Einstein) wird es für die Anzahl der Moleküle verwendet, im anderen Fall (von Perrin) für die Masse eines Stoffes, die nach seinem Atomgewicht angegeben wird.

Fortschritte bei der Bestimmung der Avogadro-Konstante

Einstein bedankte sich bei Perrin für seine Arbeit: „Ich hätte es für unmöglich gehalten, die Brownsche Bewegung mit solcher Präzision zu untersuchen; es ist ein Glück für dieses Material, dass Sie es aufgegriffen haben“.

Der nächste wichtige Fortschritt in der Geschichte der Avogadro-Konstante war die Entwicklung einer neuen Methode, die auf einer ganz anderen Physik beruhte. Sie erforderte den Einsatz der Röntgenkristalldiffraktion (XRCD) zur Messung der Dimension der Einheitszelle in einem Kristall und eine Messung des Atomgewichts des Materials. Daraus ergab sich die Dichte der Einheitszelle des Kristalls (ausgedrückt in einheitlichen Atommasseneinheiten), die durch Vergleich mit einer Messung der Dichte des Kristalls als Ganzes (ausgedrückt in Kilogramm) die Bestimmung der Avogadro-Konstante ermöglichte. Dies ist die gleiche Methode, die auch heute noch angewandt wird.

Die erste Anwendung der Methode war auf Einkristalle von Calcit. Die größte Einschränkung der Methode lag damals in der Bestimmung der Länge der Einheitszelle des Kristalls. Die Röntgenwellenlängen wurden in Bezug auf die Siegbahn’sche x-Einheit gemessen, die durch den Gitterabstand einer Spaltungsebene von „reinstem Calcit“ definiert war. Auf diese Weise übertraf die Präzision der Messung die Genauigkeit, mit der die absoluten Werte (in der SI-Einheit Meter) bekannt waren. Mitte der 1960er Jahre veröffentlichte Bearden eine Neubewertung aller Röntgendaten und korrigierte die Wellenlängen (so weit wie möglich) auf fünf Standardlinien. Diese Änderungen des Wertes von Siegbahns x-Einheit führten zusammen mit einer kleinen Änderung aufgrund der Einführung der 12C-Skala für relative Atommassen anstelle der 16O-Skala zu relativen Änderungen von 450 ppm (entsprechend sechs Standard-Unsicherheitsintervallen) bei den akzeptierten Werten der Avogadro-Konstante im Zeitraum von 1953 bis 1965.

Die nächste große Verbesserung der Unsicherheit der Avogadro-Konstante kam mit der ersten Messung auf der Grundlage eines reinen Siliziumkristalls. Die Anwendung der XRCD-Methoden auf einen Siliziumkristall in Verbindung mit der Verwendung einer Röntgenmethode, die einen Wert für die Gitterkonstante im SI-Meter liefert, war ein Durchbruch. Die Unsicherheit des Ergebnisses wurde dann von der Bestimmung der chemischen Reinheit des Artefakts und der Messung seines Atomgewichts beherrscht. Zum ersten Mal in der Geschichte der Avogadro-Konstante waren die wichtigsten Einschränkungen bei der Messung eher chemischer als physikalischer Natur.

Der jüngste Fortschritt bei der Anwendung der XRCD-Methode war die Verwendung eines Silizium-Einkristalls, der stark mit dem Isotop 28Si angereichert ist. Dieser Ansatz wurde von Deslattes als der beste Weg zur Minimierung der Unsicherheit bei der Messung des Atomgewichts vorausgesehen und wird an anderer Stelle beschrieben.

Die „chemische Masseneinheit“, die „Molzahl“ und die Stoffmenge

Obwohl Verbesserungen in den experimentellen Methoden der Physik während des zwanzigsten Jahrhunderts die Bestimmung der Avogadro-Konstante mit immer geringerer Unsicherheit ermöglichten, ist es schwierig, Belege für ein ähnliches Interesse an der Formalisierung des Begriffs „Gramm-Molekül“ zu finden. Stille erläuterte in seinem Text über Metrologie ausführlich, wie der Begriff Mol zu dieser Zeit verwendet wurde. Er erläuterte, dass er in zwei konzeptionell unterschiedlichen Formen verwendet wurde. Die erste war die Verwendung als „chemische Masseneinheit“ durch die Mengengleichung1

, wobei Ar(X) den Zahlenwert des Atomgewichts von X darstellt.

Die zweite Art der Verwendung des Begriffs Mol wurde von Stille als Molzahl bezeichnet, die durch die Gleichung

definiert ist, wobei l die Molzahl, N die Anzahl der Einheiten und L die Loschmidtsche Zahl ist. Die Gleichung (4.2) wird im folgenden Abschnitt in der gängigen Notation angegeben.2

In Stilles Text ist die Molzahl eine dimensionslose Größe. Er plädierte für ihre Beibehaltung in dieser Form anstelle der Einführung eines alternativen deutschen Begriffs Stoffmenge als neue Basiseinheit mit einer damit verbundenen Definition für den Begriff Mol der „Stoffmenge, die so viele Einheiten enthält, wie es in Ar(O) g atomaren Sauerstoffs gibt“.

Einer der Befürworter einer festen metrologischen Grundlage für die chemische Wissenschaft zu dieser Zeit war Guggenheim, der argumentierte, dass „es in der Dimensionsanalyse manchmal nützlich sein kann, die Anzahl der Atome als Dimensionen anzusehen, die sich von einer reinen Zahl unterscheiden“. Er schlug vor, den Begriff „Stoffmenge“ als Bezeichnung für die Menge zu verwenden, für die das Mol die Einheit ist, und begründete seine Wahl mit dem Verweis auf das deutsche Substantiv Stoffmenge.

Die Definition des Mols von 1971

Im Jahr 1970 veröffentlichte die International Union of Pure and Applied Chemists (IUPAC) eine Definition für die Stoffmenge:

Im Text wird auch betont, dass der Begriff „Molzahl“ nicht verwendet werden sollte. Diese Bemerkung wird zwar durch das Beispiel gestützt, dass der Begriff „Anzahl der Kilogramm“ nicht verwendet werden sollte, berücksichtigt aber nicht die oben erwähnte Ansicht von Stille über die Molzahl.3 Daher würde die Gleichung (4.2) in der aktuellen Notation wie folgt geschrieben werden:

wobei {n} der numerische Wert von n, N die Anzahl der Einheiten und {NA} der numerische Wert von NA ist.

Im Jahr 1971 hat die Generalkonferenz für Maß und Gewicht die Definition des Mols, wie sie zuvor von den Internationalen Vereinigungen für Chemie und Physik gebilligt worden war, im Grundsatz übernommen,

Die Definition löste alle Verwirrungen, die durch die Verwendung sowohl des Gramm-Moleküls als auch des Kilogramm-Moleküls als Einheiten und durch die Verwendung einer Skala auf der Grundlage von 12C oder 16O entstanden. Es machte eine Reihe praktischer Einheiten wie das Gramm-Atom, das Gramm-Äquivalent, das Äquivalent, das Gramm-Ion und die Gramm-Formel überflüssig. Sie führte auch die Dimensionsanalyse in die Chemie ein, die heute als wesentlich für die effiziente Verwendung der vielen verschiedenen Größen zur Angabe der Zusammensetzung angesehen wird. Die gewählte Form der Definition spaltete jedoch die von den internationalen Verbänden verwendete Formulierung in zwei Sätze auf und führte damit die qualifizierende Bedingung für die Verwendung des Mols ein, die wir im folgenden Abschnitt erörtern.

Schwierigkeiten mit der Definition des Mols von 1971

Bevor die Argumente für eine Überarbeitung der Definition des Mols erörtert werden, muss betont werden, dass, obwohl vor den Vorschlägen zur Neudefinition von vier Basiseinheiten des SI eine begrenzte Anzahl von Stellungnahmen zu diesem Thema veröffentlicht wurde, nie eine nennenswerte Dynamik für eine Änderung entstanden ist. Dennoch hat die Möglichkeit, vier Basiseinheiten neu zu definieren und die übrigen, einschließlich des Mols, in eine einheitliche Form zu bringen, eine gewisse Dynamik zugunsten einer solchen Änderung ausgelöst.

Obwohl es nie koordinierte Ansichten zugunsten einer solchen Änderung gegeben hat, wurde die Ansicht, dass sich das Mol in gewisser Hinsicht von den anderen Basiseinheiten des SI unterscheidet, von mehreren Autoren vorgeschlagen. Die Argumentation konzentriert sich auf zwei Punkte. Der erste betrifft das Zusammenspiel zwischen den beiden Auffassungen, dass das Mol einerseits einfach eine Anzahl von Einheiten und andererseits einfach eine Masse von Material ist. Diese Auffassungen entsprechen den begrifflich unterschiedlichen Ansätzen der Molzahl und der chemischen Masseneinheit, wie sie von Stille formuliert wurden. Da beide eine solide Grundlage haben, sollten wir anerkennen, dass sie unterschiedliche Verwendungszwecke haben, und sie sollten nebeneinander bestehen dürfen. Der Wortlaut der Definition von 1971 enthält Elemente beider Ansätze.

Der zweite Aspekt, in dem sich das Mol von den anderen Basiseinheiten des SI unterscheidet, ist das Vorhandensein einer „qualifizierenden Bedingung“ für seine Verwendung im zweiten Satz der Definition. Während eine solche qualifizierende Bedingung in den Definitionen der anderen SI-Basiseinheiten nicht vorkommt, handelt es sich dabei nur um eine Aussage über etwas sehr Offensichtliches – dass eine Probe eines Gemisches nur durch die Angabe der Menge aller vorhandenen Komponenten vollständig charakterisiert werden kann. In der Praxis muss sich diese Bedingung nicht von der Beobachtung unterscheiden, dass eine vollständige Angabe der Größe eines Objekts die Messung seiner Länge in vielen verschiedenen Richtungen erfordert.

Eine Definition des Mols auf der Grundlage einer festen Anzahl von Einheiten

Der 1995 gemachte und 2009 präzisierte Vorschlag sah eine Definition des Mols auf der Grundlage einer festen Anzahl von Einheiten vor. Dies wird in der Form ausgedrückt: Das Mol ist die Einheit der Stoffmenge einer bestimmten elementaren Einheit, bei der es sich um ein Atom, ein Molekül, ein Ion, ein Elektron, ein beliebiges anderes Teilchen oder eine bestimmte Gruppe solcher Teilchen handeln kann; seine Größe wird festgelegt, indem der Zahlenwert der Avogadro-Konstante so festgelegt wird, dass er genau 6,02214×1023 beträgt, wenn er in der Einheit Mol-1 ausgedrückt wird.‘

Dies wird hier in einem expliziten Einheitenstil angegeben, um eine Darstellung zu ermöglichen, die mit den vorgeschlagenen überarbeiteten Definitionen für die anderen Basiseinheiten übereinstimmt. Der für NA gewählte Wert wird der beste sein, der zum Zeitpunkt der endgültigen Ratifizierung der Definition zur Verfügung steht.

Eine Folge des Übergangs zu einer Definition des Mols, die auf einer festen Anzahl von Einheiten statt auf einer festen Masse eines bestimmten Materials beruht, ist, dass es einige Änderungen in der Art und Weise geben muss, wie die Definition mathematisch ausgedrückt wird. Die Molmassenkonstante ist von grundlegender Bedeutung für die gegenwärtige Definition des Mols und für seine Verwendung, wie die Formulierung der gegenwärtigen Definition mit dem folgenden Ausdruck zeigt:

Die gegenwärtige Definition setzt die Molmassenkonstante Mu genau auf 10-3 kg mol-1 fest. Daher sind alle Größen in Gleichung (7.1) exakt, da Ar(12C) als Basis der konventionellen Skala der Atomgewichte (relative Molekülmassen) festgelegt ist.

Wenn das Mol auf der Basis einer festen Anzahl von Einheiten neu definiert wird, dann wäre die Masse eines Mols von 12C immer noch gegeben durch

Da aber m(12C) die Masse eines Kohlenstoffatoms ist, die weiterhin eine experimentell bestimmte Größe sein muss, wird M(12C) zu einer experimentell bestimmten Größe. Daher muss auch Mu zu einer experimentell bestimmten Größe mit einer relativen Unsicherheit von 1,4×10-9 werden. Dies wäre zu gering, um in der praktischen Arbeit eine Bedeutung zu haben. Es ist eine praktische Konsequenz der Festlegung von NA, dass Mu eine experimentell bestimmte Größe wird.

Eine Neudefinition der Einheit Mol sollte jedoch unser bestes Verständnis der Größe berücksichtigen, für die sie eine Einheit ist. Wenn wir noch einmal die von Stille (§ 4) gemachte Unterscheidung betrachten, können wir sehen, dass diese vorgeschlagene Definition sich vom Mol, wie es durch Gleichung (4.1) definiert ist, zu etwas bewegt, das konzeptionell viel näher an der Anzahl der Mole liegt, wie sie durch Gleichungen (4.2) und (5.1) definiert ist. Es würde seine explizite Verbindung zur Masse verlieren, die von vielen Chemikern als axiomatisch angesehen wird.

Probleme mit der vorgeschlagenen neuen Definition des Mols

Selbst in der kurzen Zeit, die seit der Veröffentlichung des Vorschlags für eine neue Definition des Mols vergangen ist, wurden verschiedene Gegenmeinungen veröffentlicht. Einer der Einwände gegen den Vorschlag, das Mol auf der Grundlage eines festen Wertes der Avogadro-Konstante neu zu definieren, stützt sich auf das Argument, dass NA keine echte Fundamentalkonstante ist, wie es beispielsweise c, h und e sind. Dieses Argument lässt sich nur schwer aufrechterhalten, da es keinen Konsens darüber gibt, was wirklich eine „fundamentale Konstante“ ist. Es wurden verschiedene Ansichten veröffentlicht, z. B. dass die fundamentalen Konstanten nur diejenigen sind, die dimensionslos sind (z. B. diejenigen, die völlig unabhängig von der Wahl des Einheitensystems sind), oder die Ansicht, dass sie die „Mindestmenge“ von Konstanten sind, aus der alle anderen abgeleitet werden können. Obwohl viele prominente Wissenschaftler zu dieser Debatte beigetragen haben, gibt es keinen Konsens.

Die Frage, um die es hier geht, lautet eigentlich: Ist die Avogadro-Konstante als Grundlage für die Definition einer SI-Basiseinheit geeignet? Es ist klar, dass die Avogadro-Konstante (und ihr Vorläufer „die Anzahl der Moleküle in einem Gramm-Molekül“) seit fast 150 Jahren weit verbreitet ist. Darüber hinaus ist die Bestimmung des besten Wertes für NA heute untrennbar mit dem Prozess der Anpassung der Fundamentalkonstanten nach dem Prinzip der kleinsten Quadrate verbunden. Sie ist für die Chemie „grundlegend“ geworden und spielt eine einzigartige und wichtige Rolle in der Sprache und Praxis der Physik und Chemie.

Das Mol realisieren

Jeder der Basiseinheiten des SI ist ein vereinbarter Text zugeordnet, der angibt, wie sie in der Praxis realisiert werden sollte. Jede dieser Einheiten wird als „mise en pratique“ bezeichnet, und das Mol bildet hier keine Ausnahme. Allerdings ist die Erklärung, wie das Mol realisiert werden soll, viel allgemeiner als die entsprechenden Erklärungen für die anderen Basiseinheiten. Sie besagt im Wesentlichen, dass eine Methode mit einer klar definierten Messgleichung verwendet werden sollte, bei der alle beteiligten Größen in SI-Einheiten ausgedrückt sind. Die wichtigen Merkmale, wie solche primären Methoden verwendet werden können, waren Gegenstand von Diskussionen.

Die am weitesten verbreitete primäre Methode zur Realisierung des Mols ist das Verfahren des Wägens von reinem Material und der Auswertung der Stoffmenge nach der Gleichung

wobei n die Stoffmenge (mol), m die Masse des reinen Stoffes (kg), M(X) die molare Masse von X (mol kg-1), Ar(X) das Atomgewicht (relative Molekülmasse) von X und Mu die Molmassenkonstante (mol kg-1) ist.

In gewisser Hinsicht ist die Gleichung (9.1) eine Spezifizierung der Definition des Mols von 1971, aber sie ist nicht die einzige Methode, mit der das Mol realisiert wird. Sie wäre auch dann noch gültig, wenn eine revidierte Definition der in §7 diskutierten Art eingeführt würde, aber Mu wäre dann eine experimentell bestimmte Größe mit einer sehr geringen Unsicherheit.

In mancher Hinsicht lässt sich das Wesentliche der vorgeschlagenen Definition besser zusammenfassen durch

wobei N die Anzahl der spezifizierten Einheiten in der Probe ist. Dies entspricht der von Stille erörterten Stoffmenge (siehe § 4), und die zugrundeliegenden numerischen Werte sind durch Gleichung (5.1) miteinander verbunden. Sie ist auch äquivalent zu Gleichung (9.1), wie durch die Substitution gezeigt werden kann

Dies veranschaulicht eine weitere interessante Eigenschaft der neuen Definition des Mols – dass die Stoffmenge, die einer Einheit entspricht, genau {NA}-1 wäre. Während die Notwendigkeit, eine so kleine Stoffmenge zu quantifizieren, in der Vergangenheit vielleicht nicht erforderlich war, wurde angedeutet, dass sie bei neuen Anwendungen in den biologischen Wissenschaften nützlich sein könnte.

Abschluss

Zusammenfassend haben wir überprüft, wie sich unsere heutige Verwendung der Stoffmenge aus der praktischen Größe des Gramm-Moleküls entwickelt hat. Bei den frühen veröffentlichten Verwendungen des Begriffs scheint es so zu sein, dass einige Benutzer damit eine Anzahl von Einheiten meinten, andere hingegen eine Masse von Material. Die Unterscheidungen zwischen diesen konzeptionell unterschiedlichen Verwendungen des Begriffs sind subtil und wurden erst von Stille klar erläutert. Es ist ein Irrtum zu behaupten, die Stoffmenge habe nur den Charakter des einen, unter Ausschluss des anderen.

Alle Vorschläge, die für eine künftige Definition der Einheit oder der Stoffmenge diskutiert werden, müssen anerkennen, dass die gegenwärtigen Begriffe äußerst weit verbreitet sind. Es hat immer einige Unterschiede zwischen dem Mol und den anderen Basiseinheiten gegeben. Einer davon ist, dass die zugrundeliegende Größe – die Stoffmenge – sowohl den Charakter einer Stoffmasse (die natürlichste Umsetzung für die Chemie) als auch den einer Anzahl von Einheiten (der natürlichste Ansatz in der Physik) hat. Die derzeitige Definition gibt die Masse eines Mols einer bestimmten reinen Substanz an, aber nicht die Anzahl der Einheiten. Wenn eine überarbeitete Definition auf der Grundlage einer definierten Anzahl von Einheiten angenommen wird, würde die alternative Position bestehen, in der die Anzahl der Einheiten genau spezifiziert ist, die Masse jedoch nicht. Verschiedene Anwendergemeinschaften werden eine solche Änderung unterschiedlich sehen, was wiederum die in § 4 erörterte Diskussion zwischen den relativen Vorzügen der chemischen Masseneinheit, der Molzahl und der Stoffmenge aufwirft.

Bei der Abwägung der Vorzüge einer revidierten Definition des Mols sollte nicht vergessen werden, dass es von keiner der Anwendergemeinschaften des Mols eine sehr geringe Initiative für eine solche Änderung gibt. Ungeachtet dessen hat der Vorschlag, alle Basiseinheiten in eine neue, einheitliche Form zu überführen, eine gewisse Eigendynamik entwickelt, die ausreichen könnte, um eine solche Änderung durchzusetzen.

In der gleichen Weise, wie die Bestimmung der Avogadro-Konstante mit immer geringer werdender Unsicherheit eine Herausforderung für die genauesten physikalischen Experimente war, wird ihre Unsicherheit jetzt von Messungen der Reinheit und des Atomgewichts eines Einkristalls dominiert – alles Fragen der chemischen Messung. Sie hat sich von einer Herausforderung an der Spitze der Physik zu einer Herausforderung an der Spitze der Chemie entwickelt. Daher kann eine Änderung der Definition des Mols als ein Schritt in die entgegengesetzte Richtung angesehen werden, der es näher an die etablierten Ansätze der Physik und weiter weg von seiner allgegenwärtigen Anwendung bei chemischen Messungen bringt.

Fußnoten

Ein Beitrag von 15 zu einer Diskussionsrunde zum Thema ‚Das neue SI auf der Grundlage von Fundamentalkonstanten‘.