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RÉSUMÉ
Le nombre d'Avogadro est un invariant physique qui a été proposé comme une hypothèse en 1811, et conceptuellement défini seulement en 1955. Sa détermination est toujours au centre de recherches actuelles. Fortement connecté à de nombreuses unités du système international, une vaste collaboration internationale cherche à "compter" les atomes contenus dans des sphères d'un kilogramme d'un monocristal presque parfait de silicium enrichi en 28Si, afin d'obtenir une valeur plus précise du kilogramme-étalon ce qui permettra en retour de déterminer la constante d'Avogadro.
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Mireille DEFRANCESCHI : Agrégée de chimie - Docteur d'État en sciences physiques
INTRODUCTION
Le nombre d'Avogadro est une des constantes fondamentales. Elle est utilisée par les chimistes pour relier le monde microscopique des molécules à celui macroscopique des expériences et par les physiciens pour définir la masse des objets à partir de leurs constituants élémentaires.
En chimie, on doit tantôt parler de grandes quantités de matière, tantôt de petites. En pratique, un chimiste doit exprimer une « équation chimique » en termes d'atomes ou de molécules et la convertir en termes de masse. On ne peut évidemment pas compter le nombre d'atomes ou de molécules contenus dans un échantillon de matière. Le nombre d'Avogadro permet de compter des particules en mesurant leur masse. Étroitement liée au nombre d'Avogadro, la notion de mole permet de faire le lien entre le monde microscopique des atomes et molécules et le monde macroscopique des grammes, kilogrammes, etc. La connaissance de la constante d'Avogadro permet ainsi la détermination des masses molaires et le prélèvement de quantités de matière d'espèces chimiques.
En physique atomique et moléculaire, on utilise la constante de masse atomique (symbole m u) ou unité de masse atomique unifiée (symbole u) :
avec
nombre d'Avogadro, ce qui donne 1 u = 1,66054 × 10–27 kg.
Le nombre d'Avogadro, ou constante d'Avogadro,
est le nombre d'atomes ou de molécules (sans interaction, au repos et dans leur état fondamental) par mole de substance pure, c'est-à-dire le nombre d'atomes de 12C contenus dans 12 g exactement de carbone 12. Donc ce nombre permet d'exprimer la masse d'un atome de 12C, m(12C), par la relation :
où M (12C) = 12 g · mol–1 est la masse molaire du carbone 12.
relie bien les échelles microscopique et macroscopique.
De par sa définition, la constante d'Avogadro possède une dimension, l'inverse d'une quantité de matière et une unité d'expression dans le système international d'unités (SI) : la mole à la puissance moins un, de symbole mol–1.
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4. Vers une détermination à …
De nos jours, les unités de mesures du SI sont définies de manière extrêmement précise. Ainsi, le mètre est défini en fonction de la vitesse de la lumière dans le vide ; la seconde est liée à la fréquence d'un rayonnement émis par l'atome de césium 133 lors de la transition entre deux niveaux d'énergie. Par contre, l'unité de base de masse, le kilogramme, a été définie, en 1889 par la première Conférence générale des Poids et Mesures, comme étant la masse d'un cylindre étalon d'un alliage de platine (90 %) et d'iridium (10 %) conservé sous vide et déposé au Bureau international des Poids et Mesures depuis plus d'un siècle. Il existe 80 copies de ce cylindre à travers le monde, qui permettent aux différents états de posséder leur propre version de l'étalon de référence. Mais il a été constaté depuis quelques dizaines d'années des variations de masse significatives, de l'ordre de 50 microgrammes, entre ces différents cylindres, ce qui suggère une instabilité des étalons, et donc ultimement de la définition donnée au kilogramme.
Il est donc apparu important de redéfinir cette unité, et c'est pourquoi la Conférence générale des Poids et Mesures (CGPM) a convenu de fixer une nouvelle définition. Le 21 octobre 2011, la CGPM a pris une résolution déclarant que le kilogramme, l'ampère, le kelvin et la mole seraient redéfinis en termes d'invariants ; les nouvelles définitions devant utiliser des valeurs numériques fixes de la constante de Planck
, la charge élémentaire e, la constante de Boltzmann k B , et du nombre d'Avogadro
. Dans le nouveau système, le kilogramme sera défini en fixant la valeur de la constante de Planck
, égale à 6,626 06X × 10–34 J · s. (le « X » final représente...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AVOGADRO (A.) - Essai d'une manière de déterminer les masses relatives des molécules élémentaires des corps, et les proportions selon lesquelles elles entrent dans ces combinaisons. - Journal de Physique, 73, p. 58-76 (1811).
-
(2) - KASTLER (A.) - Le concept d'atomes depuis cent ans. - Journal de Physique Colloque C10, supplément au no 11-12, Tome 34, p. C10-33, nov.-déc. 1973 http://www.dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19731004.
-
(3) - LOSCHMIDT (J.) - Zur Größe der Luftmoleküle Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften. - Wien, 52(2), p. 395-413 (1865).
-
(4) - PLANCK (M.) - On the law of distribution of energy in the normal spectrum. - Annalen der Physik, vol. 4, p. 553 ff (1901).
-
(5) - PERRIN (J.) - Mouvement brownien et constantes moléculaires. - C. R. Acad. Sci. Paris, 149, p. 477-479 (1909).
-
...
ANNEXES
Particle data group https://pdg.lbl.gov/
Atomic Mass Data Center http://www.nndc.bnl.gov/amdc/web/amdcw_fr.html
Unité de quantité de matière http://www.bipm.org/fr/si/si_brochure/chapter2/2-1/mole.html
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