Actualidad en Química: ¿Qué es un kilogramo y que va a ser dentro de poco?

Hoy vamos a hablar de "actualidad científica" comentando un tema que no muchos conoceréis: qué es un kilogramo, cómo se mide y que va a pasar con ese kilo en los próximos meses. Vamos a verlo con detalle:

¿Qué es un kilogramo?

El kilogramo, por definición, son mil gramos (gracias Captain Obvious) pero también se define como la masa (que no el peso) de 1000 cm³ de agua pura (un litro, vamos) a 4ºC (en el punto que tiene mínima densidad). Esta definición está concebida para poder ser medida "universalmente" pero en realidad el kilogramo está definido como la masa de un cilindro metálico hecho de una aleación de platino (90%) e iridio (10%) que tiene una altura y un diámetro de 39 milímetros. Este cilindro se encuentra en Sèvres, cerca de París, en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (Bureau International des Poids et Mesures). El problema es que, a causa de los caprichos de la química, hasta un cilindro hecho de platino e iridio puede cambiar de masa con el tiempo.

Por estas razones, todas las unidades básicas (no derivadas de otras, como por ejemplo los km/h) han sido o van a ser redefinidas respecto a su definición inicial, allá por el siglo XIX, con la intención de que su valor pueda ser determinado con más precisión en algunos casos y, en otros, que la medida pueda ser reproducida en cualquier lugar (en muchos casos con instrumental muy sofisticado). Voy a hacer un repaso rápido de las unidades elementales y de los cambios que se van a realizar (o en algunos casos se han realizado) de sus definiciones originales.

Kilogramo (unidad de masa)

Ya he comentado que el kilogramo está definido por un cilindro metálico pero algunos de los prototipos oficiales diseñados a imagen y semejanza de este han ganado hasta 50 microgramos (millonésimas de gramo) en un siglo a causa de la incorporación de moléculas. Pero a partir de la próxima Conferencia General de Pesos y Medidas esto no tendrá importancia: el kilogramo se definirá a través del equilibrio de Watt con su precisa balanza, un experimento que permite comparar la energía mecánica con la electromagnética a través de una corriente y una masa, valiéndose de un láser. Dado que las unidades que definen la corriente eléctrica y el voltaje están definidas en función de constantes fundamentales (velocidad de la luz y constante de Planck), la unidad de masa quedaría también definida en función de constantes absolutas, siendo definido el kilogramo con gran precisión.

Kelvin (unidad de temperatura)

La unidad de temperatura del Sistema Internacional, el Kelvin (no el grado Kelvin), está relacionada con la temperatura y la presión con la cual el agua, el hielo y el vapor de agua coexisten en equilibrio (1/273.16 veces del punto triple del agua, un buen tema para un próximo post). El Kelvin se establecerá a partir de la velocidad del sonido en una esfera resonadora llena de gas en unas circunstancias controladas mediante termometría acústica.

Amperio (unidad de corriente eléctrica)

La definición moderna del amperio, establecida desde 1948, depende de un experimento imaginario en que se genera una fuerza entre dos hilos infinitos al hacer pasar por ellos una corriente eléctrica. En la nueva definición, el amperio será definido por la corriente eléctrica a través de una bomba de electrones superenfriada, que puede medir la carga de un único electrón.

Mol (unidad de materia)

Actualmente, el mol está definido como el número de átomos de carbono 12 (6 protones + 6 neutrones) presentes en 12 g de carbono. Ese número de átomos vendría definido por el número de Avogadro, N_A (6,022·10²³). Esta unidad será redefinida a partir de una esfera de silicio-28 en la que se contarán sus átomos mediante difracción de rayos X.

Segundo (unidad de tiempo)

Esta unidad ya cambió su definición en la década de los sesenta, a partir de la aparición del reloj atómico. En primer lugar se definió como 1/230400 veces el tiempo de rotación de la Tierra (24 h/dia · 60 min/h · 60 s/min = 230400 s/dia). En el año 1967, los relojes atómicos basados en cesio habían conseguido fiabilidad suficiente como para que la Oficina Internacional de Pesas y Medidas eligiera la frecuencia de vibración atómica como nuevo patrón base para la definición de la unidad de tiempo físico. Según este patrón, un segundo se corresponde con 9 192 631 770 ciclos de la radiación asociada a la transición hiperfina desde el estado de reposo del isótopo de cesio-133, siendo ésta la medida aceptada. La precisión de esta medida es tal que los relojes atómicos, como máximo pueden desviarse un segundo en 3700 millones de años.

Metro (unidad de distancia)

Al metro ya le pasó lo que le va a pasar próximamente al kilogramo, existía una vara de platino e iridio en Sèvres, en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, que fue sustituida por la 
definición actual basada en la distancia recorrida por la luz. En primer lugar, en 1795, se definió el metro como la diezmillonésima parte de la distancia del Polo Norte al ecuador pasando por París (ya que puedo hago que me pase por la puerta de casa, normal). Después, en 1889, para tener una referencia se creo la barra de iridio y platino que hemos comentado y, finalmente, en 1983, se definió el metro como la distancia que recorre la luz en el vacío durante un intervalo de 1/299 792 458 de segundo (casi ná).


Todos estos datos fueron publicados en la revista Nature, donde podréis ver dibujos y más detalles de cómo se van a realizar todas estas medidas (el motivo de no ponerlos aquí es de copyright). Ha habido muchos términos que pueden ser susceptibles de un próximo post (punto triple del agua, estructura hiperfina, el mol, difracción de rayos X, isótopos, etc) y si queréis que desarrolle alguno en un próximo post, por favor dejádmelo en los comentarios ⇩, aquí o en Facebook.


Nos vemos pronto.
Cuídate!