Redefinição das unidades de massa e de quantidade de matéria

Transcrição

1 Redefinição das unidades de massa e de quantidade de matéria Maria Filomena Camões mfcamoes@fc.ul.pt 21 de Maio 2018

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3 226,029 g = (113, , , , , , ,704) g

4 PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DA MASSA Nada se cria, nada se perde, tudo se transforma 2 HgO 2Hg + O 2 Antoine Lavoisier ( ) Convenção do Metro 20 Maio 1875 Colaboração na Ciência da Medição

5 IPK- Protótipo Internacional do quilograma, m IPK = 1 kg (BIPM 1889) Cilindro de platina iridiada (90:10); diâmetro e altura de 39 mm 28 de Setembro O BIPM distribui a Portugal - Protótipo nº 10 do Quilograma - Protótipo nº 10 do Metro Padrão

6 1946- MKSA metro/m, quilograma/kg, segundo/s, ampere/a SI kelvin/k e candela/cd Quantidade de matéria (Pt), quantidade de substância (Br), (Amount of substance) mole/mol Medição Processo de obtenção experimental dum ou mais valores que podem ser, razoavelmente, atribuídos a uma grandeza Medida (ou Valor medido de uma grandeza) Valor de uma grandeza que representa um resultado de medição

7 A nova abordagem global Organização de medições à escala internacional Convenção do Metro 1875 CGPM Tratado Diplomático Governos Comissões Consultivas CIPM Organizações Internacionais Laboratoório Nacionais BIPM Novembro de 2007 European Communities, MiC-2

8 HIERARQUIA DO SISTEMA METROLÓGICO BIPM Padrões Nacionais Calibração Unidades do SI Padrões Internacionais Padrões dos Institutos Nacionais de Metrologia Padrões de referência dos laboratórios de calibração acreditados Ensaios Indústria e outros sectores Padrões de referência dos laboratórios de ensaio acreditados Padrões de trabalho dos laboratórios COMPARABILIDADE 8

9 Adequação ao fim em vista (Fitness for the purpose)

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11 25 th Reunião CGPM, Novembro 2014 Critério: Valor da Planck Constant (h) com precisão adequada obtido pela balança de Watt. Meta: incerteza de medição de 2 partes em 10 8, i.e. 20 μg em 1 kg. 26 th Reunião CGPM, Novembro 2018 Aprovação 28 July 2019 A Common Language for Chemistry

12 Massa do protótipo de platina iridiada sancionado pela Conferência Geral de Pesos e Medidas, Paris1889, e que se encontra depositado no Pavilhão Internacional de Pesos e Medidas. Unidade de massa QUIMICA, 148, 42 (2018) 29 A definição proposta, baseada nas equações da relatividade (E=mc 2 ) e de Plank ( E=hν), fixa o quilograma (kg) ao valor numérico da constante de Planck, h= kg m 2 s 1. Uma balança de Watt mede a razão h/m IPK com uma incerteza de 2 partes em 10 8, isto é 20 μg em 1 kg. 7.2 Incerteza associada a medição de massa Quantidade de matéria que contém tantas entidades elementares quantos os átomos que existem em 0,012 kg de C-12 Unidade de quantidade de matéria (quantidade de substância/amount of substance) Uma mole (1mol) passará a ser a quantidade de matéria, quantidade de substância, ou quantidade química, com exactamente entidades elementares. Este número é a constante de Avogadro, N A, expressa em mol 1, e designa-se por número de Avogadro. Uma entidade elementar, pode ser um átomo, uma molécula, um ião, um electrão, ou outra partícula ou grupo de partículas conforme especificado.

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19 Proposta inicial: Medir com maior precisão a Constante de Avogadro (número de átomos de C- 12 presentes em 12 g de C-12 puro), N A fixá-la, e usá-la para a redefinição do quilograma. O projeto criou duas esferas quase perfeitas de um quilograma de monocristal ultra puro (99,995%) de Si-28. O diâmetro nominal de uma esfera de 1 quilograma de Si-28 é de 93,6 mm. As esferas têm variações no diâmetro de no máximo 60 nm, medido com margem de erro inferior a 0,6 nm. Phys. Rev. Lett. 106, (2011), B. Andreas, et al. BIPM decidiu redefinir o quilograma em função da constante de Planck, com a balança de Watt. O projeto Avogadro é complementar ao projeto que utiliza a balança de Watt.

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21 As definições não têm erro Rastreabilidade - propriedade de um resultado de medição pela qual tal resultado pode ser relacionado a uma referência através de uma cadeia ininterrupta e documentada de calibrações, cada uma contribuindo para a incerteza de medição. Joint Committee for Guides in Metrology, International vocabulary of metrology basic and general concepts and associated terms (VIM a ), 21

22 MÁQUINA DO TEMPO O Universo é feito essencialmente de coisa nenhuma. Intervalos, distâncias, buracos, porosidade etérea. Espaço vazio, em suma. O resto, é a matéria. Daí, que este arrepio, este chamá-lo e tê-lo, erguê-lo e defrontá-lo, esta fresta de nada aberta no vazio, deve ser um intervalo. António Gedeão/Rómulo Vasco da Gama de Carvalho Lisboa, Dia Nacional da Cultura Científica

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28 Correctly calculating the number of atoms in a 94-mm diameter sphere requires extraordinary materials. To minimize uncertainties, the Avogadro project scientists rely on measurements taken with what may be the roundest objects in the world: silicon spheres whose surfaces are so flat that if they were blown up to the size of the Earth, the distance between the tallest mountain and deepest ocean would be just 3-5 meters (about feet). The balls are highly enriched, consisting of % silicon-28 with a minimum of the other isotopes found in naturalabundance silicon. This purity simplifies the counting calculations by ensuring that most of the atoms have identical masses, and the sphere's crystalline structure gives its atoms a predictable pattern of spacing. Optical interferometers have allowed researchers to measure the sphere's width to nanometer precision, while x-ray crystallography provides images of the crystal's structure. Currently there are only two of these super-spheres, shared by all the teams within the international collaboration, due to the difficulty and expense of manufacturing them: they each cost about $3.2 million and had to be hand-crafted by a master lens maker.

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34 uniform crystal of silicon-28, carefully machined into spheres with a mass of 1 kg based on the current definition. With precise geometrical information the mass and dimensions of the sphere, as well as the spatial parameters of the silicon's crystal lattice they can use the well-known mass of each individual silicon atom to calculate the total number of atoms in the sphere. And this information, in turn, lets them determine N A. Their best measurement to date is (18)x10 23 mol -1 (constituents per mole) with a relative uncertainty of 30 parts per billion, or 3.0 x (The last two digits, in parentheses, are an expression of absolute uncertainty and can be read as "plus or minus mol -1.")

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