Dalton (unité) - Dalton (unit)

  (Redirigé à partir de la constante de masse atomique )
À ne pas confondre avec les unités atomiques Hartree .
dalton
(unité de masse atomique unifiée)
Système d'unité Constante physique
( acceptée pour une utilisation avec le SI )
Unité de Masse
symbole Da ou u 
Nommé après John Dalton
Les conversions
1 Da ou u dans ... ... est égal à ...
   kg    1,660 539 066 60 (50) × 10 -27
   m u    1
   m e    1 822 0,888 486 209 (53)
   MeV / c 2    931.494 102 42 (28)

Le dalton ou unité de masse atomique unifiée (symboles: Da ou u ) est une unité de masse largement utilisée en physique et en chimie. Il est défini comme 1/12 de la masse d'un atome neutre non lié de carbone-12 dans son état fondamental nucléaire et électronique et au repos . La constante de masse atomique , notée m u , est définie de manière identique, donnant m u = m ( 12 C) / 12 = 1 Da .

Cette unité est couramment utilisée en physique et en chimie pour exprimer la masse d'objets à l'échelle atomique, tels que des atomes , des molécules et des particules élémentaires , à la fois pour des instances discrètes et pour plusieurs types de moyennes d'ensemble. Par exemple, un atome d' hélium-4 a une masse de4,0026 Da . C'est une propriété intrinsèque de l'isotope et tous les hélium-4 ont la même masse. Acide acétylsalicylique (aspirine) , C
9H
8O
4, a une masse moyenne d'environ 180.157 Da . Cependant, il n'y a pas de molécules d'acide acétylsalicylique avec cette masse. Les deux masses les plus courantes de molécules d'acide acétylsalicylique individuelles sont180.042 28  Da et181,045 65  Da .

Les masses moléculaires des protéines , acides nucléiques et autres grands polymères sont souvent exprimées avec les unités kilo daltons (kDa), méga daltons (MDa), etc. La titine , l'une des plus grandes protéines connues , a une masse moléculaire comprise entre 3 et 3,7 mégadaltons. L'ADN du chromosome 1 dans le génome humain a environ 249 millions de paires de bases , chacune avec une masse moyenne d'environ650 Da , ou156 GDa au total.

La mole est une unité de quantité de substance , largement utilisée en chimie et en physique, qui a été définie à l'origine de sorte que la masse d'une mole d'une substance, mesurée en grammes, soit numériquement égale à la masse moyenne d'une de ses particules constitutives , mesuré en daltons. Autrement dit, la masse molaire d'un composé chimique était censée être numériquement égale à sa masse moléculaire moyenne. Par exemple, la masse moyenne d'une molécule d' eau est d'environ 18,0153 daltons et une mole d'eau est d'environ 18,0153 grammes. Une protéine dont la molécule a une masse moyenne de64 kDa auraient une masse molaire de64 kg / mol . Cependant, si cette égalité peut être supposée à presque toutes les fins pratiques, elle n'est plus qu'approximative, en raison de la façon dont la taupe a été redéfinie le 20 mai 2019 .

En général, la masse en daltons d'un atome est numériquement proche, mais pas exactement égale au nombre de nucléons A contenus dans son noyau . Il s'ensuit que la masse molaire d'un composé (grammes par mole) est numériquement proche du nombre moyen de nucléons contenus dans chaque molécule. Par définition, la masse d'un atome de carbone-12 est de 12 daltons, ce qui correspond au nombre de nucléons qu'il possède (6 protons et 6 neutrons ). Cependant, la masse d'un objet à l'échelle atomique est affectée par l' énergie de liaison des nucléons dans ses noyaux atomiques, ainsi que par la masse et l'énergie de liaison de ses électrons . Par conséquent, cette égalité ne vaut que pour l'atome de carbone-12 dans les conditions énoncées et variera pour d'autres substances. Par exemple, la masse d'un atome non lié de l' isotope commun de l' hydrogène ( hydrogène-1 , protium) est1,007 825 032 241 (94) Da , la masse d'un neutron libre est1,008 664 915 95 (49) Da , et la masse d'un atome d'hydrogène-2 (deutérium) est2,014 101 778 114 (122) Da . En général, la différence ( défaut de masse ) est inférieure à 0,1%; les exceptions incluent l'hydrogène-1 (environ 0,8%), l' hélium-3 (0,5%), le lithium (0,25%) et le béryllium (0,15%).

L'unité de masse atomique unifiée et le dalton ne doivent pas être confondus avec l'unité de masse dans les systèmes d'unités atomiques , qui est à la place la masse au repos des électrons ( m e ).

Équivalents énergétiques

La constante de masse atomique peut également être exprimée comme son équivalent énergétique , c'est-à-dire m u c 2 . Les valeurs recommandées pour 2018 CODATA sont:

1,492 418 085 60 (45) × 10 -10  J
931,494 102 42 (28) MeV

Le mégaélectronvolt (MeV) est couramment utilisé comme unité de masse en physique des particules , et ces valeurs sont également importantes pour la détermination pratique des masses atomiques relatives.

Histoire

Origine du concept

Jean Perrin en 1926

L'interprétation de la loi des proportions définies en termes de la théorie atomique de la matière impliquait que les masses d'atomes de divers éléments avaient des rapports définis qui dépendaient des éléments. Alors que les masses réelles étaient inconnues, les masses relatives pouvaient être déduites de cette loi. En 1803, John Dalton proposa d'utiliser la masse atomique (encore inconnue) de l'atome le plus léger, celui de l'hydrogène, comme unité naturelle de masse atomique. C'était la base de l' échelle de poids atomique .

Pour des raisons techniques, en 1898, le chimiste Wilhelm Ostwald et d'autres ont proposé de redéfinir l'unité de masse atomique comme 1/16 de la masse d'un atome d'oxygène. Cette proposition a été formellement adoptée par le Comité international des poids atomiques (ICAW) en 1903. C'était approximativement la masse d'un atome d'hydrogène, mais l'oxygène se prêtait mieux à une détermination expérimentale. Cette suggestion a été faite avant la découverte de l'existence d'isotopes élémentaires, qui s'est produite en 1912. La même définition a été adoptée en 1909 le physicien Jean Perrin dans ses nombreuses expériences pour déterminer les masses atomiques et la constante d'Avogadro. Cette définition est restée inchangée jusqu'en 1961. Perrin a également défini la «mole» comme une quantité d'un composé contenant autant de molécules que 32 grammes d'oxygène ( O
2). Il a appelé ce numéro le numéro Avogadro en l'honneur du physicien Amedeo Avogadro .

Variation isotopique

La découverte des isotopes de l'oxygène en 1929 a nécessité une définition plus précise de l'unité. Malheureusement, deux définitions distinctes sont entrées en vigueur. Les chimistes choisissent de définir l'UMA comme 1/16 de la masse moyenne d'un atome d'oxygène que l'on trouve dans la nature; c'est-à-dire la moyenne des masses des isotopes connus, pondérée par leur abondance naturelle. Les physiciens, en revanche, l'ont défini comme 1/16 de la masse d'un atome de l'isotope oxygène-16 ( 16 O).

Définition par l'IUPAC

L'existence de deux unités distinctes portant le même nom prêtait à confusion, et la différence (environ 1.000 282 en termes relatifs) était suffisamment grand pour affecter des mesures de haute précision. De plus, il a été découvert que les isotopes de l'oxygène avaient des abondances naturelles différentes dans l'eau et dans l'air. Pour ces raisons et d’autres, en 1961 l’ Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA), qui avait absorbé l’ICAW, a adopté une nouvelle définition de l’unité de masse atomique à utiliser à la fois en physique et en chimie; à savoir, 1/12 de la masse d'un atome de carbone 12. Cette nouvelle valeur était intermédiaire entre les deux définitions précédentes, mais plus proche de celle utilisée par les chimistes (qui seraient les plus affectés par le changement).

La nouvelle unité a été nommée «unité de masse atomique unifiée» et a reçu un nouveau symbole «u», pour remplacer l'ancien «amu» qui avait été utilisé pour les unités à base d'oxygène. Cependant, l'ancien symbole «amu» a parfois été utilisé, après 1961, pour désigner la nouvelle unité, en particulier dans des contextes profanes et préparatoires.

Avec cette nouvelle définition, le poids atomique standard du carbone est d'environ12,011 Da , et celle de l'oxygène est d'environ15,999 Da . Ces valeurs, généralement utilisées en chimie, sont basées sur les moyennes de nombreux échantillons de la croûte terrestre , de son atmosphère et de matières organiques .

Adoption par le BIPM

La définition IUPAC 1961 de l'unité de masse atomique unifiée, avec ce nom et ce symbole "u", a été adoptée par le Bureau international des poids et mesures (BIPM) en 1971 comme " unité non SI acceptée pour être utilisée avec le SI ".

Le Dalton

En 1993, l'UICPA a proposé le nom plus court «dalton» (avec le symbole «Da») pour l'unité de masse atomique unifiée. Comme avec d'autres noms d'unité tels que watt et newton, «dalton» n'est pas en majuscule en anglais, mais son symbole, «Da», est en majuscule. Le nom a été approuvé par l' Union internationale de physique pure et appliquée (IUPAP) en 2005.

En 2003, le nom a été recommandé au BIPM par le Comité consultatif des unités , qui fait partie du CIPM , car il "est plus court et fonctionne mieux avec les préfixes [SI]". En 2006, le BIPM a inclus le dalton dans sa 8e édition de la définition formelle du SI . Le nom a également été répertorié comme une alternative à "unité de masse atomique unifiée" par l' Organisation internationale de normalisation en 2009. Il est maintenant recommandé par plusieurs éditeurs scientifiques, et certains d'entre eux considèrent "unité de masse atomique" et "amu" obsolètes. En 2019, le BIPM a retenu le dalton dans sa 9e édition de la définition formelle du SI tout en supprimant l'unité de masse atomique unifiée de son tableau des unités non-SI acceptées pour une utilisation avec le SI , mais note secondairement que le dalton (Da) et l'unité de masse atomique unifiée (u) sont des noms alternatifs (et des symboles) pour la même unité.

Une proposition

Une proposition a été faite en 2012 pour redéfinir le dalton (et vraisemblablement l'unité de masse atomique unifiée) comme étant 1 / N grammes, rompant ainsi le lien avec 12 C.Cela impliquerait des changements dans les masses atomiques de tous les éléments exprimés en daltons, mais le changement serait trop petit pour avoir des effets pratiques.

Redéfinition 2019 des unités de base SI

La définition du dalton n'a pas été affectée par la redéfinition de 2019 des unités de base SI , c'est-à-dire que 1 Da dans le SI représente toujours 1/12 de la masse d'un atome de carbone-12, une quantité qui doit être déterminée expérimentalement en termes de Unités SI. Cependant, la définition d'une taupe a été modifiée pour être la quantité de substance consistant exactement en6.022 140 76 × 10 23 entités et la définition du kilogramme a également été modifiée. En conséquence, la constante de masse molaire n'est plus exactement de 1 g / mol, ce qui signifie que le nombre de grammes dans la masse d'une mole de toute substance n'est plus exactement égal au nombre de daltons dans sa masse moléculaire moyenne.

La mesure

Bien que les masses atomiques relatives soient définies pour les atomes neutres, elles sont mesurées (par spectrométrie de masse ) pour les ions: par conséquent, les valeurs mesurées doivent être corrigées pour la masse des électrons qui ont été éliminés pour former les ions, ainsi que pour l'équivalent de masse de l' énergie de liaison électronique , E b / m u c 2 . L'énergie de liaison totale des six électrons dans un atome de carbone-12 est de 1030,1089 eV = 1,650 4163 × 10 −16 J : E b / m u c 2  = 1,105 8674 × 10 −6 , soit environ une partie sur 10 millions de masse de l'atome.

Avant la redéfinition des unités SI en 2019, les expériences visaient à déterminer la valeur de la constante d'Avogadro pour trouver la valeur de l'unité de masse atomique unifiée.

Josef Loschmidt

Josef Loschmidt

Une valeur raisonnablement précise de l'unité de masse atomique a d'abord été obtenue indirectement par Josef Loschmidt en 1865, en estimant le nombre de particules dans un volume donné de gaz.

Jean Perrin

Perrin a estimé le nombre d'Avogadro par diverses méthodes, au tournant du 20e siècle. Il a reçu le prix Nobel de physique 1926 , en grande partie pour ce travail.

Coulométrie

La charge électrique par mole d'électrons est une constante appelée constante de Faraday , dont la valeur était essentiellement connue depuis 1834 lorsque Michael Faraday a publié ses travaux sur l'électrolyse . En 1910, Robert Millikan a obtenu la première mesure de la charge sur un électron , e . Le quotient F / e a fourni une estimation du nombre d'Avogadro.

L'expérience classique est celle de Bower et Davis au NIST , et repose sur la dissolution du métal argenté loin de l' anode d'une cellule d' électrolyse , tout en faisant passer un courant électrique constant I pendant un temps t connu . Si m est la masse d'argent perdue par l'anode et A r le poids atomique de l'argent, alors la constante de Faraday est donnée par:

Les scientifiques du NIST ont conçu une méthode pour compenser la perte d'argent de l'anode par des causes mécaniques et ont effectué une analyse isotopique de l'argent utilisé pour déterminer son poids atomique. Leur valeur pour la constante de Faraday conventionnelle était F 90  =96 485 0,39 (13) C / mol , ce qui correspond à une valeur pour la constante d' Avogadro de6,022 1449 (78) × 10 23  mol −1 : les deux valeurs ont une incertitude-type relative de1,3 × 10 −6 .

Mesure de masse électronique

En pratique, la constante de masse atomique est déterminée à partir de la masse au repos de l' électron m e et de la masse atomique relative de l' électron A r (e) (c'est-à-dire la masse de l'électron divisée par la constante de masse atomique). La masse atomique relative de l'électron peut être mesurée dans des expériences de cyclotron , tandis que la masse au repos de l'électron peut être dérivée d'autres constantes physiques.

où c est la vitesse de la lumière , h est la constante de Planck , α est la constante de structure fine et R ∞ est la constante de Rydberg .

Comme on peut le constater à partir des anciennes valeurs (CODATA 2014) dans le tableau ci-dessous, le principal facteur limitant de la précision de la constante d'Avogadro était l'incertitude sur la valeur de la constante de Planck , car toutes les autres constantes qui contribuent au calcul étaient connu plus précisément.

Constant symbole Valeurs CODATA 2014 Incertitude type relative Coefficient de corrélation

avec N A

Rapport de masse proton-électron m p / m e 1836,152 673 89 (17) 9,5 × 10 –11 −0,0003
Constante de masse molaire M u 0,001 kg / mol = 1 g / mol 0 (défini)  -
Constante de Rydberg R ∞ 10 973 731,568 508 (65) m −1 5,9 × 10 –12 −0,0002
Constante de Planck h 6,626 070 040 (81) × 10 - 34 J s 1,2 × 10 –8 −0,9993
Vitesse de la lumière c 299 792 458 m / s 0 (défini)  -
Constante de structure fine α 7,297 352 5664 (17) × 10 –3 2,3 × 10 –10 0,0193
Constante d'Avogadro N A 6,022 140 857 (74) × 10 23 mol −1 1,2 × 10 –8 1

La puissance des valeurs actuellement définies des constantes universelles peut être comprise dans le tableau ci-dessous (2018 CODATA).

Constant symbole Valeurs CODATA 2018 Incertitude type relative Coefficient de corrélation
avec N A
Rapport de masse proton-électron m p / m e 1836.152 673 43 (11) 6,0 × 10 –11  -
Constante de masse molaire M u 0,999 999 999 65 (30) × 10 –3 kg / mol 3,0 × 10 –10  -
Constante de Rydberg R ∞ 10973731.568 160 (21) m −1 1,9 × 10 –12  -
Constante de Planck h 6,626 070 15 × 10 - 34 J s 0 (défini)  -
Vitesse de la lumière c 299 792 458 m / s 0 (défini)  -
Constante de structure fine α 7,297 352 5693 (11) × 10 –3 1,5 × 10 –10  -
Constante d'Avogadro N A 6,022 140 76 × 10 23 mol −1 0 (défini)  -

Méthodes de densité cristalline aux rayons X

Modèle boule et bâton de la cellule unitaire de silicium . La diffraction des rayons X mesure le paramètre de cellule, a , qui est utilisé pour calculer une valeur pour la constante d'Avogadro.

Les monocristaux de silicium peuvent être produits aujourd'hui dans des installations commerciales avec une pureté extrêmement élevée et avec peu de défauts de réseau. Cette méthode définit la constante d'Avogadro comme le rapport du volume molaire , V m , au volume atomique V atome :

Où et n est le nombre d'atomes par cellule unitaire du volume V cellule .

La cellule unitaire de silicium a un agencement de garnissage cubique de 8 atomes, et le volume de cellule unitaire peut être mesuré en déterminant un paramètre de cellule unitaire unique, la longueur a de l'un des côtés du cube. La valeur CODATA 2018 d' un pour le silicium est5,431 020 511 (89) × 10 -10  m .

En pratique, les mesures sont effectuées sur une distance dite d 220 (Si), qui est la distance entre les plans notée par les indices de Miller {220}, et est égale à a / √ 8 .

La composition proportionnelle isotopique de l'échantillon utilisé doit être mesurée et prise en compte. Le silicium est présent dans trois isotopes stables ( 28 Si, 29 Si, 30 Si) et la variation naturelle de leurs proportions est plus grande que les autres incertitudes dans les mesures. Le poids atomique A r pour le cristal échantillon peut être calculé, car les poids atomiques standard des trois nucléides sont connus avec une grande précision. Ceci, associé à la densité mesurée ρ de l'échantillon, permet de déterminer le volume molaire V m :

où M u est la constante de masse molaire. La valeur CODATA 2018 pour le volume molaire de silicium est1,205 883 199 (60) x 10 -5  m 3 ⋅mol -1 , avec une incertitude relative de la norme4,9 × 10 −8 .

Voir également

Les références

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