Satuan Dalton

Ini didefinisikan sebagai 1/12 massa atom karbon-12 netral tak terikat dalam keadaan dasar nuklir dan elektroniknya dan saat diam. Konstanta massa atom, dilambangkan m_u, didefinisikan secara identik, memberi m_u = m(¹²C)/12 = 1 Da.

Satuan ini biasanya digunakan dalam fisika dan kimia untuk menyatakan massa benda berskala atom, seperti atom, molekul, dan partikel elementer, baik untuk contoh diskrit maupun beberapa jenis rata-rata ansambel. Misalnya, atom helium-4 memiliki massa 4.0026 Da. Ini adalah sifat intrinsik isotop dan semua helium-4 memiliki massa yang sama. Asam asetilsalisilat (aspirin), C₉H₈O₄, memiliki massa rata-rata sekitar 180.157 Da. Namun, tidak ada molekul asam asetilsalisilat dengan massa ini. Dua massa paling umum dari masing-masing molekul asam asetilsalisilat adalah 180,04228 Da dan 181,04565 Da.

Massa molekul protein, asam nukleat, dan polimer besar lainnya sering dinyatakan dengan satuan kilodalton (kDa), megadalton (MDa), dll. Titin, salah satu protein terbesar yang diketahui, memiliki massa molekul antara 3 dan 3,7 megadalton. DNA kromosom-1 dalam genom manusia memiliki sekitar 249 juta pasangan basa, masing-masing dengan massa rata-rata sekitar 650 Da, atau total 156 GDa.

Konstanta massa atom juga dapat dinyatakan sebagai kesetaraan energinya, yaitu m_uc². Nilai yang direkomendasikan CODATA 2018 adalah:

1,49241808560(45)×10⁻¹⁰ J
931,49410242(28) MeV

Megaelektronvolt (MeV) biasanya digunakan sebagai satuan massa dalam fisika partikel, dan nilai ini juga penting untuk penentuan praktis massa atom relatif.

Konsep awal

 

Penafsiran hukum proporsi tertentu dalam kerangka teori atom materi menyiratkan bahwa massa atom dari berbagai unsur memiliki rasio tertentu yang bergantung pada unsur-unsurnya. Sementara massa sebenarnya tidak diketahui, massa relatif dapat disimpulkan dari hukum itu. Pada tahun 1803 John Dalton mengusulkan untuk menggunakan (masih belum diketahui) massa atom dari atom paling ringan, yaitu hidrogen, sebagai satuan alami massa atom. Ini adalah dasar dari skala berat atom.

Karena alasan teknis, pada tahun 1898, ahli kimia Wilhelm Ostwald dan yang lainnya mengusulkan untuk mendefinisikan kembali satuan massa atom sebagai 1/16 massa atom oksigen. Proposal itu secara resmi diadopsi oleh International Committee on Atomic Weights (ICAW) pada tahun 1903. Itu kira-kira massa satu atom hidrogen, tetapi oksigen lebih setuju untuk penentuan eksperimental.

Variasi isotop

Penemuan isotop oksigen pada tahun 1929 membutuhkan definisi satuan yang lebih tepat. Sayangnya, dua definisi berbeda mulai digunakan. Ahli kimia memilih untuk mendefinisikan AMU sebagai 1/16 dari massa rata-rata atom oksigen seperti yang ditemukan di alam; yaitu, rata-rata massa isotop yang diketahui, ditimbang oleh kelimpahan alaminya. Fisikawan, di sisi lain, mendefinisikannya sebagai 1/16 massa atom isotop oksigen-16. (¹⁶O).

Definisi oleh IUPAC

Keberadaan dua unit berbeda dengan nama yang sama membingungkan, dan perbedaannya (sekitar 1.000282 dalam istilah relatif) cukup besar untuk memengaruhi pengukuran presisi tinggi. Selain itu, ditemukan bahwa isotop oksigen memiliki kelimpahan alami yang berbeda di air dan udara. Karena alasan ini dan alasan lainnya, pada tahun 1961 International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), yang telah menyerap ICAW, mengadopsi definisi baru dari satuan massa atom untuk digunakan baik dalam fisika maupun kimia; yaitu, 1/12 massa atom karbon-12. Nilai baru ini adalah perantara antara dua definisi sebelumnya, tetapi lebih dekat dengan yang digunakan oleh ahli kimia (yang akan paling terpengaruh oleh perubahan).

Satuan baru ini diberi nama "satuan massa atom" dan diberi simbol baru "u", untuk menggantikan "amu" lama yang telah digunakan untuk satuan berbasis oksigen. Akan tetapi, simbol lama "amu" kadang-kadang digunakan, setelah 1961, untuk merujuk pada unit baru, terutama dalam konteks awam dan persiapan.

Adopsi oleh BIPM

Definisi IUPAC 1961 tentang satuan massa atom, dengan nama dan simbol "u", diadopsi oleh International Bureau for Weights and Measures (BIPM) pada tahun 1971 sebagai "satuan non-SI yang diterima untuk digunakan dengan SI".

Dalton

Pada tahun 1993, IUPAC mengusulkan nama pendek "dalton" (dengan simbol "Da") untuk satuan massa atom. Seperti nama unit lain seperti watt dan newton, "dalton" tidak menggunakan huruf besar dalam bahasa Inggris, tetapi simbolnya, "Da", dikapitalisasi. Nama tersebut didukung oleh International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) pada tahun 2005.

Pada tahun 2003, nama tersebut direkomendasikan kepada BIPM oleh Consultative Committee for Units, bagian dari CIPM, karena "lebih pendek dan bekerja lebih baik dengan prefiks [SI]". Pada tahun 2006, BIPM memasukkan dalton dalam edisi ke-8 dari definisi formal SI. Nama itu juga terdaftar sebagai alternatif untuk "kesatuan massa atom" oleh International Organization for Standardization pada tahun 2009. Sekarang direkomendasikan oleh beberapa penerbit ilmiah, dan beberapa dari mereka menganggap "satuan massa atom" dan "amu" sudah tidak digunakan lagi.

Sebuah proposal

Sebuah proposal dibuat pada tahun 2012 untuk mendefinisikan kembali dalton (dan mungkin satuan massa atom yang bersatu) menjadi 1/N gram, sehingga memutuskan hubungan dengan ¹²C. Ini akan menyiratkan perubahan massa atom semua elemen ketika diekspresikan dalam dalton, tetapi perubahan tersebut akan terlalu kecil untuk memiliki efek praktis.

Redefinisi satuan pokok SI 2019

Definisi dalton tidak terpengaruh oleh redefinisi satuan pokok SI 2019, Artinya, 1 Da dalam SI masih 1/12 massa atom karbon-12, besaran yang harus ditentukan secara eksperimental dalam satuan SI. Namun, definisi mol diubah menjadi jumlah zat yang persis sama 6,02214076×10²³ entitas dan definisi kilogram juga diubah. Akibatnya, konstanta massa molar tidak lagi tepat 1 g/mol, artinya jumlah gram dalam massa satu mol zat tidak lagi sama persis dengan jumlah dalton dalam massa molekul rata-rata.

Meskipun massa atom relatif ditentukan untuk atom netral, mereka diukur (dengan spektrometri massa) untuk ion: oleh karena itu, nilai yang terukur harus dikoreksi untuk massa elektron yang dilepaskan untuk membentuk ion, dan juga untuk massa ekuivalen dari ikatan energi elektron, E_b/m_uc². Energi ikat total dari enam elektron dalam atom karbon-12 adalah 1030.1089 eV = 1.650 4163×10⁻¹⁶ J: E_b/m_uc² = 1.105 8674×10⁻⁶, atau sekitar satu bagian dalam 10 juta massa atom.

Sebelum redefinisi satuan SI 2019, percobaan ditujukan untuk menentukan nilai konstanta Avogadro untuk mencari nilai satuan massa atom.

Josef Loschmidt

 

Nilai satuan massa atom yang cukup akurat pertama kali diperoleh secara tidak langsung oleh Josef Loschmidt pada tahun 1865, dengan memperkirakan jumlah partikel dalam volume gas tertentu.

Jean Perrin

Perrin memperkirakan bilangan Avogadro dengan berbagai metode, pada pergantian abad ke-20. Dia dianugerahi Penghargaan Nobel Fisika 1926, sebagian besar untuk karyanya ini.

Coulometri

Muatan listrik per mol elektron adalah konstanta yang disebut dengan konstanta Faraday, yang nilainya pada dasarnya telah diketahui sejak tahun 1834 ketika Michael Faraday menerbitkan karyanya tentang elektrolisis. Pada tahun 1910, Robert Millikan memperoleh pengukuran pertama muatan pada sebuah elektron, e. Hasil bagi F/e memberikan perkiraan jumlah Avogadro.

Eksperimen klasik adalah eksperimen Bower dan Davis pada NIST, dan bergantung pada pelarutan logam perak dari anoda sel elektrolisis, sambil melewatkan arus listrik konstan I untuk waktu yang diketahui t. Jika m adalah massa perak yang hilang dari anoda dan A_r berat atom perak, maka konstanta Faraday diberikan oleh:

${\displaystyle F={\frac {A_{\rm {r}}M_{\rm {u}}It}{m}}.}$ 

Ilmuwan NIST menemukan metode untuk mengkompensasi perak yang hilang dari anoda oleh sebab mekanis, dan melakukan analisis isotop perak yang digunakan untuk menentukan berat atomnya. Nilai mereka untuk konstanta Faraday konvensional adalah F₉₀ = 96.485,39(13) C/mol, yang sesuai dengan nilai konstanta Avogadro dari 6,0221449(78)×10²³ mol⁻¹: kedua nilai memiliki ketidakpastian standar relatif 1,3×10⁻⁶.

Pengukuran massa elektron

Dalam praktiknya, konstanta massa atom ditentukan dari massa diam elektron m_e dan massa atom relatif elektron A_r(e) (yaitu, massa elektron dibagi dengan konstanta massa atom). Massa atom relatif elektron dapat diukur dalam percobaan siklotron, sedangkan sisa massa elektron dapat diturunkan dari konstanta fisik lainnya.

${\displaystyle m_{\rm {u}}={\frac {m_{\rm {e}}}{A_{\rm {r}}({\rm {e}})}}={\frac {2R_{\infty }h}{A_{\rm {r}}({\rm {e}})c\alpha ^{2}}},}$ 
${\displaystyle m_{\rm {u}}={\frac {M_{\rm {u}}}{N_{\rm {A}}}},}$ 
${\displaystyle N_{\rm {A}}={\frac {M_{\rm {u}}A_{\rm {r}}({\rm {e}})}{m_{\rm {e}}}}={\frac {M_{\rm {u}}A_{\rm {r}}({\rm {e}})c\alpha ^{2}}{2R_{\infty }h}}}$ 

Dimana c adalah kecepatan cahaya, h adalah konstanta Planck, α adalah konstanta struktur halus, dan R_∞ adalah konstanta Rydberg.

Sebagaimana dapat diamati dari nilai-nilai lama (CODATA 2014) pada tabel di bawah ini, faktor pembatas utama ketepatan konstanta Avogadro adalah ketidakpastian nilai konstanta Planck, karena semua konstanta lain yang berkontribusi pada kalkulasi yang diketahui lebih tepat.

Kekuatan nilai konstanta universal yang didefinisikan saat ini dapat dipahami dari tabel di bawah ini (CODATA 2018).

Metode kerapatan kristal sinar-X

 

Kristal tunggal silikon dapat diproduksi saat ini di fasilitas komersial dengan kemurnian sangat tinggi dan dengan sedikit cacat kisi. Metode ini mendefinisikan konstanta Avogadro sebagai rasio volume molar, V_m, ke volume atom V_atom:

${\displaystyle N_{\rm {A}}={\frac {V_{\rm {m}}}{V_{\rm {atom}}}}}$ , dimana ${\displaystyle V_{\rm {atom}}={\frac {V_{\rm {cell}}}{n}}}$  dan n adalah jumlah atom per sel satuan volume V_cell.

Sel satuan silikon memiliki susunan kemasan kubik 8 atom, dan volume sel satuan dapat diukur dengan menentukan parameter sel satuan tunggal, panjang a dari satu sisi kubus. Nilai CODATA 2018 dari a untuk silikon adalah 5,431020511(89)×10⁻¹⁰ m.

Dalam praktiknya, pengukuran dilakukan pada jarak yang dikenal sebagai d₂₂₀(Si), yang merupakan jarak antara bidang yang dilambangkan dengan indeks Miller {220}, dan sama dengan a/√8.

Komposisi proporsional isotop dari sampel yang digunakan harus diukur dan diperhitungkan. Silikon terjadi dalam tiga isotop stabil (²⁸Si, ²⁹Si, ³⁰Si), dan variasi alami dalam proporsinya lebih besar daripada ketidakpastian lain dalam pengukuran. Berat atom A_r untuk sampel kristal dapat dihitung, karena berat atom standar dari tiga nuklida diketahui dengan sangat akurat. Ini, bersama dengan kepadatan yang diukur ρ dari sampel, memungkinkan volume molar V_m akan ditentukan:

${\displaystyle V_{\rm {m}}={\frac {A_{\rm {r}}M_{\rm {u}}}{\rho }}}$ 

Dimana M_u adalah konstanta massa molar. Nilai CODATA 2018 untuk volume molar silikon adalah 1,205883199(60)×10⁻⁵ m³⋅mol⁻¹, dengan ketidakpastian standar relatif dari 4,9×10⁻⁸.

• Massa (spektrometri massa)
  • Massa Kendrick
  • Massa monoisotopik
• Rasio massa-ke-pengisian