Origines de la mole : Pourquoi une unité pour la chimie ?

L’origine de la mole est d’abord liée au besoin de définir une unité propre à la chimie et de mettre fin aux questions relatives à l’unité de masse chimique. Ainsi, en 1971, l’introduction de la mole, 7^ème unité du SI, a permis de disposer d’une unité reconnue dédiée au domaine de la chimie. Ce n’est cependant qu’en 1993, date de la création du comité consultatif de la quantité de matière (CCQM) sous l’égide du Bureau international des poids et mesures (BIPM), qu’elle va prendre toute son importance, en lien avec les missions de la métrologie, c’est-à-dire réfléchir aux moyens d’assurer la traçabilité des résultats de mesure au SI. En effet, depuis le début des années 1990, l’évolution de la métrologie en chimie est essentiellement provoquée par les besoins croissants au service de la société dans les domaines de l’environnement, de la santé ou encore de l’alimentation.

Néanmoins, la nécessité de recourir à des analyses chimiques de plus en plus fiables se fait de plus en plus pressante quel que soit le domaine concerné : au-delà des besoins sociétaux évoqués, l’industrie s’appuie de plus en plus sur des mesures dont la traçabilité est établie : la pharmacie (dosage des principes actifs et de leurs impuretés), la cosmétique (dosage des perturbateurs endocriniens ), les fabricants d’instruments de mesure (étalonnage d’instruments de mesure y compris dans le domaine des nouvelles technologies, évaluation des performances des capteurs...).

Un moteur puissant au développement de la métrologie en général et en particulier dans celui de la métrologie en chimie, qui est une métrologie jeune,  est l’introduction de normes et de réglementations qui ont été imposées pour limiter la présence de composés nocifs dans les milieux naturels ou les produits agro-alimentaires ou contrôler la conformité de produits, ainsi que pour améliorer la qualité des résultats d’examens biologiques. Face à l’enjeu de la santé humaine et de son coût pour la société, il est important de disposer de résultats fiables afin de ne pas fournir des prescriptions à un patient sain mais également être en capacité de soigner au stade le plus précoce les personnes atteintes d’une pathologie.

La mole : de 1971 à la redéfinition en 2018

Partie importante de la chimie analytique, la métrologie en chimie, est, en ce qui concerne l’analyse des produits, caractérisée par une très grande diversité et de nombreuses applications. Elle s’appuie sur les différentes branches de la chimie (organique, inorganique, gaz, électrochimie, biochimie, …). Son application très vaste résulte du nombre élevé d’éléments ou des molécules concernés, et de la diversité des matrices potentielles : sérum humain, poissons, eaux de boisson, aérosols, crèmes solaires, etc..

La métrologie en chimie est aussi une des activités les plus récentes, comme nous l’avons vu, et comme le montre l’année de création du Comité Consultatif pour la Quantité de Matière (CCQM) en 1993.

Pour répondre à ces besoins croissants, la 14ème CGPM a adopté, en 1971, la mole comme unité de base du système SI en la définissant comme : 

« La mole (mol) est la quantité de matière d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans 0,012 kilogramme de carbone 12. »

La définition précise également que « lorsqu’elle est employée, les entités élémentaires doivent être spécifiées et peuvent être des atomes, des molécules, des ions, des électrons, d’autres particules ou des groupements spécifiés de telles particules ».

La traçabilité de la mole n’est pas liée à la conservation physique d’un étalon primaire, mais plutôt à un ensemble d’outils métrologiques, tels que la maîtrise des procédures, l’utilisation d’instruments étalonnés et de procédures validées grâce à des matériaux de référence en matrice et l’estimation des incertitudes de mesure. Ces outils permettent de réaliser les références nationales.

En pratique, mesurer un nombre de moles revient souvent à mesurer une masse de l’élément ou de la molécule spécifiée, voire même un rapport de masse ou de quantité de matière.

« mole VS kilogramme : pourquoi une unité pour la chimie ? »

Si depuis son introduction au SI la définition de la mole n’a pas varié d’un iota, en novembre 2018 lors de la 26^ème CGPM, tout change. La mole va être redéfinie à partir de la valeur numérique fixée de la constante d’Avogadro, telle que:

« Quels sont les bénéfices de la redéfinition de la mole ? »

« Nouvelle définition de la mole : l’expérience de la sphère d’Avogadro »

La mole, unité de la chimie, au cœur du changement climatique et de la santé

Tracer l’évolution de l’acidité des océans, mesurer la pollution de l’air, déterminer la quantité de biomarqueurs dans du sérum humain, ou encore identifier des résidus médicamenteux dans une eau de boisson… L’utilisation de la chimie analytique et en particulier de la métrologie en chimie est au cœur des enjeux environnementaux et des problématiques de santé publique. Les outils métrologiques, tels les matériaux de référence, les raccordements des appareils au SI, les estimations des incertitudes de mesure… permettent d’accéder à des analyses fiables. Dans ce cadre, le LNE développe des matériaux de références gazeux qui permettent de raccorder les instruments de mesure utilisés pour mesurer la qualité de l’air, mais aussi des matériaux de référence pour le méthane, le protoxyde d’azote, le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone, employés pour le suivi à long terme des gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Moins médiatisée que la hausse des températures, l’acidification des océans n’en est pas moins un problème écologique majeur. Cette diminution du pH de l’eau de mer, provoquée par une accumulation de CO2, a en effet des conséquences désastreuses sur la biodiversité marine. Afin de surveiller ce phénomène, les spécialistes doivent mesurer plusieurs paramètres, dont le pH avec la plus faible incertitude possible. Face à cette attente, le LNE teste la faisabilité d’un matériau de référence pour les mesures d’acidité des eaux marines demandées par les océanographes pour fiabiliser leurs résultats de mesure.

Conférence « La mole: pourquoi une unité spécifique à la chimie ? »