У 1811 році, коли атомна теорія тільки розвивалася, італійський вчений А. Авогадро представив ідею, яка стверджувала, що в рівнозначних об’ємах бездоганних газів при тотожних умовах полягає рівне число молекул.
Надалі з’ясувалося, що це судження є необхідним наслідком кінетичного руху. Зараз дана гіпотеза відома науці як закон Авогадро.
Історія відкриття
Член Французької наукової Академії фізик Гей-Люссак разом з німецьким вченим А. Гумбольдтом виклав закономірність порційних взаємодій, яка виражає відношення між мікрооб’ємами газів у вигляді простого числа.
Наприклад, 2 + 1 частини водню дають в суміші 2 частини водяної пари, а 1 од. хлору при з’єднанні з 1 од. водню утворює 2 одиниці хлорного водню. Така закономірність, в той час, давала мало користі, оскільки не було загального поняття про молекули, атоми, корпускули та інші частинки газів.
Авогадро проаналізував безліч дослідів і з’ясував, що закон співвідношення об’ємів допомагає зрозуміти устрій будь-яких молекул. Перше судження полягало в тому, що кількість частинок будь-якого ефіру завжди одна і та ж в однаковому об’ємі, а самі молекули складаються з більш дрібних атомів. Потім вчений конкретизував припущення і сформулював його у формі теорії з його ім’ям.
Отримані знання означали, що при вимірюванні густини газу можна обчислити відносну вагу молекул. Звідси випливає формулювання закону Авогадро.
Вчений зазначав, що молекула необов’язково складається з одного атома, а може мати в конструкції кілька найпростіших елементів.
У той час гіпотезу важко було підтвердити в теорії, але припущення давало можливість практично визначати склад молекул і вираховувати їх відносну вагу. Для цього робився аналіз на основі декількох схожих експериментів.
Значення сталої Авогадро з 20 травня 2019 року:
|
Наприклад, тотожні частини хлору і водню дають подвоєний об’єм хлористого водню, значить, молекула водню не може бути одноатомною. Якщо складові частинки водню містять два атоми, то і молекули кисню налічують 2 елементи.
Плутанина виникала через те, що в ті часи не були розроблені прості формули хімічних реакцій. Теорію Авогадро відкидав знаменитий шведський вчений-хімік Я. Берцеліус припущенням, що у всіх атомах присутній електричний потенціал, а молекули, в залежності від напрямку заряду, притягуються або відштовхуються.
Відродження гіпотези
Підтвердив закон Авогадро молодий хімік з Італії С. Канніццаро тільки після 1850 року. Він будував теорію газоподібних частинок на основі правильних подвоєних позначень (O2, H2), при цьому теорія Авогадро збігалася з результатами дослідів. Він зазначав, що закон Авогадро є логічним результатом для пояснення ідей атомної і молекулярної будови.
Спочатку практичні результати не узгоджувалися з теорією Авогадро і Ампера, тому знання на деякий час були забуті. Але подальші хімічні експерименти і логічні висновки привели вчених до аналогічної теорії, причому цьому сприяла спонтанна наукова еволюція.
Постійне число знаходилося різними способами. Блакитний колір неба залежить від того, що промені світла розсіюються в повітрі. Інтенсивність розпилення залежить від кількості елементарних структурних частинок повітря, укладених в одиниці об’єму. Для визначення константи використовувалося відношення яскравості прямих променів і тих, що розсіяні в повітрі.
Вперше такі дослідження провів італійський математик Квінтіно Селлой на гребені гори Монте-Роза в південній частині Швейцарії. Розрахунки підтвердили загальне положення, що в молі будь-якої матерії міститься близько 6*1023 елементарних частинок.
Другий метод показав французький науковець Жан Батист Перрен. Вчений під мікроскопом рахував кількість зважених в рідині (воді) найдрібніших в діаметрі приблизно 1 мм горошин гуммігута. Ця речовина, схожа на каучук, виділяється з нектару певних дерев в тропіках. Вчений вважав, що до цих елементів застосовуються аналогічні закони, як для молекул газового класу.
Легко визначалася загальна молярна маса всіх кульок, вона розраховувалася множенням ваги одного елемента на кількість гранул. Масу горошини можна було виміряти, на відміну від тієї, що настояної молекули речовини. Значення константи у Перрена вийшло аналогічне попередньому варіанту і становило 6,8*1023.
Закон і наслідки
Після прийняття вченим світом теорії Авогадро експериментатори отримали реальну можливість не тільки вірно визначати структуру частинок, але і вираховувати молекулярну і атомну масу.
Важливим був сам закон Авогадро та його наслідки. Знання давали можливість спроєктувати співвідношення активних компонентів при хімічній взаємодії. Після зважування речовини в грамах вчені могли оперувати з їх частинками.
Об’єм одного моля матеріалу становить 22,4 л в газоподібному вигляді при звичайних умовах:
- тиску 1,013.105 Па;
- температурі 0 °C.
Кількість частинок в одному молі називається константою Авогадро і позначається як Na. Це визначення грам-молекули існувало в науці майже століття.
Перший наслідок закону
Першим наслідком закону є та обставина, що один моль або його тотожне число різного газу в однакових обставинах займає тотожний об’єм. Одна грам-молекула різних газів налічує рівну кількість складових елементів. Звідси виходить, що при заданій температурі і силі тиску 1 грам-молекула будь-якого матеріалу в газоподібному вигляді займає тотожний об’єм.
Не тільки для ідеальних умов використовується закон Авогадро. Формула Клапейрона-Менделєєва застосовується, щоб визначити значення для іншої температури і тиску
pV = nRT
де:
- n – кількість молей газоподібної речовини.
- R – газова постійна, дорівнює 8,31431 Дж/моль.
- V – об’єм речовини.
- P – тиск.
- T – температура.
Наприклад, при нормальних обставинах об’єм 1 моля газоподібної речовини завжди дорівнює 22,413962 (13) л/моль. Ця постійна фізична величина називається стереотипним молярним об’ємом бездоганного газу і позначається Vm.
Другий наслідок
Наступний висновок з теорії Авогадро свідчить про те, що молярна вага першої речовини дорівнює добутку молярної ваги другого газу на показник відносної густини початкової матерії до другої. Це положення дозволяло розвиватися хімічній науці в новому напрямку і знайти молекулярну масу матерії, яка може перетворюватися в пар або газ.
Вираз m/p завжди є постійним для всіх матерій, де:
- m- молекулярна вага речовини;
- p – відносна густина матерії в стані газу або пари.
На практиці була доведена обставина, що для всіх відомих матеріалів, які переходять в стан пари або газу, ця константа дорівнює 28,9 а. е. м., при цьому визначальною умовою сталості є густина повітря. Якщо при наукових експериментах за одиницю густини береться показник водню, то константа дорівнює 2 а. е м.
Перший раз намагався визначити число структурних елементів у заданій порції газу в 1865 році австрійський хімік і фізик Йоганн Йозеф Лошмідт. Він розрахував, що в обраному об’ємі повітря міститься 1,81.1018 см-3. Цей показник був знижений відносно правдивого показника в 15 разів.
Через кілька років хімік повторно провів розрахунки вже із застосуванням іншого кола відомостей і отримав 1,9.1019 см-3. З того часу з’явилося безліч методів для визначення кількості молекул і спостерігалася тенденція вирівнювання отриманих результатів, що було доказом існування реальної цифри.
Число Авогадро
Стандартна константа Авогадро становить фізичну величину, яка показує кількість структурних частинок досліджуваного матеріалу в об’ємі речовини, що є еквівалентом 1 молю. Якщо подивитися показник в міжнародній системі одиниць, то можна зрозуміти, що таке число Авогадро в хімії.
Число завжди виражається в одиницях СІ, відповідно до зміни формулювання головних одиниць, 6,022 140 76*1023 моль-1. Деякі довідники наводять різницю між константою Авогадро, що позначається моль-1, з рівним йому в чисельному показнику числом Авогадроа.
Вага 1 моля матерії, визначена в грамах, кількісно дорівнює молекулярній вазі, яка виражається в одиниці атомної маси:
- моль натрію має масу 22,989 г, має в складі 6,02*1023 атомних частинок;
- моль фторидних кристалів кальцію має вагу 78,072 (40,08 + 2.18, 996), в будові містить 6,02*1023 іонів;
- моль вуглецю тетрахлориду важить 153,822 (12,02 + 4*35,4505), містить в структурі 6,02*1023 молекул речовини.
У грудні 2011 року на Генеральній світовій нараді з мас і заходів прийнято рішення встановити моль в передбачуваному варіанті СІ так, щоб усунути його прив’язку до показника кілограма. У цьому випадку завдання з визначення моля буде вирішуватися через константу Авогадро.
Останньому буде дано точний показник без жодних похибок, який ґрунтується на результатах, рекомендованих CODATA (Комітет з даних для техніки і науки — українська назва).
До сьогоднішнього дня коефіцієнт Авогадро становить визначену величину і приймається за останнім розрахунком 2015 року. Рекомендований показник отриманий у вигляді Na = 6,02214082 (11)*1023 моль-1. Результат був знайдений в результаті розрахунку середнього значення від декількох вимірювань.
Сучасне трактування
Константа Авогадро відноситься до таких великих показників, що важко піддається сприйняттю людиною.
Іншим прикладом розміру коефіцієнта Авогадро є показовий приклад з виливанням склянки води в Світовий океан. Якщо це зробити, то взявши якусь частинку води з будь-якої водойми на планеті, можна обов’язково знайти пару десятків молекул, які раніше знаходилися в склянці.
Сучасне значення константи було отримано в 2010 році при роботі з двома кулями з кремнію-28. Для експерименту сфери виготовлялися в німецькому Інституті кристалографії і пройшли полірування у високооптичному центрі в Австралії. Обробка була настільки точною, що шипи на поверхні були не вище 98 нм.
Для виробництва брався високозбагачений тетрофторид кремнію, отриманий в університеті хімії високоочищених матеріалів Нижнього Новгорода. Чисельність елементів кремнію в сфері була визначена з великою точністю, оскільки об’єкт дослідження представляв практично ідеальний варіант.
Через рік після минулого випробування був проведений інший експеримент, і значення було змінено на 6,022144 078 (18) * 1023 моль-1. Тому вчені всього світу домовилися про визначення моля таким чином, щоб константа була точною та засновувалася на середньому результаті проведених вимірювань.
