- Historia
- Inspiracje Amedeo Avogadro
- Hipoteza molekularna
- Pięćdziesiąt lat później
- Narodziny terminu
- Z czego się składa i jednostki
- Atom-gram i molekular-gram
- Masy molowe i kret
- Jak obliczana jest liczba Avogadro
- Dokładniejsze metody pomiaru
- Aplikacje
- Rozwiązane ćwiczenia
- Ćwiczenie 1
- Ćwiczenie 2
- Bibliografia
Liczba Avogadro to taka, która wskazuje, ile cząstek składa się z jednego mol materii. Zwykle jest oznaczony symbolem N A lub L i ma niezwykłą wielkość: 6,02 · 10 23 , zapisany notacją naukową; gdyby nie był używany, musiałby być zapisany w całości: 602000000000000000000000.
Aby uniknąć i ułatwić jego użycie, wygodnie jest odwołać się do numeru Avogadro, nazywając go kretem; to nazwa nadana jednostce odpowiadającej takiej ilości cząstek (atomów, protonów, neutronów, elektronów itp.). Tak więc, jeśli tuzin odpowiada 12 jednostkom, mol obejmuje jednostki N A , co upraszcza obliczenia stechiometryczne.
Liczba Avogadro zapisana w notacji naukowej. Źródło: PRHaney
Matematycznie, liczba Avogadro może nie być największa ze wszystkich; ale poza sferą nauki użycie go do wskazania ilości dowolnego przedmiotu przekroczyłoby granice ludzkiej wyobraźni.
Na przykład jeden mol ołówków wymagałby wyprodukowania 6,02 · 10 23 jednostek, pozostawiając Ziemię bez płuc roślin. Podobnie jak ten hipotetyczny przykład, istnieje wiele innych, co pozwala rzucić okiem na wspaniałość i zastosowanie tej liczby do wielkości astronomicznych.
Jeśli N A i kret odnoszą się do ogromnych ilości czegokolwiek, to jak przydatne są w nauce? Jak powiedziano na początku: pozwalają one „policzyć” bardzo małe cząstki, których liczba jest niewiarygodnie duża, nawet w znikomych ilościach materii.
Najmniejsza kropla cieczy zawiera miliardy cząstek, a także najbardziej absurdalną ilość danej substancji stałej, jaką można zważyć na dowolnej wadze.
Nie używać notacji naukowej, kret przychodzi na poparcie, wskazując jak wiele, mniej lub bardziej, że jest to substancja lub związek do N A . Na przykład 1 g srebra odpowiada około 9,10 -3 molom; innymi słowy, prawie jedna setna atomów N A (około 5,6 · 10 21 Ag) „zamieszkuje” ten gram .
Historia
Inspiracje Amedeo Avogadro
Niektórzy uważają, że liczba Avogadro była stałą określoną przez Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro z Quaregna i Cerreto, lepiej znanego jako Amedeo Avogadro; Jednak ten naukowiec-prawnik, poświęcony badanie właściwości gazów, a zainspirowany pracą Dalton i Gay-Lussac nie było kto wprowadził N A .
Od Daltona Amadeo Avogadro dowiedział się, że masy gazów łączą się lub reagują w stałych proporcjach. Na przykład masa wodoru całkowicie reaguje z ośmiokrotnie większą masą tlenu; gdy ta proporcja nie została spełniona, jeden z dwóch gazów pozostał w nadmiarze.
Z drugiej strony, od Gay-Lussaca dowiedział się, że objętości gazów reagują w stałej relacji. W ten sposób dwie objętości wodoru reagują z jedną z tlenu, tworząc dwie objętości wody (w postaci pary, biorąc pod uwagę wytwarzane wysokie temperatury).
Hipoteza molekularna
W 1811 roku Avogadro skondensował swoje pomysły, aby sformułować hipotezę molekularną, w której wyjaśnił, że odległość, która dzieli cząsteczki gazowe, jest stała, o ile ciśnienie i temperatura nie ulegają zmianie. Odległość ta określa zatem objętość, jaką gaz może zajmować w pojemniku z rozszerzalnymi barierami (na przykład balon).
Zatem, biorąc pod uwagę masę gazu A, m A i masę gazu B, m B , m A i m B będą miały taką samą objętość w normalnych warunkach (T = 0ºC i P = 1 atm), jeśli oba gazy idealne mają taka sama liczba cząsteczek; taka była hipoteza, dzisiejsze prawo, Avogadro.
Ze swoich obserwacji wydedukował również, że zależność między gęstością gazów, ponownie A i B, jest taka sama, jak w przypadku ich względnych mas cząsteczkowych (ρ A / ρ B = M A / M B ).
Jego największym sukcesem było wprowadzenie terminu „molekuła”, tak jak jest on dziś znany. Avogadro traktował wodór, tlen i wodę jako cząsteczki, a nie jako atomy.
Pięćdziesiąt lat później
Idea jego dwuatomowych cząsteczek spotkała się z silnym oporem chemików w XIX wieku. Chociaż Amadeo Avogadro wykładał fizykę na Uniwersytecie w Turynie, jego praca nie została zbyt dobrze przyjęta iw cieniu eksperymentów i obserwacji bardziej znanych chemików, jego hipoteza została pogrzebana na pięćdziesiąt lat.
Nawet wkład znanego naukowca André Ampere, który poparł hipotezę Avogadro, nie był wystarczający, aby chemicy poważnie się nad tym zastanowili.
Dopiero na kongresie w Karlsruhe w Niemczech w 1860 r. Młody włoski chemik Stanislao Cannizzaro uratował pracę Avogadro jako odpowiedź na chaos spowodowany brakiem wiarygodnych i trwałych mas atomowych i równań chemicznych.
Narodziny terminu
To, co jest znane jako „liczba Avogadro”, zostało wprowadzone przez francuskiego fizyka Jeana Baptiste Perrina prawie sto lat później. Określił przybliżenie N A różnymi metodami w swojej pracy nad ruchami Browna.
Z czego się składa i jednostki
Atom-gram i molekular-gram
Liczba Avogadro i kret są ze sobą powiązane; jednak druga istniała przed pierwszą.
Znając względne masy atomów, jednostkę masy atomowej (amu) wprowadzono jako jedną dwunastą atomu izotopu węgla 12; w przybliżeniu masa protonu lub neutronu. W ten sposób węgiel był dwunastokrotnie cięższy od wodoru; to znaczy 12 C waży 12u, a 1 H waży 1 u.
Jednak ile masy naprawdę równa się jednej amu? Poza tym, jak można by zmierzyć masę tak małych cząstek? Potem przyszedł pomysł z gramatomem i gramocząsteczką, które później zostały zastąpione przez mol. Jednostki te wygodnie połączyły gram z amu w następujący sposób:
12 g 12 C = N ma
Liczba 12 atomów C N pomnożona przez ich masę atomową daje wartość liczbowo identyczną z względną masą atomową (12 amu). Dlatego 12 g 12 C równało się jednemu gramoatomowi; 16 g 16 O na jeden gram atomu tlenu; 16 g CH 4 , jeden gram cząsteczki metanu i tak dalej z innymi pierwiastkami lub związkami.
Masy molowe i kret
Gram-atom i gramocząsteczka zamiast jednostek składały się odpowiednio z mas molowych atomów i cząsteczek.
W ten sposób definicja mola wygląda następująco: jednostka wyznaczona dla liczby atomów obecnych w 12 g czystego węgla 12 (lub 0,012 kg). A tymczasem stał się oznaczamy n N A .
Zatem liczba Avogadro składa się formalnie z liczby atomów, które składają się na 12 g węgla 12; a jego jednostką jest mol i jego pochodne (kmol, mmol, funt-mol itp.).
Masy molowe to masy cząsteczkowe (lub atomowe) wyrażone w funkcji moli.
Na przykład masa molowa O 2 wynosi 32 g / mol; oznacza to, że mol cząsteczek tlenu ma masę 32 g, a cząsteczka O 2 ma masę cząsteczkową 32 u. Podobnie, masa molowa H wynosi 1 g / mol: jeden mol atomów H ma masę 1 g, a jeden atom H ma masę atomową 1 u.
Jak obliczana jest liczba Avogadro
Ile kosztuje kret? Jaka jest wartość N A, aby masy atomowe i masy cząsteczkowe miały taką samą wartość liczbową jak masy molowe? Aby się tego dowiedzieć, należy rozwiązać następujące równanie:
12 g 12 C = N A ma
Ale mama ma 12 rano.
12 g 12 C = N A 12uma
Jeśli wiesz, ile jest warte amu (1667 · 10-24 g), możesz bezpośrednio obliczyć N A :
N A = (12 g / 2 · 10–23 g)
= 5,998 10 23 atomy 12 C
Czy ta liczba jest taka sama jak ta podana na początku artykułu? Nie. Chociaż dziesiętne grać przeciwko, tam są dużo bardziej dokładne obliczenia w celu określenia N A .
Dokładniejsze metody pomiaru
Jeśli definicja mola, zwłaszcza mola elektronów i przenoszonego przez nie ładunku elektrycznego (około 96,500 C / mol) jest wcześniej znana, znając ładunek pojedynczego elektronu (1602 × 10-19 C), możemy obliczyć N A również w ten sposób:
N = (96500 C / 1,602 x 10 -19 ° C)
= 6,0237203 10 23 elektronów
Ta wartość wygląda jeszcze lepiej.
Innym sposobem jej obliczenia są rentgenowskie techniki krystalograficzne, przy użyciu kuli z ultra czystego krzemu o masie 1 kg. W tym celu stosuje się wzór:
N A = n (V u / V m )
Gdzie n to liczba atomów obecnych w komórce elementarnej kryształu krzemu (n = 8), a V u i V m to odpowiednio objętości jednostki i komórki molowej. Znając zmienne dla kryształu krzemu, liczbę Avogadro można obliczyć tą metodą.
Aplikacje
Liczba Avogadro pozwala w istocie wyrazić bezdenne ilości cząstek elementarnych w prostych gramach, które można zmierzyć za pomocą wag analitycznych lub podstawowych. Nie tylko to: jeśli właściwość atomowa zostanie pomnożona przez N A , jej manifestacja zostanie uzyskana w skalach makroskopowych, widocznych na świecie i gołym okiem.
Dlatego, i nie bez powodu, mówi się, że ta liczba działa jako pomost między mikroskopem a makroskopem. Często występuje zwłaszcza w fizykochemii, gdy próbuje się powiązać zachowanie cząsteczek lub jonów z ich fazami fizycznymi (ciekła, gazowa lub stała).
Rozwiązane ćwiczenia
Obliczenia w przekroju dwa przykłady ćwiczeń z wykorzystaniem N zostały skierowane do . Następnie przystąpimy do rozwiązania kolejnych dwóch.
Ćwiczenie 1
Jaka jest masa cząsteczki H 2 O?
Jeśli wiadomo, że jego masa molowa wynosi 18 g / mol, to jeden mol cząsteczek H 2 O ma masę 18 gramów; ale pytanie dotyczy pojedynczej cząsteczki. Aby następnie obliczyć jego masę, stosuje się przeliczniki:
(18g / mol H 2 O) · (mol H 2 O / 6,02 · 10 23 cząsteczki H 2 O) = 2,99 · 10-23 g / cząsteczkę H 2 O
Oznacza to, że cząsteczka H 2 O ma masę 2,99 · 10-23 g.
Ćwiczenie 2
Ile atomów metalu dysproz (Dy) będzie zawierało jego kawałek o masie 26 g?
Masa atomowa dysprozu wynosi 162,5 u, co odpowiada 162,5 g / mol na podstawie liczby Avogadro. Ponownie przechodzimy do współczynników konwersji:
(26 g) · (mol Dy / 162,5g) · (6,02 · 10 23 atomów Dy / mol Dy) = 9,63 · 10 22 atomów Dy
Ta wartość jest 0,16 razy mniejsza niż N A (9,63 · 10 22 / 6,02 · 10 23 ), a zatem wspomniany kawałek zawiera 0,16 mola dysprozu (można go również obliczyć z 26/162 , 5).
Bibliografia
- Wikipedia. (2019). Stała Avogadro. Odzyskane z: en.wikipedia.org
- Atteberry Jonathan. (2019). Jaki jest numer Avogadro? Jak działają rzeczy. Odzyskany z: science.howstuffworks.com
- Ryan Benoit, Michael Thai, Charlie Wang i Jacob Gomez. (02 maja 2019). Kret i Stała Avogadro. Chemistry LibreTexts. Odzyskane z: chem.libretexts.org
- Mole Day. (sf). Historia Liczba Avogadro: 6.02 razy 10 do potęgi 23 rd . Odzyskany z: moleday.org
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (06 stycznia 2019). Eksperymentalne wyznaczenie liczby Avogadro. Odzyskany z: thinkco.com
- Tomás Germán. (sf). Numer Avogadro. IES Domingo Miral. Odzyskany z: iesdmjac.educa.aragon.es
- Joaquín San Frutos Fernández. (sf). Liczba i koncepcja mola Avogadro. Odzyskany z: encina.pntic.mec.es
- Bernardo Herradón. (3 września 2010). Kongres w Karlsruhe: 150 lat. Odzyskane z: madrimasd.org
- George M. Bodner. (16 lutego 2004). Jak określono numer Avogadro? Amerykański naukowiec. Odzyskany z: Scientificamerican.com