Количеството на веществото и константата на Авогадро. Числото на Авогадро: интересна информация

Законът на Авогадро в химията помага да се изчисли обемът, моларната маса, количеството на газообразното вещество и относителната плътност на газа. Хипотезата е формулирана от Амедео Авогадро през 1811 г. и по-късно е потвърдена експериментално.

закон

Джоузеф Гей-Лусак е първият, който изучава газовите реакции през 1808 г. Той формулира законите топлинно разширениегазове и обемни съотношения, получени от хлороводород и амоняк (два газа) кристално вещество- NH4Cl (амониев хлорид). Оказа се, че за създаването му е необходимо да се вземат същите обеми газове. Освен това, ако един газ е в излишък, тогава "допълнителната" част остава неизползвана след реакцията.

Малко по-късно Авогадро формулира заключението, че при еднакви температури и налягане равни обеми газове съдържат еднакъв брой молекули. Освен това газовете могат да имат различни химични и физични свойства.

ориз. 1. Амедео Авогадро.

Законът на Авогадро има две последици:

• първи - един мол газ, при еднакви условия, заема същия обем;
• второ - съотношението на масите на равни обеми на два газа е равно на отношението на техните моларни маси и изразява относителната плътност на единия газ спрямо другия (обозначава се с D).

Нормални условия (n.s.) се считат за налягане P=101,3 kPa (1 atm) и температура T=273 K (0°C). При нормални условия моларният обем на газовете (обемът на веществото, разделен на неговото количество) е 22,4 l/mol, т.е. 1 мол газ (6,02 ∙ 10 23 молекули - постоянното число на Авогадро) заема обем от 22,4 литра. Моларен обем (V m) е постоянна стойност.

ориз. 2. Нормални условия.

Разрешаване на проблеми

Основното значение на закона е възможността за извършване на химически изчисления. Въз основа на първото следствие от закона можем да изчислим количеството на газообразно вещество чрез обем, като използваме формулата:

където V е обемът на газа, V m е моларният обем, n е количеството вещество, измерено в молове.

Второто заключение от закона на Авогадро се отнася до изчисляването на относителната плътност на газа (ρ). Плътността се изчислява по формулата m/V. Ако вземем предвид 1 мол газ, формулата за плътност ще изглежда така:

ρ (газ) = ​​M/V m,

където М е масата на един мол, т.е. моларна маса.

За да се изчисли плътността на един газ от друг газ, е необходимо да се знаят плътностите на газовете. Общата формула за относителната плътност на газ е следната:

D (y) x = ρ(x) / ρ(y),

където ρ(x) е плътността на единия газ, ρ(y) е плътността на втория газ.

Ако заместите изчислението на плътността във формулата, получавате:

D (y) x = M(x) / V m / M(y) / V m.

Моларният обем се намалява и остава

D (y) x = M(x) / M(y).

Нека разгледаме практическото приложение на закона, като използваме примера на две задачи:

• Колко литра CO 2 ще бъдат получени от 6 mol MgCO 3 по време на разлагането на MgCO 3 в магнезиев оксид и въглероден диоксид (n.s.)?
• Каква е относителната плътност на CO 2 във водорода и във въздуха?

Нека първо решим първия проблем.

n(MgCO3) = 6 mol

MgCO 3 = MgO+CO 2

Количеството магнезиев карбонат и въглероден диоксид е еднакво (по една молекула), така че n(CO 2) = n(MgCO 3) = 6 mol. От формулата n = V/V m можете да изчислите обема:

V = nV m, т.е. V(CO 2) = n(CO 2) ∙ V m = 6 mol ∙ 22,4 l/mol = 134,4 l

Отговор: V(CO 2) = 134,4 l

Решение на втория проблем:

• D (H2) CO 2 = M(CO 2) / M(H 2) = 44 g/mol / 2 g/mol = 22;
• D (въздух) CO 2 = M(CO 2) / M (въздух) = 44 g/mol / 29 g/mol = 1,52.

ориз. 3. Формули за количеството на веществото по обем и относителна плътност.

Формулите на закона на Авогадро работят само за газообразни вещества. Те не се прилагат за течности или твърди вещества.

Какво научихме?

Според формулировката на закона равни обеми газове при еднакви условия съдържат еднакъв брой молекули. При нормални условия (n.s.) стойността на моларния обем е постоянна, т.е. V m за газове винаги е равно на 22,4 l/mol. От закона следва, че същият брой молекули различни газовепри нормални условия те заемат еднакъв обем, както и относителната плътност на един газ към друг - съотношението на моларната маса на един газ към моларната маса на втория газ.

Тест по темата

Оценка на доклада

Средна оценка: 4. Общо получени оценки: 261.

Мол е количеството вещество, което съдържа същия брой структурни елементи, колкото има атоми, съдържащи се в 12 g 12 C, и структурни елементиобикновено атоми, молекули, йони и т.н. Масата на 1 мол вещество, изразена в грамове, е числено равна на неговия мол. маса. Така 1 мол натрий има маса 22,9898 g и съдържа 6,02·10 23 атома; 1 мол калциев флуорид CaF 2 има маса (40,08 + 2 18,998) = 78,076 g и съдържа 6,02 10 23 молекули, както и 1 мол въглероден тетрахлорид CCl 4, чиято маса е (12,011 + 4 35,453) = 153,823 g и т.н.

Закон на Авогадро.

В зората на развитието на атомната теория (1811 г.) А. Авогадро излага хипотеза, според която при една и съща температура и налягане равни обеми идеални газове съдържат еднакъв брой молекули. По-късно беше доказано, че тази хипотеза е необходимо следствие от кинетичната теория и сега е известна като закон на Авогадро. Може да се формулира по следния начин: един мол от всеки газ при същата температура и налягане заема същия обем, при стандартна температура и налягане (0 ° C, 1,01 × 10 5 Pa), равен на 22,41383 литра. Това количество е известно като моларен обем на газ.

Самият Авогадро не е оценил броя на молекулите в даден обем, но е разбрал, че това е много голяма стойност. Първият опит да се намери броят на молекулите, заемащи даден обем, е направен през 1865 г. от J. Loschmidt; Установено е, че 1 cm 3 идеален газ при нормални (стандартни) условия съдържа 2,68675 × 10 19 молекули. След името на този учен посочената стойност се нарича числото на Лошмид (или константа). Оттогава е разработен голям бройнезависими методи за определяне на числото на Авогадро. Отличното съответствие между получените стойности е убедително доказателство за реалното съществуване на молекулите.

Метод на Лошмид

представлява само исторически интерес. Основава се на предположението, че втечнен газсе състои от плътно опаковани сферични молекули. Чрез измерване на обема на течността, която се е образувала от даден обем газ, и знаейки приблизително обема на газовите молекули (този обем може да бъде представен въз основа на някои свойства на газа, като вискозитет), Лошмид получава оценка на числото на Авогадро ~10 22.

Определяне въз основа на измерване на заряда на електрона.

Единица за количество електричество, известна като числото на Фарадей Е, е зарядът, носен от един мол електрони, т.е. Е = не, Къде д– електронен заряд, Н– броят на електроните в 1 мол електрони (т.е. числото на Авогадро). Числото на Фарадей може да се определи чрез измерване на количеството електричество, необходимо за разтваряне или утаяване на 1 мол сребро. Внимателни измервания, извършени от Националното бюро по стандартизация на САЩ, дадоха стойността Е= 96490.0 C, и измереният заряд на електрона различни методи(по-специално в експериментите на R. Millikan), е равна на 1,602 × 10 –19 C. От тук можете да намерите Н. Този метод за определяне на числото на Авогадро изглежда един от най-точните.

Експериментите на Перин.

Въз основа на кинетичната теория е получен израз, включващ числото на Авогадро, който описва намаляването на плътността на газ (например въздух) с височината на колоната на този газ. Ако можем да изчислим броя на молекулите в 1 cm 3 газ на две различни височини, тогава, използвайки горния израз, бихме могли да намерим Н. За съжаление, това е невъзможно да се направи, защото молекулите са невидими. Въпреки това през 1910 г. J. Perrin показа, че споменатият израз е валиден и за суспензии от колоидни частици, които се виждат в микроскоп. Преброяването на броя на частиците, разположени на различни височини в суспензионната колона, дава числото на Авогадро 6,82 × 10 23. От друга серия от експерименти, в които е измерено средното квадратично изместване на колоидните частици в резултат на тяхното брауново движение, Перин получава стойността Н= 6,86Х10 23. Впоследствие други изследователи повториха някои от експериментите на Перин и получиха стойности, които са в добро съответствие с приетите в момента. Трябва да се отбележи, че експериментите на Перин отбелязаха повратна точка в отношението на учените към атомната теория на материята - преди това някои учени я смятаха за хипотеза. У. Оствалд, изключителен химик от онова време, изрази тази промяна във възгледите по следния начин: „Съответствието на Брауновото движение с изискванията на кинетичната хипотеза... принуди дори най-песимистичните учени да говорят за експериментално доказателство на атомната теория. .”

Изчисления с помощта на числото на Авогадро.

С помощта на числото на Авогадро са получени точни стойности на масата на атомите и молекулите на много вещества: натрий, 3,819×10 –23 g (22,9898 g/6,02×10 23), тетрахлорид на въглерода, 25,54×10 –23 g и др. . Може също да се покаже, че 1 g натрий трябва да съдържа приблизително 3 × 10 22 атома от този елемент.
Вижте също

Италианският учен Амедео Авогадро, съвременник на А. С. Пушкин, е първият, който разбира, че броят на атомите (молекулите) в един грам-атом (мол) на веществото е еднакъв за всички вещества. Познаването на това число отваря пътя за оценка на размерите на атомите (молекулите). По време на живота на Авогадро неговата хипотеза не получи необходимото признание. Посветен на историята на числото на Авогадро нова книгаЕвгений Залманович Мейлихов, професор в MIPT, главен изследовател в Националния изследователски център „Курчатовски институт“.

Ако в резултат на някаква глобална катастрофа цялото натрупано знание бъде унищожено и само една фраза достигне до бъдещите поколения живи същества, тогава кое твърдение, съставено от най-малко думи, ще донесе най-много информация? Вярвам, че това е атомната хипотеза:<...>Всички тела се състоят от атоми - малки тела в непрекъснато движение.

Р. Файнман, „Лекции на Фейнман по физика“

Числото на Авогадро (константа на Авогадро, константа на Авогадро) се определя като броя на атомите в 12 грама от чистия изотоп въглерод-12 (12 C). Обикновено се обозначава като Н A, по-рядко Л. Стойността на числото на Авогадро, препоръчана от CODATA (Работна група за фундаментални константи) през 2015 г.: Н A = 6,02214082(11) 10 23 mol −1. Един мол е количеството вещество, което съдържа Н A структурни елементи (т.е. същия брой елементи, колкото има атоми, съдържащи се в 12 g 12 C), а структурните елементи обикновено са атоми, молекули, йони и т.н. По дефиниция единицата за атомна маса (a.m.u.) е равна на 1/12 масата на атом е 12 C. Един мол (грам-мол) от вещество има маса (моларна маса), която, когато е изразена в грамове, е числено равна на молекулната маса на това вещество (изразена в атомни единици за маса). Например: 1 мол натрий има маса 22,9898 g и съдържа (приблизително) 6,02 10 23 атома, 1 мол калциев флуорид CaF 2 има маса (40,08 + 2 18,998) = 78,076 g и съдържа (приблизително) 6 . 02 · 10 23 молекули.

В края на 2011 г. на XXIV Генерална конференция по мерки и теглилки беше единодушно прието предложение за дефиниране на мола в бъдещата версия на Международната система от единици (SI) по такъв начин, че да се избегне връзката му с определението от грам. Очаква се през 2018 г. бенката да се определя директно от числото на Авогадро, на което ще бъде присвоена точна (без грешка) стойност въз основа на резултатите от измерванията, препоръчани от CODATA. Междувременно числото на Авогадро не е приета стойност, а измерима стойност.

Тази константа е кръстена на известния италиански химик Амедео Авогадро (1776–1856), който, въпреки че самият той не знае това число, разбира, че това е много голяма стойност. В зората на развитието на атомната теория Авогадро излага хипотеза (1811 г.), според която при една и съща температура и налягане в равни обемиИдеалните газове съдържат еднакъв брой молекули. По-късно беше доказано, че тази хипотеза е следствие от кинетичната теория на газовете и сега е известна като закон на Авогадро. Може да се формулира по следния начин: един мол от всеки газ при същата температура и налягане заема същия обем, при нормални условия равен на 22,41383 литра (нормалните условия съответстват на налягането П 0 = 1 atm и температура Т 0 = 273,15 K). Това количество е известно като моларен обем на газ.

Първият опит да се намери броят на молекулите, заемащи даден обем, е направен през 1865 г. от J. Loschmidt. От неговите изчисления следва, че броят на молекулите на единица обем въздух е 1,8 × 10 18 cm −3, което, както се оказа, е около 15 пъти по-малко от правилната стойност. Осем години по-късно J. Maxwell дава оценка, много по-близка до истината - 1,9 · 10 19 cm −3. Накрая през 1908 г. Перин дава приемлива оценка: Н A = 6,8 10 23 mol −1 Числото на Авогадро, намерено от експерименти върху брауновото движение.

Оттогава са разработени голям брой независими методи за определяне на числото на Авогадро и по-точни измервания показват, че всъщност 1 cm 3 идеален газ при нормални условия съдържа (приблизително) 2,69 x 10 19 молекули. Това количество се нарича число на Лошмид (или константа). Съответства на числото на Авогадро Н A ≈ 6,02 · 10 23 .

Числото на Авогадро е една от важните физически константи, които играят голяма роляв развитието на природните науки. Но дали това е „универсална (фундаментална) физическа константа“? Самият термин е недефиниран и обикновено се свързва с повече или по-малко подробна таблица с числени стойности на физическите константи, които трябва да се използват при решаването на проблеми. В това отношение фундаменталните физични константи често се считат за тези величини, които не са константи от природата и дължат съществуването си само на избрана система от единици (като магнитните и електрическите константи на вакуума) или конвенционални международни споразумения (като атомна единица за маса). Фундаменталните константи често включват много производни величини (например газовата константа Р, класически електронен радиус r e = д 2 / мд c 2 и т.н.) или, както в случая с моларния обем, стойността на някакъв физичен параметър, свързан със специфични експериментални условия, които са избрани само от съображения за удобство (налягане 1 atm и температура 273,15 K). От тази гледна точка числото на Авогадро е наистина фундаментална константа.

Тази книга е посветена на историята и развитието на методите за определяне на това число. Епосът продължава около 200 години и различни етапие свързано с различни физически модели и теории, много от които не са загубили своето значение и до днес. Най-ярките научни умове имаха пръст в тази история - просто назовете А. Авогадро, Дж. Лошмид, Дж. Максуел, Дж. Перин, А. Айнщайн, М. Смолуховски. Списъкът може да продължи...

Авторът трябва да признае, че идеята за книгата не принадлежи на него, а на Лев Федорович Соловейчик, негов съученик в Московския физико-технологичен институт, човек, който се занимава с приложни изследвания и разработки, но остава романтик физик по душа. Това е човек, който (един от малкото) продължава „дори в нашата жестока епоха“ да се бори за истинско „висше“ образование по физика в Русия, оценява и, доколкото е възможно, насърчава красотата и изяществото на физическите идеи . Известно е, че от сюжета, който А. С. Пушкин даде на Н. В. Гогол, възникна блестяща комедия. Разбира се, тук не е така, но може би и тази книга ще се стори полезна на някого.

Тази книга не е „научно-популярна“ работа, въпреки че може да изглежда така на пръв поглед. Той обсъжда сериозна физика на някакъв исторически фон, използва сериозна математика и обсъжда доста сложни научни модели. Всъщност книгата се състои от две (невинаги рязко разграничени) части, предназначени за различни читатели – на някои може да им е интересна от историческа и химическа гледна точка, а на други да се фокусира върху физико-математическата страна на проблема. Авторът е имал предвид любознателен читател - студент от Физическия или Химическия факултет, който не е чужд на математиката и е запален по историята на науката. Има ли такива студенти? Авторът не знае точния отговор на този въпрос, но въз основа на собствен опит, надежди има.

Въведение (съкратено) към книгата: Мейлихов Е. З. Числото на Авогадро. Как да видите атом. - Dolgoprudny: Издателство "Разузнаване", 2017 г.

Количество веществоν е равно на отношението на броя на молекулите в дадено тяло към броя на атомите в 0,012 kg въглерод, т.е. броят на молекулите в 1 мол вещество.
ν = N / N A
където N е броят на молекулите в дадено тяло, N A е броят на молекулите в 1 мол от веществото, от което се състои тялото. N A е константата на Авогадро. Количеството вещество се измерва в молове. Константата на Авогадрое броят на молекулите или атомите в 1 мол вещество. Тази константа е кръстена на италианския химик и физик Амедео Авогадро(1776 – 1856). 1 мол от всяко вещество съдържа същия брой частици.
N A = 6,02 * 10 23 mol -1 Моларна масае масата на веществото, взето в количество от един мол:
μ = m 0 * N A
където m 0 е масата на молекулата. Моларната маса се изразява в килограми на мол (kg/mol = kg*mol -1). Моларната маса е свързана с относителната молекулна маса чрез връзката:

μ = 10 -3 * M r [kg*mol -1]
Масата на всяко количество вещество m е равна на произведението на масата на една молекула m 0 от броя на молекулите:
m = m 0 N = m 0 N A ν = μν
Количеството на веществото е равно на съотношението на масата на веществото към неговата моларна маса:

ν = m/μ
Масата на една молекула от веществото може да се намери, ако са известни моларната маса и константата на Авогадро:
m 0 = m / N = m / νN A = μ / N A

Идеален газ- математически модел на газ, в който се приема, че потенциалната енергия на взаимодействие на молекулите може да бъде пренебрегната в сравнение с тяхната кинетична енергия. Между молекулите няма сили на привличане или отблъскване, сблъсъците на частиците една с друга и със стените на съда са абсолютно еластични, а времето за взаимодействие между молекулите е незначително в сравнение със средното време между сблъсъци. В разширения модел на идеален газ, частиците, от които той се състои, също имат форма под формата на еластични сфери или елипсоиди, което позволява да се вземе предвид енергията не само на транслационно, но и на ротационно-вибрационно движение, както и не само централни, но и нецентрални сблъсъци на частици и т.н.)