Закон авангарда в химии формула. Закон Авогадро и следствия из него. Закон объемных отношений

В равных объемах газов (V) при одинаковых условиях (температуре Т и давлении Р) содержится одинаковое число молекул.

Пусть температура постоянна (\(T=const \) ), давление не изменяется (\(p=const \) ), объем постоянный \((V=const) \) : \((N) \) - число частиц (молекул) любого идеального газа величина неизменная. Это утверждение называется законом Авогадро.

Закон Авогадро звучит следующим образом:

В равных объемах газов (V ) при одинаковых условиях (температуре Т и давлении Р ) содержится одинаковое число молекул.

Закон Авогадро был открыт в 1811 г Амедео Авогадро . Предпосылкой для это­го стало правило кратных отношений: при одинаковых ус­ловиях объемы газов, вступа­ющих в реакцию, находятся в простых соотношениях, как 1:1, 1:2, 1:3 и т. д.

Французский ученый Ж.Л. Гей-Люссак установил закон объемных отношений:

Объемы вступающих в реакцию газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) относятся друг к другу как простые целые числа.

Например, 1 л хлора соединяется с 1 л водорода, образуя 2 л хлороводорода; 2 л оксида серы (IV) соединяются с 1 л кислорода, образуя 1 л оксида серы (VI).

Реальные газы, как правило, являются смесью чистых газов - кислорода, водоро­да, азота, гелия и т. п. Например, воздух состоит из 77 % азота, 21 % кислорода, 1 % водорода, остальные - инертные и прочие газы. Каждый из них создает давление на стенки сосуда, в котором находится.

Парциальное давление Давление, которое в смеси газов создает каждый газ в отдельности, как будто он один занимает весь объем, называется парциальным давлением (от лат. partialis - частичный)

Нормальные условия: p = 760 мм рт. ст. или 101 325 Па , t = 0 °С или 273 К .

Следствия из закона Авогадро

Следствие 1 из закона Авогадро Один моль любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объем. В частности при нормальных условиях объем одного моля идеального газа равен 22,4 л . Этот объем называют молярным объемом \(V_{\mu} \)

где \(V_{\mu} \) - молярный объем газа (размерность л/моль); \(V \) - объем вещества системы; \(n \) - количество вещества системы. Пример записи: \(V_{\mu} \) газа (н.у.) = 22,4 л/моль.

Следствие 2 из закона Авогадро Отношение масс одинаковых объемов двух газов есть величина постоянная для данных газов. Эта величина называется относительной плотностью \(D \)

где \(m_1 \) и \(m_2 \) - молярные массы двух газообразных веществ.

Величина \(D \) определяется экспериментально как отношение масс одинаковых объемов исследуемого газа \(m_1 \) и эталонного газа с известной молекулярной массой (М2). По величинам \(D \) и \(m_2 \) можно найти молярную массу исследуемого газа: \(m_1 = D \cdot m_2 \)

Таким образом, при нормальных условиях (н.у.) молярный объем любого газа \(V_{\mu} = 22,4 \) л/моль.

Относительную плотность чаще всего вычисляют по отношению к воздуху или водороду, используя, что молярные массы водорода и воздуха известны и равны, соответственно:

\[ {\mu }_{H_2}=2\cdot {10}^{-3}\frac{кг}{моль} \]

\[ {\mu }_{vozd}=29\cdot {10}^{-3}\frac{кг}{моль} \]

Очень часто при решении задач используется то, что при нормальных условиях (н.у.) (давлении в одну атмосферу или, что тоже самое \(p={10}^5Па=760\ мм\ рт.ст,\ t=0^o C \) ) молярный объем любого идеального газа:

\[ \frac{RT}{p}=V_{\mu }=22,4\cdot {10}^{-3}\frac{м^3}{моль}=22,4\frac{л}{моль}\ . \]

Концентрацию молекул идеального газа при нормальных условиях:

\[ n_L=\frac{N_A}{V_{\mu }}=2,686754\cdot {10}^{25}м^{-3}\ , \]

называют числом Лошмидта .

В вашем браузере отключен Javascript.
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!

Принцип, который в 1811 году сформулировал итальянский химик Амадео Авогадро (1776-1856), гласит: при одинаковых температурах и давлении в равных объемах газов будет содержаться одинаковое число молекул, независимо от их химической природы и физических свойств. Это число является физической константой, численно равной количеству молекул, атомов, электронов ионов или других частиц, содержащихся в одном моле. Позднее гипотеза Авогадро, подтвержденная большим числом экспериментов, стала считаться для одним из основных законов, вошедшим в науку под названием закон Авогадро, и его следствия все основаны на утверждении, что моль любого газа, в случае одинаковых условий, будет занимать одинаковый объем, называемый молярным.

Сам предполагал, что физическая константа является очень большой величиной, но только множество независимых методов, уже после смерти ученого, позволили экспериментально установить число атомов, содержащееся в 12 г (является атомной единицей массы углерода) или в молярном объеме газа (при Т = 273,15 К и р =101,32 кПа), равном 22,41 л. Константу принято обозначать, как NA или реже L. Она названа в честь ученого — число Авогадро, и равняется оно, примерно, 6,022 . 1023. Это и есть число молекул любого газа, находящегося в объеме 22,41 л, оно одинаково и для легких газов (водорода), и для тяжелых газов Закон Авогадро математически можно выразить: V / n = VM, где:

  • V — объем газа;
  • n — количество вещества, которое является отношением массы вещества к его массе молярной;
  • VM — константа пропорциональности или молярный объем.

Амадео Авогадро принадлежал к благородному семейству, проживавшему в северной части Италии. Он родился 09.08.1776 в Турине. Его отец — Филиппо Авогадро — был служащим судебного ведомства. Фамилия на венецианском средневековом диалекте означала адвоката или чиновника, который взаимодействовал с людьми. По существовавшей в те времена традиции, должности и профессии передавались по наследству. Поэтому в 20 лет Амадео Авогадро получил степень, став доктором законоведения (церковного). Физику и математику он начал самостоятельно изучать в 25 лет. В своей научной деятельности занимался изучением и исследованиями в области электрохимии. Однако в историю науки Авогадро вошел, сделав к атомистической теории очень важное дополнение: ввел понятие о мельчайшей частице вещества (молекуле), способной существовать самостоятельно. Это было важно для объяснения простых объемных отношений между газами, вступившими в реакцию, а закон Авогадро стал иметь большое значение для развития науки и широко применяться на практике.

Но произошло это не сразу. Некоторыми химиками закон Авогадро был признан через десятилетия. Оппонентами итальянского профессора физики били такие знаменитые и признанные научные авторитеты, как Берцелиус, Дальтон, Дэви. Их заблуждения привели к многолетним спорам о химической формуле молекулы воды, так как существовало мнение, что ее следует записывать не H2O, а HO или H2O2. И только закон Авогадро помог установить состав и других простых и сложных веществ. Амадео Авогадро утверждал, что молекулы простых элементов состоят из двух атомов: O2, H2, Cl2, N2. Из чего следовало, что реакцию между водородом и хлором, в результате которой будет образован хлороводород, можно записать в виде: Cl2 + H2 → 2HCl. При взаимодействии одной молекулы Cl2 с одной молекулой H2, образуются две молекулы HCl. Объем, который будет занимать HCl, должен быть в два раза больше объема каждого, из вступивших в эту реакцию, компонентов, то есть должен равняться их суммарному объему. Только начиная с 1860 года, начал активно применяться закон Авогадро, и следствия из него позволили установить истинные значения атомных масс некоторых химических элементов.

Одним из основных выводов, сделанных на его основании, стало уравнение, описывающее состояние идеального газа: p .VM = R . T, где:

  • VM — молярный объем;
  • p — давление газа;
  • T — абсолютная температура, К;
  • R — универсальная газовая постоянная.

Объединенный также является следствием закона Авогадро. При постоянной массе вещества выглядит, как (p . V) / T = n . R = const, а его форма записи: (p1 . V1) / T1 = (p2 . V2) / T2 позволяет делать расчеты при переходе газа из одного состояния (обозначено индексом 1) в другое (с индексом 2).

Закон Авогадро позволил сделать и второй немаловажный вывод, открывший путь для экспериментального определения тех веществ, которые при переходе в газообразное состояние не разлагаются. M1 = M2 . D1, где:

  • M1 — масса молярная для первого газа;
  • M2 — масса молярная для второго газа;
  • D1 — относительная плотность первого газа, которую устанавливают по водороду или воздуху (по водороду: D1 = M1 / 2, по воздуху D1 = M1 / 29, где 2 и 29 — это молярные массы водорода и воздуха соответственно).

Предвидеть результаты исследования, предугадать закономерность, почувствовать общие истоки - всем этим отмечено творчество большого числа экспериментаторов и учёных. Чаще всего прогноз распространяется лишь на область занятости исследователя. И мало у кого хватает смелости заняться долгосрочным прогнозированием, существенно опередив время. У итальянца Амедео Авогадро смелости было хоть отбавляй. Именно по этой причине данный учёный известен сейчас во всём мире. А закон Авогадро и по сей день используется всеми химиками и физиками планеты. В этой статье мы подробно расскажем о нём и его авторе.

Детство и учёба

Амедео Авогадро родился в Турине в 1776 году. Его отец Филиппе работал служащим в судебном ведомстве. Всего в семье было восемь детей. Все предки Амедео служили адвокатами при католической церкви. Молодой человек также не отступил от традиции и занялся юриспруденцией. К двадцати годам он уже имел степень доктора.

Со временем юридическая практика перестала увлекать Амедео. Интересы молодого человека лежали в другой сфере. Ещё в юности он посещал школу экспериментальной физики и геометрии. Тогда в будущем учёном и проснулась любовь к наукам. Из-за пробелов в знаниях Авогадро занялся самообразованием. В 25 лет Амедео всё свободное время уделял изучению математики и физики.

Научная деятельность

На первом этапе научная деятельность Амедео была посвящена изучению электрических явлений. Интерес Авогадро особо усилился после того как Вольт открыл источник электрического тока в 1800 году. Не менее интересны молодому учёному были дискуссии Вольта и Гальвани о природе электричества. Да и в целом тогда данная область была передовой в науке.

В 1803 и 1804 годах Авогадро вместе с братом Феличе представил учёным из Туринской Академии две работы, раскрывающие теории электрохимических и электрических явлений. В 1804 году Амедео стал членом-корреспондентом данной академии.

В 1806 году Авогадро устроился репетитором в Туринский лицей. А спустя три года учёный перебрался в лицей Верчелли, где преподавал математику и физику на протяжении десяти лет. В тот период Амедео прочитал много научной литературы, делая из книг полезные выписки. Он вёл их до конца жизни. Накопилось целых 75 томов по 700 страниц каждый. Содержание этих книг говорит о разносторонности интересов учёного и о том колоссальном труде, который он проделал.

Личная жизнь

Семейную жизнь Амедео устроил довольно поздно, когда его возраст уже перевалил за третий десяток. Работая в Верчелли, он встретил Анну ди Джузеппе, которая была намного моложе учёного. В этом браке родилось восемь детей. Никто из них не пошёл по стопам отца.

Закон Авогадро и его следствия

В 1808 году Гей-Люссак (в соавторстве с Гумбольдтом) сформулировал принцип объёмных отношений. Этот закон гласил, что соотношение между объёмами реагирующих газов можно выразить простыми числами. Например, 1 объём хлора, соединяясь с 1 объёмом водорода, даёт 2 объёма хлороводорода и т.п. Но данный закон ничего не давал, так как, во-первых, не было конкретного различия между понятиями корпускула, молекула, атом, а во-вторых, у учёных были разные мнения насчёт состава частиц различных газов.

В 1811 году Амедео занялся тщательным анализом результатов исследований Гей-Люссака. В итоге Авогадро понял, что закон объёмных отношений позволяет понять устройство молекулы газов. Гипотеза, которую он сформулировал, гласила: «Число молекул любого газа в одном и том же объёме всегда одинаково».

Открытие закона

Целых три года учёный продолжал экспериментировать. И в итоге появился закон Авогадро, который звучит так: «Равные объёмы газообразных веществ при одинаковой температуре и давлении содержат одинаковое количество молекул. А меру массы молекул можно определить по плотности различных газов». Например, если 1 литр кислорода содержит столько же молекул, сколько и 1 литр водорода, то отношение плотностей данных газов равно отношению массы молекул. Также учёный отметил, что молекулы в газах не всегда состоят из одиночных атомов. Допустимо наличие как разных, так и одинаковых атомов.

К сожалению, во времена Авогадро данный закон нельзя было доказать теоретически. Но он давал возможность устанавливать в экспериментах состав молекул газов и определять их массу. Давайте проследим логику подобных рассуждений. В ходе эксперимента было выявлено, что пары воды из газа, а также объёмы водорода и кислорода соотносятся в пропорции 2:1:2. Из этого факта можно сделать разные выводы. Первый: молекула воды состоит из трёх атомов, а молекулы водорода и кислорода из двух. Вполне уместен и второй вывод: молекулы воды и кислорода двухатомны, а водорода - одноатомны.

Противники гипотезы

У закона Авогадро было много противников. Отчасти это было связано с тем, что в те времена отсутствовала простая и ясная запись уравнений и формул химических реакций. Главным недоброжелателем был Йенс Берцелиус - шведский химик, имеющий непререкаемый авторитет. Он считал, что у всех атомов есть электрические заряды, а сами молекулы состоят из атомов с противоположными зарядами, которые притягиваются друг к другу. Так, у атомов водорода был положительный заряд, а у атомов кислорода - отрицательный. С этой точки зрения молекулы кислорода, состоящей из 2-х одинаково заряженных атомов, просто не существует. Но если молекулы кислорода всё же одноатомны, то в реакции азота с кислородом пропорция соотношения объёмов должна быть 1:1:1. Данное утверждение противоречит эксперименту, где из 1 литра кислорода и 1 литра азота получали 2 литра оксида азота. Именно по этой причине Берцелиус и другие химики отвергали закон Авогадро. Ведь он абсолютно не соответствовал экспериментальным данным.

Возрождение закона

До шестидесятых годов девятнадцатого столетия в химии наблюдался произвол. Причём он распространялся как на оценку молекулярных масс, так и на описание химических реакций. Об атомном составе сложных веществ было вообще много неверных представлений. Некоторые учёные даже планировали отказаться от молекулярной теории. И только в 1858 году химик из Италии по имени Канниццаро нашёл в переписке Бертолле и Ампера ссылку на закон Авогадро и следствия из него. Это упорядочило запутанную картину химии того времени. Два года спустя Канниццаро рассказал о законе Авогадро в Карлсруэ на Международном конгрессе по химии. Его доклад произвёл на учёных неизгладимое впечатление. Один из них сказал, что он как будто прозрел, все сомнения испарились, а взамен появилось чувство уверенности.

После того как закон Авогадро признали, учёные могли не только определять состав молекул газов, но и рассчитывать атомные и молекулярные массы. Эти знания помогали в расчёте массовых соотношений реагентов в различных химических реакциях. И это было очень удобно. Измеряя массу в граммах, исследователи могли оперировать молекулами.

Заключение

Много времени прошло с тех пор, как был открыт закон Авогадро, но об основоположнике молекулярной теории никто не забыл. Логика учёного была безупречной, что позже подтвердили расчёты Дж. Максвелла, основанные на кинетической теории газов, а затем и экспериментальные исследования (броуновское движение). Также было определено, сколько содержится частиц в моле каждого газа. Эта константа - 6,022.1023 была названа числом Авогадро, увековечив имя проницательного Амедео.

Закон Авогадро

На заре развития атомной теории () А. Авогадро выдвинул гипотезу, согласно которой при одинаковых температуре и давлении в равных объёмах идеальных газов содержится одинаковое число молекул. Позже было показано, что эта гипотеза есть необходимое следствие кинетической теории, и сейчас она известна как закон Авогадро. Его можно сформулировать так: один моль любого газа при одинаковых температуре и давлении занимает один и тот же объем, при нормальных условиях равный 22,41383 . Эта величина известна как молярный объем газа .

Сам Авогадро не делал оценок числа молекул в заданном объёме, но понимал, что это очень большая величина. Первую попытку найти число молекул, занимающих данный объем, предпринял в году Й. Лошмидт . Из вычислений Лошмидта следовало, что для воздуха количество молекул на единицу объёма составляет 1,81·10 18 см −3 , что примерно в 15 раз меньше истинного значения. Через 8 лет Максвелл привёл гораздо более близкую к истине оценку «около 19 миллионов миллионов миллионов» молекул на кубический сантиметр, или 1,9·10 19 см −3 . В действительности в 1 см³ идеального газа при нормальных условиях содержится 2,68675·10 19 молекул . Эта величина была названа числом (или постоянной) Лошмидта . С тех пор было разработано большое число независимых методов определения числа Авогадро. Превосходное совпадение полученных значений является убедительным свидетельством реального количества молекул.

Измерение константы

Данные в этой статье приведены по состоянию на декабрь 2011 года.

Официально принятое на сегодня значение числа Авогадро было измерено в 2010 году . Для этого использовались две сферы, сделанные из кремния-28 . Сферы были получены в Институте кристаллографии имени Лейбница и отполированы в австралийском Центре высокоточной оптики настолько гладко, что высоты выступов на их поверхности не превышали 98 нм . Для их производства был использован высокочистый кремний-28, выделенный в нижегородском Институте химии высокочистых веществ РАН из высокообогащённого по кремнию-28 тетрафторида кремния, полученного в Центральном конструкторском бюро машиностроения в Санкт-Петербурге.

Располагая такими практически идеальными объектами, можно с высокой точностью подсчитать число атомов кремния в шаре и тем самым определить число Авогадро. Согласно полученным результатам, оно равно 6,02214084(18)×10 23 моль −1 .

Связь между константами

  • Через произведение постоянной Больцмана Универсальная газовая постоянная , R =kN A .
  • Через произведение элементарного электрического заряда на число Авогадро выражается постоянная Фарадея , F =eN A .

См. также

Примечания

Литература

  • Число Авогадро // Большая советская энциклопедия

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Число Авогадро" в других словарях:

    - (постоянная Авогадро, обозначение L), постоянная, равная 6,022231023, соответствует числу атомов или молекул, содержащихся в одном МОЛЕ вещества … Научно-технический энциклопедический словарь

    число Авогадро - Avogadro konstanta statusas T sritis chemija apibrėžtis Dalelių (atomų, molekulių, jonų) skaičius viename medžiagos molyje, lygus (6,02204 ± 0,000031)·10²³ mol⁻¹. santrumpa(os) Santrumpą žr. priede. priedas(ai) Grafinis formatas atitikmenys:… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

    число Авогадро - Avogadro konstanta statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Avogadro’s constant; Avogadro’s number vok. Avogadro Konstante, f; Avogadrosche Konstante, f rus. постоянная Авогадро, f; число Авогадро, n pranc. constante d’Avogadro, f; nombre… … Fizikos terminų žodynas

    Авогадро постоянная (число Авогадро) - число частиц (атомов, молекул, ионов) в 1 моле вещества (моль это количество вещества, в котором содержится столько же частиц, сколько атомов содержится точно в 12 граммах изотопа углерода 12), обозначаемое символом N = 6,023 1023. Одна из… … Начала современного естествознания

    - (число Авогадро), число структурных элементов (атомов, молекул, ионов или др. ч ц) в ед. кол ва в ва (в одном моле). Названа в честь А. Авогадро, обозна чается NA. А. п. одна из фундаментальных физических констант, существенная для определения мн … Физическая энциклопедия

    - (число Авогадро; обозначается NА), число молекул или атомов в 1 моле вещества, NА = 6,022045(31) х 1023моль 1; назв. по имени А. Авогадро … Естествознание. Энциклопедический словарь

    - (число Авогадро), число частиц (атомов, молекул, ионов) в 1 моле в ва. Обозначается NA и равна (6,022045 … Химическая энциклопедия

    Na = (6,022045±0,000031)*10 23 число молекул в моле любого вещества или число атомов в моле простого вещества. Одна из фундаментальных постоянных, с помощью которой можно определить такие величины, как, например, массу атома или молекулы (см.… … Энциклопедия Кольера

    В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Авогадро. Амедео Авогадро, граф Куаренья и Черрето Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna e Cerreto … Википедия

    - (Avogadro, Amedeo) АМЕДЕО АВОГАДРО (1776 1856), итальянский физик и химик. Родился 9 августа 1776 в Турине в семье чиновника судебного ведомства. Получил юридическое образование и в 1796 стал доктором права. Уже в юности заинтересовался… … Энциклопедия Кольера

Книги

  • Число Авогадро. Как увидеть атом , Мейлихов Евгений Залманович , Итальянский ученый Амадео Авогадро (современник А. С. Пушкина) был первым, кто понял, что количество атомов (молекул) в одном грамм-атоме (моле) вещества одинаково длявсех веществ. Знание же… Категория:


Введение 2

1.Закон Авогадро 3

2.Газовые законы 6

3.Следствия из закона Авогадро 7

4.Задачи на закон Авогадро 8

Заключение 11

Список литературы 12

Введение

Предвидеть результаты эксперимента, почувствовать общее начало, предугадать закономерность – этим отмечено творчество многих ученых. Чаще всего прогнозирование распространяется только на ту область, которой занят исследователь, а решимость храбро шагнуть далеко вперед в своих предсказаниях дана далеко не каждому. Иногда смелость может придать способность к логическим построениям.

1.Закон Авогадро

В 1808 Гей-Люссак (совместно с немецким естествоиспытателем Александром Гумбольдтом) сформулировал так называемый закон объемных отношений, согласно которому соотношение между объемами реагирующих газов выражается простыми целыми числами. Например, 2 объема водорода соединяются с 1 объемом водорода, давая 2 объема водяного пара; 1 объем хлора соединяется с 1 объемом водорода, давая 2 объема хлороводорода и т.д. Этот закон в то время мало что давал ученым, поскольку не было единого мнения о том, из чего состоят частицы разных газов. Не существовало и четкого различия между такими понятиями как атом, молекула, корпускула.

В 1811 Авогадро, тщательно проанализировав результаты экспериментов Гей-Люссака и других ученых, пришел к выводу, что закон объемных отношений позволяет понять, как же «устроены» молекулы газов. «Первая гипотеза, – писал он, – которая возникает в связи с этим и которая представляется единственно приемлемой, состоит в предположении, что число составных молекул любого газа всегда одно и то же в одном и том же объеме...» А «составные молекулы» (сейчас мы их называем просто молекулами), по мысли Авогадро, состоят из более мелких частиц – атомов.

Тремя годами позже Авогадро изложил свою гипотезу еще более четко и сформулировал ее в виде закона, который носит его имя: «Равные объемы газообразных веществ при одинаковом давлении и температуре содержат одно и то же число молекул, так что плотность различных газов служит мерой массы их молекул...» Это добавление было очень важным: оно означало, что можно, измеряя плотность разных газов, определять относительные массы молекул, из которых эти газы состоят. Действительно, если в 1 л водорода содержится столько же молекул, что и в 1 л кислорода, то отношение плотностей этих газов равно отношение масс молекул. Авогадро особо отмечал, что молекулы в газах не обязательно должны состоять из одиночных атомов, а могут содержать несколько атомов – одинаковых или разных. (Справедливости ради следует сказать, что в 1814 известный французский физик А.М. Ампер независимо от Авогадро пришел к тем же выводам.)

Во времена Авогадро его гипотезу невозможно было доказать теоретически. Но эта гипотеза давала простую возможность экспериментально устанавливать состав молекул газообразных соединений и определять их относительную массу. Попробуем проследить логику таких рассуждений. Эксперимент показывает, что объемы водорода, кислорода и образующихся из этих газов паров воды относятся как 2:1:2. Выводы из этого факта можно сделать разные. Первый: молекулы водорода и кислорода состоят из двух атомов (Н 2 и О 2), а молекула воды – из трех, и тогда верно уравнение 2Н 2 + О 2 → 2Н 2 О. Но возможен и такой вывод: молекулы водорода одноатомны, а молекулы кислорода и воды двухатомны, и тогда верно уравнение 2Н + О 2 → 2НО с тем же соотношением объе мов 2:1:2. В первом случае из соотношения масс водорода и кислорода в воде (1:8) следовало, что относительная атомная масса кислорода равна 16, а во втором – что она равна 8. Кстати, даже через 50 лет после работ Гей-Люссака некоторые ученые продолжали настаивать на том, что формула воды именно НО, а не Н 2 О. Другие же считали, что правильна формула Н 2 О 2 . Соответственно в ряде таблиц атомную массу кислорода принимали равной 8.

Однако был простой способ выбрать из двух предположений одно верное. Для этого надо было лишь проанализировать результаты и других аналогичных экспериментов. Так, из них следовало, что равные объемы водорода и хлора дают удвоенный объем хлороводорода. Этот факт сразу отвергал возможность одноатомности водорода: реакции типа H + Cl → HCl, H + Cl 2 → HCl 2 и им подобные не дают удвоенного объема HCl. Следовательно, молекулы водорода (а также хлора) состоят из двух атомов. Но если молекулы водорода двухатомны, то двухатомны и молекулы кислорода, а в молекулах воды три атома, и ее формула – Н 2 О. Удивительно, что такие простые доводы в течение десятилетий не могли убедить некоторых химиков в справедливости теории Авогадро, которая в течение нескольких десятилетий оставалась практически незамеченной.

Отчасти это объясняется отсутствием в те времена простой и ясной записи формул и уравнений химических реакций. Но главное – противником теории Авогадро был знаменитый шведский химик Йенс Якоб Берцелиус, имевший непререкаемый авторитет среди химиков всего мира. Согласно его теории, все атомы имеют электрические заряды, а молекулы образованы атомами с противоположными зарядами, которые притягиваются друг к другу. Считалось, что атомы кислорода имеют сильный отрицательный заряд, а атомы водорода – положительный. С точки зрения этой теории невозможно было представить молекулу кислорода, состоящую из двух одинаково заряженных атомов! Но если молекулы кислорода одноатомны, то в реакции кислорода с азотом: N + O → NO соотношение объемов должно быть 1:1:1. А это противоречило эксперименту: 1 л азота и 1 л кислорода давали 2 л NO. На этом основании Берцелиус и большинство других химиков отвергли гипотезу Авогадро как не соответствующую экспериментальным данным!

Возродил гипотезу Авогадро и убедил химиков в ее справедливости в конце 1850-х молодой итальянский химик Станислао Канниццаро (1826–1910). Он принял для молекул газообразных элементов правильные (удвоенные) формулы: H 2 , O 2 , Cl 2 , Br 2 и т.д. и согласовал гипотезу Авогадро со всеми экспериментальными данными. «Краеугольный камень современной атомной теории, – писал Канниццаро, – составляет теория Авогадро... Эта теория представляет самый логичный исходный пункт для разъяснения основных идей о молекулах и атомах и для доказательства последних... Вначале казалось, что физические факты были в несогласии с теорией Авогадро и Ампера, так что она была оставлена в стороне и скоро забыта; но затем химики самой логикой их исследований и в результате спонтанной эволюции науки, незаметно для них, были приведены к той же теории... Кто не увидит в этом длительном и неосознанном кружении науки вокруг и в направлении поставленной цели решительного доказательства в пользу теории Авогадро и Ампера? Теория, к которой пришли, отправляясь от различных и даже противоположных пунктов, теория, которая позволила предвидеть немало фактов, подтвержденных опытом, должна быть чем-то большим, чем простой научной выдумкой. Она должна быть... самой истиной».

О жарких дискуссиях того времени написал Д.И.Менделеев: «В 50-х годах одни принимали О = 8, другие О = 16, если Н = 1. Вода для первых была НО, перекись водорода НО 2 , для вторых, как ныне, вода Н 2 О, перекись водорода Н 2 О 2 или НО. Смута, сбивчивость господствовали. В 1860 химики всего света собрались в Карлсруэ для того, чтобы на конгрессе достичь соглашения, однообразия. Присутствовав на этом конгрессе, я хорошо помню, как велико было разногласие, как с величайшим достоинством охранялось корифеями науки условное соглашение и как тогда последователи Жерара, во главе которых стал итальянский профессор Канниццаро, горячо проводили следствия закона Авогадро».

После того, как гипотеза Авогадро стала общепризнанной, ученые получили возможность не только правильно определять состав молекул газообразных соединений, но и рассчитывать атомные и молекулярные массы. Эти знания помогали легко рассчитать массовые соотношения реагентов в химических реакциях. Такие соотношения были очень удобны: измеряя массу веществ в граммах, ученые как бы оперировали молекулами. Количество вещества, численно равное относительной молекулярной массе, но выраженное в граммах, назвали грамм-молекулой или молем (слово «моль» придумал в начале 20 в. немецкий физико-химик лауреат Нобелевской премии Вильгельм Оствальд (1853–1932); оно содержит тот же корень, что и слово «молекула» и происходит от латинского moles – громада, масса с уменьшительным суффиксом). Был измерен и объе м одного моля вещества, находящегося в газообразном состоянии: при нормальных условиях (т.е. при давлении 1 атм = 1,013·10 5 Па и температуре 0°C) он равен 22,4 л (при условии, что газ близок к идеальному). Число же молекул в одном моле стали называть постоянной Авогадро (ее обычно обозначают N А). Такое определение моля сохранялось в течение почти целого столетия.

В настоящее время моль определяется иначе: это количество вещества, содержащего столько же структурных элементов (это могут быть атомы, молекулы, ионы или другие частицы), сколько их содержится в 0,012 кг углерода-12. В 1971 решением 14-й Генеральной конференции по мерам и весам моль был введен в Международную систему единиц (СИ) в качестве 7-й основной единицы.

Еще во времена Канниццаро было очевидно, что поскольку атомы и молекулы очень маленькие и никто их еще не видел, постоянная Авогадро должна быть очень велика. Со временем научились определять размеры молекул и значение N А – сначала очень грубо, затем все точнее. Прежде всего, им было понятно, что обе величины связаны друг с другом: чем меньше окажутся атомы и молекулы, тем больше получится число Авогадро. Впервые размеры атомов оценил немецкий физик Йозеф Лошмидт (1821–1895). Исходя из молекулярно-кинетической теории газов и экспериментальных данных об увеличении объема жидкостей при их испарении, он в 1865 рассчитал диаметр молекулы азота. У него получилось 0,969 нм (1 нанометр – миллиардная часть метра), или, как писал Лошмидт, «диаметр молекулы воздуха округленно равен одной миллионной части миллиметра». Это примерно втрое больше современного значения, что для того времени было хорошим результатом. Во второй статье Лошмидта, опубликованной в том же году, дается и число молекул в 1 см 3 газа, которое с тех пор называется постоянной Лошмидта (N L). Из нее легко получить значение N A , умножив на мольный объем идеального газа (22,4 л/моль).

Постоянную Авогадро определяли многими методами. Например, из голубого цвета неба следует, что солнечный свет рассеивается в воздухе. Как показал Рэлей, интенсивность рассеяния света зависит от числа молекул воздуха в единице объема. Измерив соотношение интенсивностей прямого солнечного света и рассеянного голубым небом, можно определить постоянную Авогадро. Впервые подобные измерения были проведены итальянским математиком и видным политическим деятелем Квинтино Селлой (1827–1884) на вершине горы Монте-Роза (4634 м), на юге Швейцарии. Расчеты, сделанные на основании этих и аналогичных им измерений, показали, что 1 моль содержит примерно 6·10 23 частиц.

Другой метод использовал французский ученый Жан Перрен (1870–1942). Он под микроскопом подсчитывал число взвешенных в воде крошечных (диаметром около 1 мкм) шариков гуммигута – вещества, родственного каучуку и получаемого из сока некоторых тропических деревьев. Перрен считал, что к этим шарикам применимы те же законы, которым подчиняются молекулы газов. В таком случае можно определить «молярную массу» этих шариков; а зная массу отдельного шарика (ее, в отличие от массы настоящих молекул, можно измерить), легко было рассчитать постоянную Авогадро. У Перрена получилось примерно 6,8·10 23 .

Современное значение этой постоянной N А = 6,0221367·10 23 .

Постоянная Авогадро настолько велика, что с трудом поддается воображению. Например, если футбольный мяч увеличить в N А раз по объему, то в нем поместится земной шар. Если же в N А раз увеличить диаметр мяча, то в нем поместится самая большая галактика, содержащая сотни миллиардов звезд! Если вылить стакан воды в море и подождать, пока эта вода равномерно распределится по всем морям и океанам, до самого их дна, то, зачерпнув в любом месте Земного шара стакан воды, в него обязательно попадет несколько десятков молекул воды, которые были когда-то в стакане. Если же взять моль долларовых бумажек, они покроют все материки 2-километровым плотным слоем…

2.Газовые законы

Зависимость между давлением и объемом идеального газа при постоянной температуре показана на рис. 1.

Давление и объем образца газа обратно пропорциональны, т. е. их произведения являются постоянной величиной: pV = const. Это соотношение может быть записано в более удобном для решения задач виде:

p1V1 = p2V2 (закон Бойля-Мариотта).

Представим себе, что 50 л газа (V1), находящегося под давлением 2 атм (p1), сжали до объема 25 л (V2), тогда его новое давление будет равно:

З
ависимость свойств идеальных газов от температуры определяется законом Гей-Люссака: объем газа прямо пропорционален его абсолютной температуре (при постоянной массе: V = kT, где k - коэффициент пропорциональности). Это соотношение записывается обычно в более удобной форме для решения задач:

Например, если 100 л газа, находящегося при температуре 300К, нагревают до 400К, не меняя давления, то при более высокой температуре новый объем газа будет равен

З
апись объединенного газового закона pV/T= = const может быть преобразована в уравнение Менделеева-Клапейрона:

где R - универсальная газовая постоянная, a - число молей газа.

У
равнение Менделеева-Клапейрона позволяет проводить самые разнообразные вычисления. Например, можно определить число молей газа при давлении 3 атм и температуре 400К, занимающих объем 70 л:

Одно из следствий объединенного газового закона: в равных объемах различных газов при одинаковой температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Это закон Авогадро .

Из закона Авогадро в свою очередь вытекает также важное следствие: массы двух одинаковых объемов различных газов (естественно, при одинаковых давлении и температуре) относятся как их молекулярные массы:

m1/m2 = M1/M2 (m1 и m2 - массы двух газов);

M1IM2 представляет собой относительную плотность.

Закон Авогадро применим только к идеальным газам. При нормальных условиях трудно сжимаемые газы (водород, гелий, азот, неон, аргон) можно считать идеальными. У оксида углерода (IV), аммиака, оксида серы (IV) отклонения от идеальности наблюдаются уже при нормальных условиях и возрастают с ростом давления и понижением температуры.

3.Следствия из закона Авогадро

4.Задачи на закон Авогадро

Задача 1

При 25 °С и давлении 99,3 кПа (745 мм рт. ст.) некоторый газ занимает объем 152 см3. Найдите, какой объем займет этот же газ при 0 °С и давлении 101,33 кПа?

Решение

Подставляя данные задачи в уравнение (*) получим:

Vо = PVТо / ТРо = 99,3*152*273 / 101,33*298 = 136,5 см3.

Задача 2

Выразите в граммах массу одной молекулы СО2.

Решение

Молекулярная масса СО2 равна 44,0 а.е.м. Следовательно, мольная масса СО2 равна 44,0 г/моль. В 1 моле СО2 содержится 6,02*1023 молекул. Отсюда находим массу одной молекулы: m = 44,0 / 6,02-1023 = 7,31*10-23 г.

Задача 3

Определите объем, который займет азот массой 5,25 г при 26 °С и давлении 98,9 кПа (742 мм рт. ст.).

Решение

Определяем количество N2, содержащееся в 5,25 г: 5,25 / 28 = 0,1875 моль,

V, = 0,1875*22,4 = 4,20 дм3. Затем приводим полученный объем к указанным в задаче условиям: V = РоVоТ / РТо = 101,3*4,20*299 / 98,9*273 = 4,71 дм3.

Задача 4

Монооксид углерода ("угарный газ") - опасный загрязнитель атмосферы. Он снижает способность гемоглобина крови к переносу кислорода, вызывает болезни сердечно-сосудистой системы, снижает активность работы мозга. Из-за неполного сжигания природного топлива ежегодно на Земле образуется 500 млн. т CO. Определите, какой объем (при н.у.) займет угарный газ, образующийся на Земле по этой причине.

Решение

Запишем условие задачи в формульном виде:

m(CO) = 500 млн. т = 5 . 1014 г

M(CO) = 28 г/моль

VM = 22,4 л/моль (н.у.)

V (CO) = ? (н.у.)

В решении задачи используются уравнения, связывающие между собой количество вещества, массу и молярную массу:

m(CO) / M(CO) = n(CO),

а также количество газообразного вещества, его объем и молярный объем:

V (CO) / VM = n(CO)

Следовательно: m(CO) / M(CO) = V (CO) / VM, отсюда:

V(CO) = {VM . m(CO)} / M(CO) = {22,4 . 5 . 1014} / 28

[{л/моль} . г / {г/моль}] = 4 . 1014 л = 4 . 1011 м3 = 400 км3

Задача 5

Рассчитайте объем, который занимает (при н.у.) порция газа, необходимого для дыхания, если в этой порции содержится 2,69 . 1022 молекул этого газа. Какой это газ?

Решение .

Газ, необходимый для дыхания - это, конечно, кислород. Чтобы решить задачу, сначала запишем ее условие в формульном виде:

N(O2) = 2,69 . 1022 (молекул)

VM = 22,4 л/моль (н.у.)

NA = 6,02 . 1023 моль--1

V(O2) = ? (н.у.)

В решении задачи используются уравнения, связывающие между собой число частиц N(O2) в данной порции вещества n(O2) и число Авогадро NA:

n(O2) = N(O2) / NA,

а также количество, объем и молярный объем газообразного вещества (н.у.):

n(O2) = V(O2) / VM

Отсюда: V(O2) = VM . n(O2) = {VM . N(O2)} / NA = {22,4 . 2,69 . 1022} : {6,02 . 1023} [{л/моль} : моль--1] = 1,0 л

Ответ. Порция кислорода, в которой содержится указанное в условии число молекул, занимает при н.у. объем 1 л.

Задача 6

Углекислый газ объемом 1 л при нормальных условиях имеет массу 1,977 г. Какой реальный объем занимает моль этого газа (при н. у.)? Ответ поясните.

Решение

Молярная масса М (CO2) = 44 г/моль, тогда объем моля 44/1,977 = 22,12 (л). Эта величина меньше принятой для идеальных газов (22,4 л). Уменьшение объема связано с возрастанием взаимо действия между молекулами СО2, т. е. отклонением от идеальности.

Задача 7

Газообразный хлор массой 0,01 г, находящийся в запаянной ампуле объемом 10 см3, нагревают от 0 до 273oС. Чему равно начальное давление хлора при 0oС и при 273oС?

Решение


Мr(Сl2) =70,9; отсюда 0,01 г хлора соответствует 1,4 10-4 моль. Объем ампулы равен 0,01 л. Используя уравнение Менделеева-Клапейрона pV=vRT, находим начальное давление хлора (p1) при 0oС:

аналогично находим давление хлора (р2) при 273oС: р2 = 0,62 атм.

Задача 8

Чему равен объем, который занимают 10 г оксида углерода (II) при температуре 15oС и давлении 790 мм рт. ст.?

Решение

Задача 8

Рудничный газ или метан СН 4, - настоящее бедствие для шахтёров. Его взрывы в шахтах приводят к большим разрушениям и гибели людей. Г.Дэви изобрёл безопасную шахтёрскую лампу. В ней пламя было окружено медной сеткой и не вырывалось за её пределы, поэтому метан не нагревался до температуры воспламенения. Победу над рудничным газом считают гражданским подвигом Г.Дэви.
Если количество вещества метана при н.у. равно 23,88 моль, то каков объём этого газа,вычисленный в литрах?

Решение

V = 23,88 моль *22,4 л/моль = 534,91 л

Задача 9

Запах сернистого газа SO 2 знает каждый, кто хоть раз зажигал спичку. Этот газ хорошо растворяется в воде: в 1л воды можно растворить 42 л сернистого газа. Определите массу сернистого газа, которую можно растворить в 10 литрах воды.

Решение

ν = V/V m V=ν * V m m = ν * М

42 л SO 2 растворяется в 1 л воды

х л SO 2 - в 10 л воды

х = 42* 10/1 = 420 л

ν = 420л/ 22,4 л/моль = 18,75 моль

m = 18,75 моль * 64 г/моль = 1200 г

Задача 10

За час взрослый человек выдыхает примерно 40 г углекислого газа. Определите объём (н.у.) данной массы этого газа.

Решение

m = ν * М ν = m/M V=ν * V m

ν(СО 2) = 40 г / 44 г/моль = 0,91 моль

V(CO 2) =0,91 моль * 22,4 л/моль = 20,38 л

Заключение

Заслуги Авогадро как одного из основоположников молекулярной теории получили с тех пор всеобщее признание. Логика Авогадро оказалась безупречной, что подтвердил позже Дж.Максвелл расчетами на основе кинетической теории газов; затем были получены и экспериментальные подтверждения (например, основанные на исследовании броуновского движения), а также найдено, сколько частиц содержится в моле каждого газа. Эту константу – 6,022 1023 – назвали числом Авогадро, увековечив имя проницательного исследователя.

Список литературы

    Буцкус П.Ф. Книга для чтения по органической химии . Пособие для учащихся 10 классов/ сост. Буцкус П.Ф. – 2-е. изд., переработанное. –М.:Просвещение,1985.

    Быков Г.В. Амедео Авогадро: Очерк жизни и деятельности . М.: Наука, 1983

    Глинка Н.Л. Общая химия . Уч. пособие для вузов . – Л.: Химия, 1983.

    Крицман В.А. Роберт Бойль, Джон Дальтон, Амедео Авогадро. Создатели молекулярного учения в химии . М., 1976

    Кузнецов В.И. Общая химия. Тенденции развития . – М.: Высшая школа.

    Макаров К. А. Химия и здоровье. Просвещение,1985.

    Марио Льюцци. История физики . М., 1970

    Поллер З. Химия на пути в третье тысячелетие . Перевод с немецкого/ перевод и предисловие Васиной Н.А. – М.: Мир, 1982.

Рекомендуем почитать