"Если бы в результате какой-либо мировой катастрофы все накопленные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ пришла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это — атомная гипотеза: <...> все тела состоят из атомов — маленьких телец, находящихся в беспрерывном движении" (один из создателей квантовой электродинамики Ричард Филлипс Фейнман, «Фейнмановские лекции по физике»).Что касается Закона Авогадро и связанного с ним Числа Авогадро, то, в первую очередь нужно напомнить, что все вещества состоят из каких-то структурных элементов, как правило, это либо молекулы, либо атомы. Впрочем, идея о том, что материя состоит из отдельных единиц, очень стара, и восходит к Древней Греции и Индии. Само слово «атом» (от древне-греческого ἄτομος, «неразрезаемый») придумали философы Левкипп и его ученик Демокрит, учивший, что количество атомов бесконечно, они не сотворены и вечны. Позднее атомизм Демокрита был усовершенствован и развит греческим философом Эпикуром (341-270 до н.э.) и римским эпикурейским поэтом Лукрецием (99-55 до н.э.). В XVII в. французский католический священник Пьер Гассенди (1592-1655) возродил эпикурейский атомизм, практически забытый в период раннего средневековья в Западной Европе, правда, с модификациями, утверждая, что атомы были созданы Богом и, хотя их очень много, но не бесконечны, и первым ввел термин «молекула» (новолатинское molecula, уменьшительное от латинского moles — масса) для описания агрегации атомов. Модифицированную теорию атомов Гассенди популяризировали во Франции врач и философ Франсуа Бернье (1620-1688) и в Англии натурфилософ и доктор медицины Уолтер Чарлтон (1619-1707), а также англо-ирландский натурфилософ, физик и химик Роберт Бойль (1627-1691) и один из создателей классической физики сэр Исаак Ньютон (1642-1727), и к концу XVII в. его признало научное сообщество. Ближе к концу XVIII в. открыли 2 закона о химических реакциях, не относящихся к понятию атомной теории. Первым был закон сохранения массы, тесно связанный с работами Антуана Лавуазье, гласящий, что общая масса в химической реакции остаётся постоянной (то есть реагенты имеют ту же массу, что и продукты). Второй — закон постоянства состава, впервые установленный французским химиком Жозефом Луи Прустом в 1797 г. при исследовании свойств и состава соединений различных металлов (оксидов, хлоридов и сульфидов), гласит, что если соединение разбито на составляющие его химические элементы, то массы составляющих частей всегда будут иметь одинаковые весовые пропорции, независимо от количества или источника исходного материала. На основе этого, английский физик и химик Джон Дальтон, тот самый, который описал дефект зрения, которым страдал сам, — цветовую слепоту, позже названную в его честь дальтонизмом, разработал новую идею, позже известную как закон кратных отношений: если одни и те же два элемента могут быть объединены, чтобы образовать ряд различных соединений, то соотношение масс двух элементов в их различных соединениях будут представлены небольшими целыми числами. Дальтон также ввёл понятие «атомный вес», первым рассчитал атомные веса (массы) ряда элементов и составил первую таблицу их относительных атомных масс, заложив тем самым количественные основы для древней атомной теории строения вещества. Однако Дальтон не предполагал, что некоторые элементы представляют собой атомы в молекулах, а также ошибочно полагал, что простейшим соединением между любыми двумя элементами всегда является состояние с одним атомом каждого элемента. Недостаток теории Дальтона был исправлен в 1811 г. Амедео Авогадро, предположившим, что равные объёмы любых двух газов при одинаковой температуре и давлении содержат равное количество молекул (другими словами, масса частиц газа не влияет на объём, который он занимает; подсчитано, что при нормальных условиях (давление P0 = 1 атм и температура T0 = 273,15 К) этот объём составляет 22,41383 литров). Закон Авогадро позволил ему установить двухатомную природу многих газов, изучая объёмы, при которых они реагировали. Например: поскольку 2 литра водорода вступают в реакцию всего с 1 литром кислорода, образуя 2 литра водяного пара (при постоянном давлении и температуре), это означает, что 1 молекула кислорода разделяется на 2 части, чтобы образовать 2 частицы воды. Таким образом, Авогадро смог предложить более точные оценки атомной массы кислорода и различных других элементов и провести чёткое различие между молекулами и атомами.
По простому говоря, что должно происходить, когда мы смешиваем 2 вещества, и они реагируют? Логично, что один структурный элемент (атом, молекула, ион и т.п.) одного вещества должен прореагировать с одним структурным элементом другого вещества. Поэтому при полной реакции число элементов для обоих веществ должно быть одинаковым, хотя при этом могут отличаться и вес, и объёмы препаратов. Таким образом, любая химическая реакция должна содержать одинаковое число структурных элементов каждого вещества, либо эти цифры должны быть пропорциональны какому-то числу, которое и назвали числом Авогадро (иногда в литературе проводят различие между постоянной, или константой Авогадро NA (реже обозначается как L), имеющей размерность моль−1, и численно равным ей безразмерным целым числом Авогадро А), а уже через это число Авогадро определяется значение моля: 1 моль — количество вещества, содержащее количество частиц, равное числу Авогадро. Первую попытку найти число молекул, занимающих 1 см³, предпринял в 1865 г. Й.Лошмидт. Из его вычислений следовало, что количество молекул в единице объёма воздуха равно 1,8·1018 см−3. Через 8 лет Дж.Максвелл привёл гораздо более близкую к истине оценку — 1,9·1019 см−3. С тех пор было разработано большое число независимых методов определения числа Авогадро, и более точные измерения показали, что в действительности в 1 см³ идеального газа при нормальных условиях содержится (примерно) 2,69·1019 молекул. Эта величина называется числом (или постоянной) Лошмидта. В 1908 г. Перрен, проводя ряд экспериментов по броуновскому движению, дал приемлемую оценку числа Авогадро: 6,8·10²³ моль−1. В химии, в 1973 г., для удобства в расчетах было предложено ввести такое понятие как «количество вещества». Основной единицей для измерения количества стал моль. Согласно рекомендациям IUPAC, количество любого вещества пропорционально числу его конкретных элементарных частиц. Коэффициент пропорциональности не зависит от типа вещества, а число Авогадро является его обратной величиной. Таким образом, получается, что молярная масса численно совпадает с атомной. Постоянная Авогадро была специально выбрана так, чтобы молярная масса соответствовала атомной либо безразмерной величине – относительной молекулярной (атомной) массе. Можно сказать, что число Авогадро обязано своему появлению, с одной стороны, атомной единице массы, а с другой – общепринятой единице для сравнения массы – грамму. Значение числа Авогадро, рекомендованное CODATA (рабочая группа по фундаментальным постоянным) в 2015 году: 6,02214082(11)⋅10²³. Кроме того, в конце 2011 г. на XXIV Генеральной конференции по мерам и весам единогласно принято предложение определить моль в будущей версии Международной системы единиц (СИ) таким образом, чтобы избежать его привязки к определению грамма, а также была принята резолюция о том, как грамотно записывать число Авогадро. Поскольку оно всё время уточняется, то его на сегодняшний день записывают как 6.02214Х⋅10²³. Буква «Х» в данной записи говорит о том, что число уточняется, то есть значение Х в будущем будет уточняться. Откуда же взялась эта "магическая" цифра? Все очень просто: число Авогадро определяется как количество атомов в 12 граммах чистого изотопа углерода-12 (12C). По определению атомная единицы массы (а.е.м.) равна 1/12 массы атома 12C. Поскольку опыты на данный момент имеют недостаточную точность, то данное число всё время уточняется. Можно, конечно, надеется, что когда-нибудь оно будет подсчитано абсолютно точно, но пока до этого далеко. Один моль (грамм-моль) вещества имеет массу (молярную массу), которая, будучи выраженной в граммах, численно равна молекулярной массе этого вещества (выраженной в атомных единицах массы). Например: 1 моль натрия имеет массу 22,9898 г и содержит (примерно) 6,02·10²³ атомов, 1 моль фторида кальция CaF2 имеет массу (40,08 + 2 · 18,998) = 78,076 г и содержит (примерно) 6,02·10²³ молекул. Отсюда вытекают очень интересные последствия. Так, зная плотность воды и, взяв один моль её, можно оценить размеры молекулы (исходя из того, что нам известна атомарная масса молекул воды и углерода). Если взять для углерода 12 грамм, то масса воды определяется согласно пропорциональной зависимости и равняется 18 граммам. Поскольку плотность воды определить несложно, необходимых данных для оценки размера молекулы воды теперь достаточно. Вычисления показывают, что размер молекулы воды порядка десятых долей нанометра. Кроме того, через произведение постоянной Больцмана на число Авогадро выражается универсальная газовая постоянная R=kNA (т.е. константа, численно равная работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 К. ), а через произведение элементарного электрического заряда на число Авогадро – постоянная Фарадея, определяющая соотношение между электрохимическими и физическими свойствами вещества: F=eNA.
Во многих школах США, Канады, Южной Африки и Австралии День моля отмечается, чтобы заинтересовать учащихся химией. Арт Логэн, преподаватель химии из средней школы Клио (Мичиган) на своей странице Международного фонда Дня моля предлагает примерные сценарии проведения Дня моля, включающих игры или творческие задания на околохимические темы. Например, предлагается «составить список предметов домашнего обихода, используя только химические названия. Такие как: нечто, содержащее NaHCO3», «Придумать ко Дню моля стихотворение, рассказ или комикс» и т.п.
Бонус. О моли на роисси.
Мyж, веpнyвшийся из командиpовки pаньше вpемени, слышит шyм в шкафy. Откpывает двеpцy, оттуда чyть не вываливается голый мyжик в шyбе жены.
- Ты кто такой?
- Hе видишь? Моль!
- А шyбy кyда понес?
- Дома доем.
Комментариев нет :
Отправить комментарий