stała Avogadra

Stała Avogadro
Amedeo Avogadro , imiennik stałej
Wspólne symbole	NA _ , L
jednostka SI	mol −1
Dokładna wartość
kret (jednostka)	6.022 140 76 × 10 23

Stała Avogadra , powszechnie określana jako NA _w lub L , jest współczynnikiem proporcjonalności , który wiąże liczbę cząstek składowych (zwykle cząsteczek , atomów lub jonów ) w próbce z ilością substancji tej próbce. Jest to stała definiująca SI o dokładnej wartości 6,022 140 76 × 10 ²³ moli odwrotności . Został nazwany na cześć włoskiego naukowca Amedeo Avogadro przez Stanislao Cannizzaro , który wyjaśnił tę liczbę cztery lata po śmierci Avogadro podczas Kongresu w Karlsruhe w 1860 roku.

Liczbowa wartość stałej Avogadra wyrażona w odwrotności moli, liczba bezwymiarowa, nazywana jest liczbą Avogadra . W starszej literaturze liczba Avogadro oznaczana jest jako N lub N ₀ , czyli liczba cząstek zawartych w jednym molu, dokładnie 6,022 140 76 × 10 ²³ .

Liczba Avogadro to przybliżona liczba nukleonów ( protonów i neutronów ) w jednym gramie zwykłej materii . Wartość stałej Avogadra dobrano tak, aby masa jednego mola związku chemicznego wyrażona w gramach była w przybliżeniu liczbą nukleonów w jednej cząstce składowej substancji. Jest liczbowo równa (ze wszystkich praktycznych powodów) średniej masie jednej cząsteczki (lub atomu) związku w daltonach (jednostkach masy atomowej) ; jeden dalton to 1/12 masy atomu jednego węgla-12 . Na przykład średnia masa jednej cząsteczki wody wynosi około 18,0153 daltonów, a jeden mol wody ( N cząsteczek) to około 18,0153 gramów. Zatem stała Avogadro N _A jest współczynnikiem proporcjonalności , który wiąże masę molową substancji ze średnią masą jednej cząsteczki.

Stała Avogadro wiąże również objętość molową substancji ze średnią objętością nominalnie zajmowaną przez jedną z jej cząstek, gdy obie są wyrażone w tych samych jednostkach objętości. Na przykład, ponieważ objętość molowa wody w zwykłych warunkach wynosi około 18 ml/ ^mol 18 / 6,022 × 10-23 ml , objętość zajmowana przez jedną cząsteczkę wody wynosi około , czyli około 30 Å ³ ( angstremów sześciennych ). W przypadku krystalicznej podobnie odnosi się do jej objętości molowej (w molach/ml), objętości powtarzającej się komórki elementarnej kryształów (w ml), do liczby cząsteczek w tej komórce.

Liczba Avogadro (lub stała) była definiowana na wiele różnych sposobów w swojej długiej historii. Jej przybliżona wartość została po raz pierwszy określona pośrednio przez Josefa Loschmidta w 1865 r. (Liczba Avogadra jest ściśle związana ze stałą Loschmidta i czasami te dwa pojęcia są mylone). Początkowo została zdefiniowana przez Jeana Perrina jako liczba atomów w 16 gramach tlenu . _ Został on później ponownie zdefiniowany na 14. konferencji Międzynarodowego Biura Miar i Wag (BIPM) jako liczba atomów w 12 gramach izotopu węgla-12 ( ¹² C). W każdym przypadku mol był definiowany jako ilość substancji, która zawierała taką samą liczbę atomów jak te próbki referencyjne. W szczególności, gdy odniesieniem był węgiel-12, jeden mol węgla-12 stanowił dokładnie 12 gramów pierwiastka.

Definicje te oznaczały, że wartość liczby Avogadro zależała od wyznaczonej eksperymentalnie wartości masy (w gramach) jednego atomu tych pierwiastków, a zatem była znana tylko z ograniczoną liczbą cyfr dziesiętnych. Jednak na swojej 26. Konferencji BIPM przyjął inne podejście: z dniem 20 maja 2019 r. Zdefiniował liczbę Avogadro N jako dokładną wartość 6,022 140 76 × 10 ²³ i ponownie zdefiniował mol jako ilość rozważanej substancji, która zawiera N cząstek składowych substancji. Zgodnie z nową definicją masa jednego mola dowolnej substancji (w tym wodoru, węgla-12 i tlenu-16) jest N -krotnością średniej masy jednej z jej cząstek składowych – jest to wielkość fizyczna, której dokładną wartość należy określić eksperymentalnie dla każdej substancji.

Historia

Pochodzenie pojęcia

Jeana Perrina w 1926 roku

Stała Avogadra została nazwana na cześć włoskiego naukowca Amedeo Avogadro (1776-1856), który w 1811 roku jako pierwszy zaproponował, że objętość gazu (przy danym ciśnieniu i temperaturze) jest proporcjonalna do liczby atomów lub cząsteczek niezależnie od charakter gazu.

Nazwa liczba Avogadro została ukuta w 1909 roku przez fizyka Jeana Perrina , który zdefiniował ją jako liczbę cząsteczek w dokładnie 16 gramach tlenu . Celem tej definicji było, aby masa mola substancji w gramach była liczbowo równa masie jednej cząsteczki w stosunku do masy atomu wodoru; która z powodu prawa określonych proporcji była naturalną jednostką masy atomowej i przyjmowano, że wynosi 1/16 masy atomowej tlenu.

Pierwsze pomiary

Józefa Loschmidta

Wartość liczby Avogadra (jeszcze nieznana pod tą nazwą) została po raz pierwszy uzyskana pośrednio przez Josefa Loschmidta w 1865 r., poprzez oszacowanie liczby cząstek w danej objętości gazu. Ta wartość, gęstość liczbowa n ₀ cząstek w NA _gazie doskonałym , jest teraz nazywana na jego cześć stałą Loschmidta i jest powiązana ze stałą Avogadro, , przez

${\ Displaystyle n_ {0} = {\ Frac {p_ {0} N _ {\ rm {A}}} {R \, T_ {0}}}}$ ,

gdzie p ₀ to ciśnienie , R to stała gazowa , a T ₀ to temperatura bezwzględna . Z powodu tej pracy symbol L jest czasami używany dla stałej Avogadra, aw literaturze niemieckiej nazwa ta może być używana dla obu stałych, różniących się jedynie jednostkami miary . (Jednak NA _stałą nie należy mylić z zupełnie inną Loschmidta w literaturze anglojęzycznej).

Sam Perrin określił liczbę Avogadro za pomocą kilku różnych metod eksperymentalnych. W 1926 otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki , głównie za tę pracę.

Ładunek elektryczny na mol elektronów jest stałą zwaną stałą Faradaya i jest znany od 1834 roku, kiedy to Michael Faraday opublikował swoje prace na temat elektrolizy . W 1910 roku Robert Millikan z pomocą Harveya Fletchera dokonał pierwszego pomiaru ładunku elektronu . Dzielenie ładunku na molu elektronów przez ładunek pojedynczego elektronu zapewniło dokładniejsze oszacowanie liczby Avogadra.

Definicja układu SI z 1971 r

W 1971 roku Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (BIPM) postanowiło uznać ilość substancji za niezależny wymiar miary , z molem jako podstawową jednostką w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar (SI). W szczególności mol został zdefiniowany jako ilość substancji, która zawiera tyle elementów elementarnych, ile jest atomów w 0,012 kilograma węgla-12 .

Zgodnie z tą definicją powszechna praktyczna zasada, że ​​​​„jeden gram materii zawiera N ₀ nukleonów” była dokładna dla węgla-12, ale nieco niedokładna dla innych pierwiastków i izotopów. Z drugiej strony jeden mol dowolnej substancji zawierał dokładnie tyle samo cząsteczek, co jeden mol dowolnej innej substancji.

W konsekwencji takiej definicji stała Avogadra N _{A w układzie SI} miała wymiar odwrotności ilości substancji, a nie czystej liczby i miała przybliżoną wartość 6,02 × 10 ²³ z jednostkami mol ⁻¹ . Zgodnie z tą definicją wartość NA z _natury musiała zostać określona eksperymentalnie.

BIPM nazwał również NA „ _stałą Avogadra ”, ale termin „liczba Avogadra” był nadal używany, zwłaszcza w pracach wprowadzających .

Redefinicja układu SI w 2019 r

Główny artykuł: redefinicja jednostek podstawowych SI w 2019 r

W 2017 roku BIPM zdecydował o zmianie definicji mola i ilości substancji. Mol został ponownie zdefiniowany jako ilość substancji zawierająca dokładnie 6,022 140 76 × 10 ²³ jednostek elementarnych. Jedną z konsekwencji tej zmiany jest to, że masa mola złożonego z ¹² atomów C nie wynosi już dokładnie 0,012 kg. Z drugiej strony dalton ( inaczej uniwersalna jednostka masy atomowej) pozostaje 1/12 niezmieniony stała jako masy ¹² C. Zatem masy molowej nie wynosi już dokładnie 1 g/mol, chociaż różnica ( 4,5 × 10 ^{- 10} w wartościach względnych, stan na marzec 2019 r.) jest nieistotne z praktycznego punktu widzenia.

Połączenie z innymi stałymi

Stała Avogadro N _A jest powiązana z innymi stałymi fizycznymi i właściwościami.

• Odnosi molową stałą gazową R i stałą Boltzmanna k _B , która w układzie SI jest zdefiniowana jako dokładnie 1,380 649 × 10 ⁻²³ J/K :

    R = k _B N _A = 8,314 462 618 ... J⋅mol ^{− 1} ⋅K ⁻¹

• Odnosi się to do stałej Faradaya F i ładunku elementarnego e , który w układzie SI jest określony jako dokładnie   1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ kulombów :

    F = e N _A = 9,648 533 212 ... × 10 ⁴ C⋅mol ⁻¹

• Odnosi się do stałej masy molowej M _u i stałej masy atomowej m _u obecnie 1,660 539 066 60 (50) × 10 ⁻²⁷ kg :

    M _u = m _u N _A = 0,999 999 999 65 (30) × 10 ⁻³ kg⋅ mol ⁻¹

• σ = 1 / { nie _dotyczy }

Zobacz też

• Dzień Kreta
• KODATA 2018

Linki zewnętrzne

• Definicja stałej Avogadra z 1996 r. Z Kompendium terminologii chemicznej IUPAC („ Złota księga ”)
• Kilka uwag na temat liczby Avogadra, 6,022 × 10 ²³ (notatki historyczne)
• Dokładna wartość liczby Avogadra - amerykański naukowiec
• Stałe Avogadra i molowe Plancka do redefinicji kilograma
• Murrell, John N. (2001). „Avogadro i jego stała”. Helvetica Chimica Acta . 84 (6): 1314–1327. doi : 10.1002/1522-2675(20010613)84:6<1314::AID-HLCA1314>3.0.CO;2-Q .
• Zeskanowana wersja „Dwóch hipotez Avogadro”, artykuł Avogadra z 1811 r., Na BibNum