Число Авогадро
Современная классическая физика полна архаизмов, одним из которых является «число Авогадро». Вот как оно определяется в современных справочниках по физике:
В 1814 году итальянский учёный Амадео Авогадро (1776 – 1856) опубликовал статью «Очерк об относительных массах молекул простых тел, или предполагаемых плотностях их газа, и о конституции некоторых из их соединений», в которой он сформулировал новый закон:
«…равные объёмы газообразных веществ при одинаковых давлениях и температурах отвечают равному числу молекул, так что плотности различных газов представляют собою меру масс молекул соответствующих газов».
Сам Авогадро ни в этой статье, ни позже, не предпринимал попыток посчитать это самое количество молекул, поэтому в этом смысле он никакого отношения к числу (постоянной) названной его именем не имеет. Вычислять это число стали позже и совсем другие учёные. Поскольку в то время атомная физика только только осваивала открывшиеся горизонты, ни кто и понятие не имел о структуре атома. Но подсчитать открытые Авогадро молекулы очень хотелось.
Первым эту попытку предпринял в 1866 г. Йозеф Лошмидт (1821-1895) и насчитал 1,81*10^(24) молекул в одном куб. метре газа.
Приблизительно в это же время голландский физик Ван дер Ваальс (1837 – 1923) предположил, что молекул в одном моле идеального газа (0,022414 куб. м) должно быть более 4,5*10^(23), что собственно уже представляло собой число Авогадро, но значение, которое ещё было далеко от реального.
В наше время, с иными финансовыми возможностями, «число Авогадро» определили следующим образом.
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). Однако в январе 2011 года были опубликованы результаты новых измерений, считающиеся более точными: N(A) = 6,02214078(18)*10^(23) моль^(-1).
Итак, казалось бы, эпопея с определением «числа Авогадро» подошла к своему финалу. Но не всё так просто.
Для того чтобы понять что же все таки сосчитало это самое «число Авогадро» необходимо разобраться с понятием «моль».
Сегодня под «молем» понимают количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.
Итак, под «молем» понимается 12 граммов углерода-12. Зная, сколько весит один атом углерода, не сложно определить, сколько таких атомов содержит один «моль».
В соответствии с таблицей Менделеева углерод-12 содержит в своём составе 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов.
m(p) – 1,6726*10^(-27) кг;
m(n) – 1,6749*10^(-27) кг;
m(э) – 9,109*10*^(-31) кг.
Масса атома углерода-12 в этом случае равна
М(С) = 6m(p) + 6m(n) + 6m(э) = 20,0905^10(-27) кг
N = 0,012 / М(С) = 5,97297*10^(23) моль^(-1)
А теперь посмотрим, сколько максимум может содержать структурных элементов один килограмм идеального вещества состоящего только из одних протонов:
N(max) = 1 / m(p) = 5,978716*10^(26) кг^(-1) = 5,978716*10^(23) г^(-1)
Таким образом, во-первых, современный «моль» в определении «числа Авогадро» соответствует одному грамму, поэтому не совсем понятно кому нужен был этот мыльный пузырь. А, во-вторых, его «абсолютно точное» значение ни имеет никакого отношения к реальности – это чистой воды алхимия.
Молекулярная физика. Моль. Постоянная Авогадро. Количество вещества.
Моль — количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна относительной атомной (молекулярной) массе.
Моль — единица количества вещества в СИ (одна из основных единиц СИ).
В 1 моле содержится столько молекул (атомов или других частиц вещества), сколько атомов содержится в 0,012 кг нуклида углерода 12 С с атомной массой 12.
Из этого определения следует, что в одном моле любого вещества содержится одно и то же число атомов или молекул.
Число это называется постоянной Авогадро и обозначается NA:
Постоянная Авогадро (число Авогадро) — это число атомов (молекул, или других структурных элементов вещества), содержащихся в 1 моле.
Постоянная Авогадро — одна из фундаментальных физических констант. Она входит в некоторые другие постоянные, например, в постоянную Больцмана.
Количество вещества.
Количество вещества — это число частиц вещества (атомов, молекул), выраженное в молях. Учитывая определение моля и числа Авогадро, можно сказать, что количество вещества v равно отношению числа молекул N в данном теле к постоянной Авогадро NA, т.е. к числу молекул в 1 моле вещества:
.
Как определить количество атомов в молекуле?
Чтобы узнать число атомов в молекуле, достаточно знать молекулярную формулу вещества. После чего мы суммируем число всех атомов в молекуле. Число атомов конкретного химического элемента в веществе мы узнаем по нижнему индексу.
Среди простых веществ, в природе молекулы встречаются не так часто. Среди них: водород H2, азот N2, кислород O2, озон O3, йод I2. За исключением озона все эти молекулы содержат по 2 атома.
Примеры
Определить количество атомов в молекуле воды H2O.
Молекула воды содержит 2 атома водорода и 1 атом кислорода. Значит всего в молекуле содержится 3 атома.
Определить количество атомов в молекуле этана C2H6.
Молекула содержит 2 атома углерода и 6 атомов водорода. Всего в молекуле содержится 2 + 6 = 8 атомов.
Определить количество атомов в молекуле оксида азота (V) N2O5.
Молекула содержит 2 атома азота и 5 атомов кислорода. Всего в молекуле содержится 2 + 5 = 7 атомов.
Определить количество атомов в молекуле пищевой соды NaHCO3.
Молекула содержит 1 атом натрия, 1 атом водорода и 3 атома кислорода. Всего в молекуле содержится 1 + 1 + 3 = 5 атомов.
Определить число атомов в молекуле глюкозы C6H12O6.
Молекула содержит 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. Всего в молекуле содержится 6 + 12 + 6 = 24 атома.
Определить число атомов в молекуле аспаргина (одна из аминокислот) C4H8O3N2.
Как видим, молекула аспаргина содержит 4 атома углерода, 8 атомов водорода, 3 атома кислорода и 2 атома азота. Всего молекула содержит 4 + 8 + 3 + 2 = 17 атомов.
Как видим, рассчитать общее число атомов в молекуле не такая уж и сложная задача.
Что такое число Авогадро
Число Авогадро — это число частиц в одном моле любого вещества (атомов, молекул, ионов и др.), т. е. молекулярная масса в граммах и примерно равно 6,02214076 ⋅ 10²³ моль⁻¹. Ещё число Авога́дро называется постоянная Авогадро или константа Авогадро.
Более кратко это число может обозначаться как 6,02 ⋅ 10²³, например: 1 моль железа (Fe) содержит 6,02 · 10²³ атомов Fe.
Моль — это стандартная единица измерения в химии, которая позволяет взвешивать два вещества, таким образом, что получается равное количество атомов (молекул или др.) в обоих веществах.
Обычно число Авогадро обозначается как 
или L.
Чему равен 1 моль?
В одном моле 6,02·10²³ молекул (это число Авогадро).
Что показывает постоянная Авогадро?
Это количество молекул (атомов или др.) вещества на моль. Иногда требуется узнать количество молекул (атомов или др.), которые принимают участие в химической реакции.
Моль — это стандартная единица измерения количества вещества, в котором есть столько же частиц, сколько атомов в 12 г. углерода. Это количество равно постоянной Авогадро, т. е. примерно 6,02 · 10²³ атомов на моль.
Формулы Авогадро
Закон Авогадро
Два газа, взятые в равных объёмах и при одинаковой температуре и давлении, будут иметь одинаковое число молекул (этот закон работает только для газов).
Следствие о молекулярном весе
При равных объёмах любые газы вмещают одинаковое число молекул, следовательно, молекулярный вес (m) газа будет пропорционален его плотности (d):
m = k · d, (где k – коэффициент пропорциональности).
При одинаковых температурах и давлении объем газа (V) прямо пропорционален количеству газа (n):
V / n = k, (где k – коэффициент пропорциональности).
Следствие о молекулярном объёме
При одинаковых температурах и давлении, равное число молекул двух разных газов займут одинаковый объём:
Можно определить количество газообразного вещества (n), поделив объём газа (V) на молярный объём (Vm).
Следствие о молекулярной плотности
ρ = m / V, где ρ — плотность, m — масса, V — объём.
Эта формула, при нормальных условиях и 1 моль газа выглядит таким образом:
Чтобы получить относительную плотность газа (ρ (газа)), нужно поделить молярную массу газа (M) на молярный объём (Vm).
Порядковый номер Число атомов
В молекуле
Рис. 1.1. Индексы у символа химического элемента.
Н2 – молекула водорода, состоящая из двух атомов элементаводорода.
Сu 2+ – ион меди с зарядом 2+.
С – атом углерода с зарядом ядра, равным 6 и массовым числом, равным 12.
Многие химические элементы имеют атомы, отличающиеся значением массового числа. Такие элементы представляют собой изотопы данного химического элемента.
Например, для элемента водорода известны следующие изотопы:
H, 
H, 
H
H – легкий изотоп водорода, протий, химический знак – H,
H – тяжелый изотоп водорода, дейтерий, химический знак – D,
H – сверхтяжелый изотоп водорода, тритий, химический знак – T.
Атомы различных химических элементов, отличающиеся величиной заряда ядра (Z), но характеризующиеся одинаковым значением массового числа (А), называются изобарами.
Например: атомы аргона, калия и кальция с одинаковым массовым числом 40 являются изобарами:
Ar, 
K, 
Ca.
Состав молекул сложных веществ выражается при помощи химических формул. На основании химической формулы можно дать название вещества и указать его химический состав. Химическая формула обозначает:
1. Одну молекулу или 1 моль молекул вещества.
2. Из каких элементов состоит вещество.
3. Число атомов каждого элемента, содержащихся в молекуле данного вещества.
Например, формула НNО3 показывает:
1. Это азотная кислота.
2. Это 1 молекула азотной кислоты или 1 моль молекул азотной кислоты.
3. Молекула азотной кислоты состоит из элементов водорода, элемента азота и элемента кислорода (качественный состав).
4. В состав молекулы азотной кислоты входят один атом элемента водорода, один атом элемента азота, три атома элемента кислорода (количественный состав).
Простые и сложные вещества
Исходя из основных положений атомно-молекулярного учения, можно дать определения простого и сложного вещества.
Простыми веществами называются вещества, состоящие из атомов одного химического элемента.
Сложными веществами называются вещества, состоящие из атомов различных химических элементов.
Следует заметить, что такое сложное вещество, как, например, вода Н2О, состоит не из водорода и кислорода (это названия простых веществ – водорода – Н2 и кислорода – O2), а из атомов элемента водорода – Н и атомов элемента кислорода – O.
Некоторые химические элементы способны образовывать несколько простых веществ, отличающихся друг от друга по строению и свойствам. В настоящее время известно более 400 простых веществ. Так, элемент углерод образует простые вещества: графит, алмаз, карбин и фулерен. При сгорании каждого из этих веществ образуется только оксид углерода (IV) СО2. Это подтверждает то, что эти простые вещества состоят из атомов одного и того же элемента Суглерода.
Явление, при котором один и тот же элемент может образовать несколько простых веществ, называется аллотропией, а образуемые при этом простые вещества – аллотропными модификациями.
Примером аллотропных модификаций могут быть простые вещества – кислород О2 и озон О3, образованные атомами одного и того же элемента – кислорода.
Явление аллотропии вызывается двумя причинами:
· различным числом атомов в молекуле, например, кислород О2 и озон О3,
· различным строением кристаллической решетки и образованием различных кристаллических форм, например, алмаз, графит, карбин и фулерен.
Способность вещества участвовать в тех или иных химических реакциях характеризует химические свойства вещества.
Химические явления (процессы) – это процессы, в результате которых из одних веществ образуются другие вещества.
Если в результате протекания процесса химическая природа вещества не меняется, то такие процессы считаются физическими.
Примерами физических процессов традиционно считаются изменения агрегатного состояния вещества: плавление ионных кристаллов некоторых солей, плавление металлов, испарение воды и других жидкостей и т.д.
Следует заметить, что такой процесс, как растворение, считают физико-химическим, и, в данном случае, границы между химическими и физическими явлениями достаточно условны.
Принято различать чистые (химически чистые) вещества и смеси веществ.
Чистыми или индивидуальными веществами называют вещества, состоящие из частиц одного вида (содержащие одинаковые структурные единицы).
Примерами могут служить серебро (содержит только атомы серебра), серная кислота и оксид углерода (IV) (содержат только молекулы соответствующих веществ).
Чистые вещества характеризуются постоянством физических свойств, например, температурой плавления (Тпл) и температурой кипения (Ткип).
Вещество не является чистым, если содержит какое-либо количество одного или нескольких других веществ –примесей.
Если система образована смешиванием нескольких чистых веществ, причем их свойства при этом не изменились и ее можно разделить с помощью физических методов на исходные вещества, то такая система называется смесью. Почва, морская вода, воздух – все это примеры различных смесей. Вещества, входящие в состав смеси, называются компонентами. Содержание компонентов в смеси может меняться в широких пределах.
Многие смеси могут быть разделены на составные части – компоненты – на основании различия их физических свойств. Среди большого числа методов, используемых для разделения и очистки веществ, можно назвать:
· отстаивание с последующей декантацией,
· разделение с помощью делительной воронки,
· перегонка (в том числе фракционная перегонка),
Следует заметить, что на практике вещества, называемые «чистыми», являются таковыми лишь условно. Очистка веществ представляет сложную задачу и получение абсолютно чистых веществ, содержащих структурные единицы только одного вида, практически невозможно.
