Закон и число Авогадро

Итальянский физик и химик Амедео Авогадро (1776–1856) родился в Турине. Он получил юридическое образование. Но интерес и склонность к естественным наукам побудили его заняться самостоятельным изучением физики и математики. В 1806 г. он начинает преподавать физику в университетском лицее в Турине, а в 1820 г. становится профессором математической физики в Туринском университете.

Научные работы Авогадро посвящены различным областям физики и химии. В 1811 г. ученый высказал гипотезу, согласно которой молекулы простых газов состоят из одного или нескольких атомов. На её основе он сформулировал один из основных законов идеальных газов, получивший название закона Авогадро. Этот закон гласит: «В равных объемах любых газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул». (Под одинаковыми условиями имеются в виду температура и давление.) Закон Авогадро послужил одной из основ, на которой в дальнейшем стало развиваться атомно-молекулярное учение.

<addc>l</addc>

Из этого закона следует, что плотности газов, измеренные при одинаковых внешних условиях, относятся как их молярные массы. Если принять произвольно молярную массу какого‑либо газа за единицу (обычно 1/12 массы моля углерода), то можно, зная плотности газов, вычислять их относительные молярные массы.

Впоследствии один из основоположников физической химии — нидерландский ученый Я. Вант‑Гофф распространил законы идеальных газов на разбавленные растворы, исходя из следующей аналогии: «Растворенное вещество распространяется по всему объему растворителя, подобно тому как газ распространяется по пустому пространству, занимая весь объем».

Вант‑Гофф показал, что, подобно тому как газ оказывает давление на стенки сосуда, где он находится, растворенное вещество вызывает специфическое давление, которое ученый назвал осмотическим. Осмотическое давление равно давлению газа, которое наблюдалось бы, если бы мы удалили растворитель, а растворенное вещество заполнило бы тот же объем в виде газа. Таким образом, измеряя осмотическое давление данного вещества в каком‑либо растворителе, можно узнать плотность этого вещества в газообразном состоянии и вычислить при помощи закона Авогадро его молекулярную массу. Так удалось определить молекулярные массы веществ, которые трудно или невозможно получить в газообразном состоянии, например сахара.

Молем называют количество данного вещества, содержащее столько же молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода. Тогда закон Авогадро можно сформулировать еще и так: «Моль любого вещества содержит одно и то же число молекул». Это число получило название числа Авогадро. Оно равно 6,02•10²³ моль⁻¹. Число Авогадро определяют различными методами, некоторые из них основаны на изучении броуновского движения. Вторая формулировка закона Авогадро справедлива не только для газов, но и для жидкостей и твердых тел.

Знание числа Авогадро дает представление о масштабах микромира, о размерах молекул. Возьмем 1 см³ воды; его масса 1 г, что составляет 1/18 моля воды; следовательно, 1 см³ воды содержит (6,012/18)•10²³ = 3,34•10²² молекул воды. Стало быть, на долю одной молекулы приходится объем 1/(3,34•10²²) = 3.10⁻²³ см³ = 3•10⁻²⁹ м³. Считая, что в жидкости молекулы плотно прилегают друг к другу, найдем, что линейный размер молекулы, т. е. величина порядка корня кубического из её объема, составляет около 3•10⁻¹⁰ м, или 0,3 нм.

Линейные размеры других атомов и молекул также величины порядка десятых долей нанометра. Наименьшие частицы, доступные наблюдению в оптическом микроскопе, имеют размеры в несколько десятых микрометра, т. е. они содержат около 10 млрд атомов. Однако с помощью электронного микроскопа и некоторых других приборов (например, ионного проектора) можно наблюдать отдельные атомы.