Avogadro sayını necə təyin etmək olar
Avogadro ədədi müasir kimya və fizikada ən vacib anlayışlardan biridir, çünki o, mikroskopik dünya (atomlar, molekullar, ionlar) ilə makroskopik dünya (qram, litr və çəkə biləcəyimiz cisimlər) arasında körpü rolunu oynayır. Avogadro ədədinin necə təyin olunacağını anlamaq mol anlayışını başa düşməyi, maddədəki hissəciklərin sayını hesablamağı və müxtəlif stexiometriya məsələlərini həll etməyi asanlaşdırır. Bu məqalədə Avogadro ədədinin tərifi, onun nəzəri əsasları və elmdə istifadə olunan Avogadro ədədinin təyin edilməsi üçün bir neçə üsul müzakirə olunur.
Avogadro rəqəmini anlamaq
Avogadro ədədi (\(N_A\) ilə işarə olunur) 1 mol maddədə olan hissəciklərin (atomların, molekulların və ya digər varlıqların) sayıdır. Avogadro ədədinin hazırda qəbul edilmiş qiyməti:
\[
N_A = 6{,}02214076 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}
\]
Bu rəqəm çox böyükdür, çünki maddəni təşkil edən hissəciklər çox kiçikdir. Məsələn, 1 mol su təxminən 102 dəfə 6023 su molekulundan ibarətdir. Avogadro ədədi sadəcə "əzbərlənmiş" bir rəqəm deyil, elm tarixi boyunca uzun təcrübələr nəticəsində müəyyən edilmiş ölçmələrin və təriflərin nəticəsidir.
Avogadro sayı ilə Moles anlayışı arasındakı əlaqə
Mol anlayışı maddənin miqdarının vahidi kimi müəyyən edilir. Sadə dillə desək:
– 1 mol maddə = həmin maddənin \(N_A\) hissəcikləri.
– 1 mol maddənin kütləsi (qramla) onun molar kütləsinə bərabərdir.
Məsələn, karbon-12-nin molyar kütləsi 12 q/mol-dur. Bu o deməkdir ki, 12 qram karbon-12 tərkibində \(6{,}022 \x 10^{23}\) karbon-12 atomu var. Bu əlaqə bizə laboratoriyada çəkilə bilən kütlədən hissəciklərin sayını hesablamağa imkan verir.
Avogadro ədədinin niyə "müəyyənləşdirilməsi" lazımdır?
Tarixən Avogadro ədədinin dəyəri birbaşa məlum deyildi. Alimlər makroskopik ölçmələri (kütlə, həcm, elektrik yükü) hissəciklərin sayı ilə əlaqələndirməyin bir yolunu tapmalı idilər. Buna görə də, Avogadro ədədi müxtəlif təcrübi metodlar və nəzəri yanaşmalar vasitəsilə təyin edildi.
Bu gün Avogadro ədədi çox dəqiq müəyyən edilir. 2019-cu il SI yenidən təyinindən bəri, \(N_A\) dəyəri hətta \(6{,}02214076 \times 10^{23}\ kimi dəqiq müəyyən edilir. Bununla belə, təhsil məqsədləri üçün Avogadro ədədinin necə təyin olunduğunu anlamaq vacib olaraq qalır, çünki bu, ədədin haradan gəldiyini və elmin onu necə ölçdüyünü anlamağımıza kömək edir.
Metod 1: Atom Kütləsindən (Karbon-12) yanaşma
Avogadro ədədini anlamağın ən fundamental yollarından biri karbon-12 standartıdır. Mol bir vaxtlar tam 12 qram karbon-12-dəki atomların sayı kimi təyin olunurdu. Bir karbon-12 atomunun kütləsini biliriksə, Avogadro ədədini hesablamaq olar:
\[
N_A = \frac{\text{1 mol kütləsi}}{\text{1 atom kütləsi}}
\]
1 mol karbon-12-nin kütləsi 12 qram olduğundan, onda:
\[
N_A = \frac{12\ \text{g}}{m_{\text{C-12 atom}}}
\]
Problem ondadır ki, tək bir atomun kütləsi çox kiçikdir və ənənəvi tərəzi ilə birbaşa asanlıqla ölçülə bilməz. Lakin, kütlə spektrometriyası və atom miqyaslı ölçmə texnikaları kimi texnologiyaların inkişafı ilə atom kütləsi dolayı yolla müəyyən edilə bilər. Bu metod Avogadro ədədinin atom kütləsi ilə necə əlaqəli olduğuna dair güclü konseptual əsas təmin edir.
Metod 2: Elektroliz Metodu (Faradey Qanunu)
Avogadro ədədini təyin etmək üçün başqa bir tanınmış metod, elektrik cərəyanı istifadə edərək maddənin parçalanması prosesi olan elektrolizdən istifadə edir. Faraday qanunu, elektrolizdə reaksiyaya girən maddənin miqdarının axan elektrik yükünün miqdarı ilə mütənasib olduğunu bildirir.
Bu metodun əsas ideyası əlaqə qurmaqdır:
– 1 mol elektronun ümumi yükü (Faradey sabiti, \(F\) adlanır)
– Bir elektronun yükü (\(e\))
Əgər Faraday sabitini və elektronun yükünü biliriksə, Avogadro ədədini aşağıdakı kimi hesablamaq olar:
\[
N_A = \frac{F}{e}
\]
Faraday sabiti təxminən belədir:
\[
F \təxminən 96485\ \text{C/mol}
\]
Elektron yükü:
\[
e \approx 1{,}602 \times 10^{-19}\ \text{C}
\]
Beləliklə, təxminən:
\[
N_A \approx \frac{96485}{1{,}602 \times 10^{-19}} \approx 6{,}02 \times 10^{23}
\]
Bu, çox zərif bir yoldur, çünki kimyəvi hadisələri (redoks reaksiyaları) fizikanın fundamental sabitləri (elektron yükü) ilə əlaqələndirir.
Metod 3: Silikon Kristal Metodu (Rentgen Kristal Sıxlığı Metodu)
Müasir metrologiyada Avogadro ədədini təyin etməyin ən dəqiq üsullarından biri son dərəcə təmiz silikon kristallarından istifadə etməkdir. Bu üsul kristalların müntəzəm atom düzülüşünə malik olması və atomlar arasındakı məsafələrin rentgen difraksiyası ilə ölçülə bilməsi faktından istifadə edir.
Ümumi baxış:
1. Yüksək təmizliyə və demək olar ki, mükəmməl formaya malik bir silikon kürə götürün.
2. Topun həcmini böyük dəqiqliklə ölçün.
3. Topun sıxlığını tapmaq üçün onun kütləsini ölçün.
4. Vahid həcmdə neçə atomun olduğunu tapmaq üçün silisium kristal quruluş məlumatlarından istifadə edin.
Müəyyən bir həcmdəki atomların sayını bilməklə və onu ümumi kütlə ilə əlaqələndirməklə, elm adamları 1 molda neçə atomun olduğunu, yəni Avoqadro ədədini hesablaya bilərlər. Bu metod SI sabitlərinin müəyyən edilməsində əsas sütundur.
Metod 4: İdeal Qaz Yanaşması (Tarixi Konsepsiya)
Tarixən Avogadronun ideyası qazlarla başladı: “Eyni temperatur və təzyiqdə bərabər həcmli qazlar bərabər sayda hissəcik ehtiva edir.” Bu yanaşma birbaşa \(N_A\) dəyərini verməsə də, qaz həcmini, mol sayını və hissəcik sayını əlaqələndirmək üçün yol açdı.
Məsələn, STP-də (köhnə tərif: 0°C və 1 atm), ideal qazın 1 molu təxminən 22,4 litr həcm tutur. Əgər bir gün mikroskopik təcrübələr vasitəsilə həmin həcmdəki hissəciklərin sayını hesablaya bilsəydik, onda Avogadro ədədi əldə edilə bilərdi. Praktikada ideal qaz metodu məktəb səviyyəsində konseptual təməl kimi daha uyğundur, çünki \(N_A\)-nin dəqiq təyini elektroliz və silikon kristalları kimi daha dəqiq metodlar tələb edir.
Avogadro ədədini hesablamalarda necə istifadə etmək olar
Avogadro ədədinin dəqiq təyini mürəkkəb avadanlıqlarla işləyən elm adamları tərəfindən aparılsa da, tələbələr və kollec tələbələri əksər hallarda hissəciklərin sayını \(N_A\) dəyərindən istifadə edərək "müəyyən edirlər". Ən çox istifadə edilən düstur belədir:
1. Kütlədən molların sayı:
\[
n = \frac{m}{M}
\]
\(m\) = kütlə (q) və \(M\) = molar kütlə (q/mol) ilə.
2. Hissəciklərin sayı:
\[
N = n \times N_A
\]
Qısa nümunə: 18 qram suda (\(H_2O\)) neçə molekul var?
– Suyun molyar kütləsi = 18 q/mol
– Suyun molları = (18/18 = 1) mol
– Molekulların sayı = \(1 \times 6{,}02 \times 10^{23} = 6{,}02 \times 10^{23}\)
Nəticə
Avogadro ədədinin təyini metodu bir neçə əsas yanaşma vasitəsilə başa düşülə bilər: atom kütlələri (karbon-12) arasındakı əlaqə, Faraday qanunu vasitəsilə elektroliz, rentgen difraksiyası ilə silikon kristal metodu və ideal qazların konseptual yanaşması. Bu müxtəlif metodlardan aydın olur ki, Avogadro ədədi "təsadüfi" bir ədəd deyil, əksinə, atom şkalasını gündəlik həyatda ölçə biləcəyimiz şkalalarla əlaqələndirən elmi ölçmələrin nəticəsidir. Onu təyin etmə prosesini anlamaqla, biz yalnız onun dəyərini əzbərləmirik, həm də mol anlayışının elmi mənasını və bütövlükdə kimyəvi hesablamaları başa düşürük.
