Як вызначыць лік Авагадра
Лік Авагадра — адно з найважнейшых паняццяў у сучаснай хіміі і фізіцы, паколькі яно выступае ў якасці маста паміж мікраскапічным светам (атамы, малекулы, іоны) і макраскапічным светам (грамы, літры і прадметы, якія мы можам узважваць). Разуменне таго, як вызначыць лік Авагадра, палягчае разуменне паняцця моляў, вылічэнне колькасці часціц у рэчыве і рашэнне розных задач стехіаметрыі. У гэтым артыкуле абмяркоўваецца вызначэнне ліку Авагадра, яго тэарэтычная аснова і некалькі метадаў вызначэння ліку Авагадра, якія выкарыстоўваюцца ў навуцы.
Разуменне ліку Авагадра
Лік Авагадра (пазначаецца як \(N_A\)) — гэта колькасць часціц (атамаў, малекул або іншых аб'ектаў), якія змяшчаюцца ў 1 молі рэчыва. Прынятае ў цяперашні час значэнне ліку Авагадра:
\[
N_A = 6{,}02214076 \times 10^{23}\ \text{моль}^{-1}
\]
Гэты лік настолькі вялікі, таму што часціцы, з якіх складаецца матэрыя, вельмі малыя. Напрыклад, 1 моль вады змяшчае прыблізна \(6{,}02² \times 10^{23}\) малекул вады. Лік Авагадра — гэта не проста «запомнены» лік, а хутчэй вынік вымярэнняў і азначэнняў, устаноўленых у выніку працяглых эксперыментаў на працягу ўсёй гісторыі навукі.
Hubungan Bilangan Avogadro dengan Канцэпцыя крата
Паняцце моля вызначаецца як адзінка колькасці рэчыва. Простымі словамі:
– 1 моль рэчыва = \(N_A\) часціц гэтага рэчыва.
– Massa 1 mol zat (dalam gram) sama dengan massa molarnya.
Напрыклад, малярная маса вугляроду-12 складае 12 г/моль. Гэта азначае, што 12 грамаў вугляроду-12 утрымліваюць \(6{,}022 \times 10^{23}\) атамаў вугляроду-12. Гэтая залежнасць дазваляе нам вылічыць колькасць часціц па масе, якую можна ўзважыць у лабараторыі.
Чаму лік Авагадра трэба "вызначаць"?
Гістарычна склалася, што значэнне ліку Авагадра не было непасрэдна вядома. Навукоўцам трэба было знайсці спосаб звязаць макраскапічныя вымярэнні (маса, аб'ём, электрычны зарад) з колькасцю часціц. Таму лік Авагадра вызначаўся з дапамогай розных эксперыментальных метадаў і тэарэтычных падыходаў.
Сёння лік Авагадра вызначаецца вельмі дакладна. Пасля перавызначэння СІ ў 2019 годзе значэнне \(N_A\) нават вызначаецца дакладна як \(6{,}02214076 \times 10^{23}\). Аднак для адукацыйных мэтаў разуменне таго, як вызначаецца лік Авагадра, застаецца важным, бо гэта дапамагае нам зразумець, адкуль бярэцца гэты лік і як яго вымярае навука.
Метад 1: Падыход з атамнай масы (вуглярод-12)
Адзін з самых фундаментальных спосабаў зразумець лік Авагадра — гэта выкарыстанне стандарту вугляроду-12. Моль калісьці вызначаўся як колькасць атамаў у роўна 12 грамах вугляроду-12. Калі мы ведаем масу аднаго атама вугляроду-12, то лік Авагадра можна вылічыць:
\[
N_A = \frac{\text{маса 1 моля}}{\text{маса 1 атама}}
\]
Паколькі маса 1 моля вугляроду-12 роўная 12 грамам, то:
\[
N_A = \frac{12\ \text{г}}{м_{\text{атам C-12}}}
\]
Праблема ў тым, што маса аднаго атама вельмі малая і яе нельга лёгка вымераць непасрэдна з дапамогай звычайных вагаў. Аднак з развіццём такіх тэхналогій, як мас-спектрометрыя і метады вымярэнняў на атамным узроўні, атамную масу можна вызначыць ускосна. Гэты метад забяспечвае трывалую канцэптуальную аснову для таго, як лік Авагадра суадносіцца з атамнай масай.
Метад 2: метад электролізу (закон Фарадэя)
Іншы вядомы метад вызначэння ліку Авагадра выкарыстоўвае электроліз — працэс раскладання рэчыва з дапамогай электрычнага току. Закон Фарадэя сцвярджае, што колькасць рэчыва, якое рэагуе пры электролізе, прапарцыйная колькасці працякаючага электрычнага зарада.
Ключавая ідэя гэтага метаду заключаецца ў падключэнні:
– Агульны зарад 1 моля электронаў (званы пастаяннай Фарадэя, \(F\))
– Зарад аднаго электрона (\(e\))
Калі мы ведаем пастаянную Фарадэя і зарад электрона, лік Авагадра можна вылічыць наступным чынам:
\[
N_A = \frac{F}{e}
\]
Пастаянная Фарадэя прыблізна роўная:
\[
F \прыблізна 96485\ \text{C/моль}
\]
Зарад электрона:
\[
e \прыблізна 1{,}602 \раз 10^{-19}\ \text{C}
\]
Такім чынам, прыкладна:
\[
N_A \прыблізна \frac{96485}{1{,}602 \кратны 10^{-19}} \прыблізна 6{,}02 \кратны 10^{23}
\]
Ini merupakan cara yang sangat elegan karena menghubungkan fenomena kimia (акісляльна-аднаўленчая рэакцыя) dengan konstanta fundamental fisika (muatan elektron).
Метад 3: метад крышталяў крэмнію (метад рэнтгенаўскай шчыльнасці крышталяў)
У сучаснай метралогіі адным з найбольш дакладных метадаў вызначэння ліку Авагадра з'яўляецца выкарыстанне надзвычай чыстых крышталяў крэмнію. Гэты метад выкарыстоўвае той факт, што крышталі маюць рэгулярнае размяшчэнне атамаў, і адлегласці паміж атамамі можна вымераць з дапамогай рэнтгенаўскай дыфракцыі.
Агульны агляд:
1. Вазьміце крэмніевую сферу высокай чысціні і амаль ідэальнай формы.
2. Вымерайце аб'ём шара з вялікай дакладнасцю.
3. Вымерайце масу шара, каб знайсці яго шчыльнасць.
4. Gunakan data struktur kristal silikon untuk mengetahui berapa banyak atom yang terkandung per satuan volume.
Dengan mengetahui jumlah atom dalam volume tertentu dan menghubungkannya dengan massa total, para ilmuwan dapat menghitung berapa atom dalam 1 mol, yaitu bilangan Avogadro. Metode ini menjadi salah satu pilar penting dalam penetapan konstanta-konstanta SI.
Метад 4: падыход ідэальнага газу (гістарычная канцэпцыя)
Secara historis, gagasan Avogadro bermula dari gas: “Pada suhu dan tekanan yang sama, volume gas yang sama mengandung jumlah partikel yang sama.” Meskipun tidak langsung memberikan nilai (N_A), pendekatan ini membuka jalan untuk menghubungkan volume gas, jumlah mol, dan jumlah partikel.
Напрыклад, пры стандартнай тэмпературы (старое вызначэнне: 0°C і 1 атм) 1 моль ідэальнага газу займае аб'ём каля 22,4 л. Калі б аднойчы мы змаглі вылічыць колькасць часціц у гэтым аб'ёме з дапамогай мікраскапічных эксперыментаў, то можна было б атрымаць лік Авагадра. На практыцы метад ідэальнага газу больш падыходзіць у якасці канцэптуальнай асновы на школьным узроўні, таму што дакладнае вызначэнне \(N_A\) патрабуе больш дакладных метадаў, такіх як электроліз і крышталі крэмнію.
Як выкарыстоўваць лік Авагадра ў разліках
Нягледзячы на тое, што дакладнае вызначэнне ліку Авагадра выконваецца навукоўцамі з дапамогай складанага абсталявання, студэнты і студэнты каледжаў часцей за ўсё «вызначаюць» колькасць часціц, выкарыстоўваючы значэнне \(N_A\). Звычайна выкарыстоўваецца формула:
1. Колькасць моляў з масы:
\[
n = \frac{m}{M}
\]
дзе \(m\) = маса (г) і \(M\) = малярная маса (г/моль).
2. Колькасць часціц:
\[
N = n памножанае на N_A
\]
Хуткі прыклад: колькі малекул у 18 грамах вады (\(H_2O\))?
– Малярная маса вады = 18 г/моль
– Молі вады = \(18/18 = 1\) моляў
– Колькасць малекул = (1 × 6⁻¹⁸⁹ × 10⁻²³ = 6⁻¹⁸⁹ × 10⁻²³)
Выснова
Метад вызначэння ліку Авагадра можна зразумець з дапамогай некалькіх асноўных падыходаў: сувязь паміж атамнымі масамі (вуглярод-12), электроліз паводле закона Фарадэя, метад крышталяў крэмнію з рэнтгенаўскай дыфракцыяй і канцэптуальны падыход ідэальных газаў. З гэтых розных метадаў відаць, што лік Авагадра — гэта не «выпадковы» лік, а хутчэй вынік навуковых вымярэнняў, якія звязваюць атамны маштаб з маштабамі, якія мы можам вымяраць у паўсядзённым жыцці. Разумеючы працэс яго вызначэння, мы не толькі запамінаем яго значэнне, але і разумеем навуковы сэнс паняцця моля і хімічных разлікаў у цэлым.
