როგორ განვსაზღვროთ ავოგადროს რიცხვი
ავოგადროს რიცხვი თანამედროვე ქიმიასა და ფიზიკაში ერთ-ერთი უმნიშვნელოვანესი ცნებაა, რადგან ის მიკროსკოპულ სამყაროს (ატომები, მოლეკულები, იონები) და მაკროსკოპულ სამყაროს (გრამები, ლიტრები და ობიექტები, რომელთა აწონვაც შეგვიძლია) შორის ხიდის როლს ასრულებს. ავოგადროს რიცხვის განსაზღვრის გაგება აადვილებს მოლების კონცეფციის გაგებას, ნივთიერებაში ნაწილაკების რაოდენობის გამოთვლას და სხვადასხვა სტექიომეტრიული ამოცანების ამოხსნას. ეს სტატია განიხილავს ავოგადროს რიცხვის განმარტებას, მის თეორიულ საფუძველს და მეცნიერებაში გამოყენებულ ავოგადროს რიცხვის განსაზღვრის რამდენიმე მეთოდს.
ავოგადროს რიცხვის გაგება
ავოგადროს რიცხვი (აღნიშნულია \(N_A\)-ით) არის ნივთიერების 1 მოლში შემავალი ნაწილაკების (ატომების, მოლეკულების ან სხვა ერთეულების) რაოდენობა. ავოგადროს რიცხვის ამჟამად მიღებული მნიშვნელობაა:
\[
N_A = 6{,}02214076 \times 10^{23}\ \text{მოლ}^{-1}
\]
ეს რიცხვი იმდენად დიდია, რადგან მატერიის შემადგენელი ნაწილაკები ძალიან პატარაა. მაგალითად, წყლის 1 მოლი შეიცავს დაახლოებით \(6{,}02 \ჯერ 10^{23}\) წყლის მოლეკულას. ავოგადროს რიცხვი არ არის მხოლოდ „დამახსოვრებული“ რიცხვი, არამედ მეცნიერების ისტორიის განმავლობაში ხანგრძლივი ექსპერიმენტებით დადგენილი გაზომვებისა და განმარტებების შედეგი.
ავოგადროს რიცხვსა და მოლების კონცეფციას შორის კავშირი
მოლის ცნება განისაზღვრება, როგორც ნივთიერების რაოდენობის ერთეული. მარტივად რომ ვთქვათ:
– ნივთიერების 1 მოლი = \(N_A\) ამ ნივთიერების ნაწილაკები.
– ნივთიერების 1 მოლის მასა (გრამებში) ტოლია მისი მოლური მასისა.
მაგალითად, ნახშირბად-12-ის მოლური მასა 12 გ/მოლია. ეს ნიშნავს, რომ ნახშირბად-12-ის 12 გრამი შეიცავს \(6{,}022 \ჯერ 10^{23}\) ნახშირბად-12 ატომს. ეს დამოკიდებულება საშუალებას გვაძლევს გამოვთვალოთ ნაწილაკების რაოდენობა მასიდან, რომლის აწონვაც ლაბორატორიაშია შესაძლებელი.
რატომ არის საჭირო ავოგადროს რიცხვის „განსაზღვრა“?
ისტორიულად, ავოგადროს რიცხვის მნიშვნელობა პირდაპირ ცნობილი არ იყო. მეცნიერებს სჭირდებოდათ მაკროსკოპული გაზომვების (მასა, მოცულობა, ელექტრული მუხტი) ნაწილაკების რაოდენობასთან დაკავშირების გზა. ამიტომ, ავოგადროს რიცხვი განისაზღვრა სხვადასხვა ექსპერიმენტული მეთოდითა და თეორიული მიდგომებით.
დღეს ავოგადროს რიცხვი ძალიან ზუსტად არის განსაზღვრული. 2019 წლის საერთაშორისო ინსტიტუტის ხელახალი განსაზღვრების შემდეგ, \(N_A\)-ს მნიშვნელობა ზუსტად ისეა განსაზღვრული, როგორც \(6{,}02214076 \times 10^{23}\). თუმცა, საგანმანათლებლო მიზნებისთვის, ავოგადროს რიცხვის განსაზღვრის გზის გაგება კვლავ მნიშვნელოვანია, რადგან ის გვეხმარება გავიგოთ, საიდან მოდის ეს რიცხვი და როგორ ზომავს მას მეცნიერება.
მეთოდი 1: ატომური მასიდან (ნახშირბად-12) მიდგომა
ავოგადროს რიცხვის გაგების ერთ-ერთი ყველაზე ფუნდამენტური გზა ნახშირბად-12 სტანდარტის გამოყენებაა. მოლი ოდესღაც განისაზღვრებოდა, როგორც ატომების რაოდენობა ნახშირბად-12-ის ზუსტად 12 გრამში. თუ ვიცით ნახშირბად-12-ის ერთი ატომის მასა, მაშინ ავოგადროს რიცხვის გამოთვლა შესაძლებელია:
\[
N_A = \frac{\text{1 მოლის მასა}}{\text{1 ატომის მასა}}
\]
რადგან ნახშირბად-12-ის 1 მოლის მასა 12 გრამია, მაშინ:
\[
N_A = \frac{12\ \text{g}}{m_{\text{C-12 ატომი}}}
\]
პრობლემა ის არის, რომ ერთი ატომის მასა ძალიან მცირეა და მისი პირდაპირი გაზომვა ჩვეულებრივი სასწორით მარტივად შეუძლებელია. თუმცა, ისეთი ტექნოლოგიების განვითარებით, როგორიცაა მას-სპექტრომეტრია და ატომური მასშტაბის გაზომვის ტექნიკა, ატომური მასის განსაზღვრა ირიბადაც შესაძლებელია. ეს მეთოდი უზრუნველყოფს ძლიერ კონცეპტუალურ საფუძველს იმის შესახებ, თუ როგორ უკავშირდება ავოგადროს რიცხვი ატომურ მასას.
მეთოდი 2: ელექტროლიზის მეთოდი (ფარადეის კანონი)
ავოგადროს რიცხვის განსაზღვრის კიდევ ერთი ცნობილი მეთოდი იყენებს ელექტროლიზს, ნივთიერების დაშლის პროცესს ელექტრული დენის გამოყენებით. ფარადეის კანონის თანახმად, ელექტროლიზის დროს რეაგირებადი ნივთიერების რაოდენობა პროპორციულია ელექტრული მუხტის ნაკადის რაოდენობისა.
ამ მეთოდის მთავარი იდეაა დაკავშირება:
– ელექტრონების 1 მოლის სრული მუხტი (ფარადეის მუდმივა, \(F\))
– ერთი ელექტრონის მუხტი (\(e\))
თუ ვიცით ფარადეის მუდმივა და ელექტრონის მუხტი, ავოგადროს რიცხვის გამოთვლა შესაძლებელია შემდეგნაირად:
\[
N_A = \frac{F}{e}
\]
ფარადეის მუდმივა დაახლოებით შემდეგია:
\[
F \დაახლ. 96485\ \text{C/მოლ}
\]
ელექტრონის მუხტი:
\[
e \დაახლოებით 1{,}602 \ჯერ 10^{-19}\ \ტექსტი{C}
\]
ასე რომ, დაახლოებით:
\[
N_A \დაახლოებით \frac{96485}{1{,}602 \ჯერ 10^{-19}} \დაახლოებით 6{,}02 \ჯერ 10^{23}
\]
ეს ძალიან ელეგანტური გზაა, რადგან ის ქიმიურ მოვლენებს (ჟანგვა-აღდგენით რეაქციებს) ფიზიკის ფუნდამენტურ მუდმივებთან (ელექტრონის მუხტი) აკავშირებს.
მეთოდი 3: სილიციუმის კრისტალის მეთოდი (რენტგენის კრისტალის სიმკვრივის მეთოდი)
თანამედროვე მეტროლოგიაში, ავოგადროს რიცხვის განსაზღვრის ერთ-ერთი ყველაზე ზუსტი მეთოდი უკიდურესად სუფთა სილიციუმის კრისტალების გამოყენებაა. ეს მეთოდი იყენებს იმ ფაქტს, რომ კრისტალებს აქვთ რეგულარული ატომური განლაგება და ატომებს შორის მანძილების გაზომვა შესაძლებელია რენტგენის დიფრაქციის გამოყენებით.
ზოგადი მიმოხილვა:
1. აიღეთ მაღალი სისუფთავისა და თითქმის იდეალური ფორმის სილიკონის სფერო.
2. ბურთის მოცულობა დიდი სიზუსტით გაზომეთ.
3. გაზომეთ ბურთის მასა მისი სიმკვრივის დასადგენად.
4. გამოიყენეთ სილიციუმის კრისტალური სტრუქტურის მონაცემები იმის დასადგენად, თუ რამდენი ატომია მოთავსებული მოცულობის ერთეულში.
მოცემულ მოცულობაში ატომების რაოდენობის ცოდნით და მისი მთლიან მასასთან დაკავშირებით, მეცნიერებს შეუძლიათ გამოთვალონ, რამდენი ატომია 1 მოლში, რაც ავოგადროს რიცხვია. ეს მეთოდი SI მუდმივების დადგენის მთავარი საყრდენია.
მეთოდი 4: იდეალური აირის მიდგომა (ისტორიული კონცეფცია)
ისტორიულად, ავოგადროს იდეა გაზებით დაიწყო: „იგივე ტემპერატურისა და წნევის დროს, გაზების თანაბარი მოცულობები შეიცავს ნაწილაკების თანაბარ რაოდენობას“. მიუხედავად იმისა, რომ ეს მიდგომა პირდაპირ არ იძლევა \(N_A\)-ის მნიშვნელობას, მან გზა გაუხსნა გაზის მოცულობის, მოლების რაოდენობისა და ნაწილაკების რაოდენობის დასაკავშირებლად.
მაგალითად, STP-ში (ძველი განმარტება: 0°C და 1 ატმ), იდეალური აირის 1 მოლი დაახლოებით 22,4 ლიტრ მოცულობას იკავებს. თუ ერთ დღეს მიკროსკოპული ექსპერიმენტების საშუალებით შევძლებდით ამ მოცულობაში ნაწილაკების რაოდენობის გამოთვლას, მაშინ ავოგადროს რიცხვის მიღება იქნებოდა შესაძლებელი. პრაქტიკაში, იდეალური აირის მეთოდი უფრო შესაფერისია, როგორც კონცეპტუალური საფუძველი სკოლის დონეზე, რადგან \(N_A\)-ის ზუსტი განსაზღვრა მოითხოვს უფრო ზუსტ მეთოდებს, როგორიცაა ელექტროლიზი და სილიციუმის კრისტალები.
როგორ გამოვიყენოთ ავოგადროს რიცხვი გამოთვლებში
მიუხედავად იმისა, რომ ავოგადროს რიცხვის ზუსტ განსაზღვრას მეცნიერები დახვეწილი აღჭურვილობით ახორციელებენ, სტუდენტები და კოლეჯის სტუდენტები ნაწილაკების რაოდენობას ყველაზე ხშირად \(N_A\) მნიშვნელობის გამოყენებით „განსაზღვრავენ“. ხშირად გამოყენებული ფორმულაა:
1. მოლების რაოდენობა მასიდან:
\[
n = \frac{m}{M}
\]
სადაც \(m\) = მასა (g) და \(M\) = მოლური მასა (g/mol).
2. ნაწილაკების რაოდენობა:
\[
N = n \times N_A
\]
სწრაფი მაგალითი: რამდენი მოლეკულაა 18 გრამ წყალში (\(H_2O\))?
– წყლის მოლური მასა = 18 გ/მოლი
– წყლის მოლები = \(18/18 = 1\) მოლი
– მოლეკულების რაოდენობა = \(1 \times 6{,}02 \times 10^{23} = 6{,}02 \times 10^{23}\)
დასკვნა
ავოგადროს რიცხვის განსაზღვრის მეთოდის გაგება შესაძლებელია რამდენიმე ძირითადი მიდგომით: ატომურ მასებს (ნახშირბად-12) შორის ურთიერთკავშირი, ფარადეის კანონის მეშვეობით ელექტროლიზი, სილიციუმის კრისტალური მეთოდი რენტგენის დიფრაქციით და იდეალური აირების კონცეპტუალური მიდგომა. ამ სხვადასხვა მეთოდებიდან ირკვევა, რომ ავოგადროს რიცხვი არ არის „შემთხვევითი“ რიცხვი, არამედ სამეცნიერო გაზომვების შედეგია, რომლებიც ატომურ მასშტაბს აკავშირებს იმ მასშტაბებთან, რომელთა გაზომვაც ყოველდღიურ ცხოვრებაში შეგვიძლია. მისი განსაზღვრის პროცესის გაგებით, ჩვენ არა მხოლოდ ვიმახსოვრებთ მის მნიშვნელობას, არამედ გვესმის მოლის კონცეფციის სამეცნიერო მნიშვნელობა და მთლიანად ქიმიური გამოთვლები.
