Авогадро санын кантип аныктоо керек
Авогадро саны заманбап химия жана физикадагы эң маанилүү түшүнүктөрдүн бири болуп саналат, анткени ал микроскопиялык дүйнө (атомдор, молекулалар, иондор) менен макроскопиялык дүйнөнүн (грамм, литр жана биз таразалай турган объектилер) ортосундагы көпүрө катары кызмат кылат. Авогадро санын кантип аныктоону түшүнүү моль түшүнүгүн түшүнүүнү, заттагы бөлүкчөлөрдүн санын эсептөөнү жана ар кандай стехиометриялык маселелерди чечүүнү жеңилдетет. Бул макалада Авогадро санынын аныктамасы, анын теориялык негизи жана илимде колдонулган Авогадро санын аныктоонун бир нече ыкмалары талкууланат.
Авогадронун санын түшүнүү
Авогадро саны (\(N_A\) менен белгиленет) - бул заттын 1 молунда камтылган бөлүкчөлөрдүн (атомдордун, молекулалардын же башка нерселердин) саны. Авогадро санынын учурда кабыл алынган мааниси:
\[
N_A = 6{,}02214076 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}
\]
Бул сан ушунчалык чоң, анткени затты түзгөн бөлүкчөлөр абдан кичинекей. Мисалы, 1 мол суу болжол менен \(6{,}02 \көбөйтүү 10^{23}\) суу молекулаларын камтыйт. Авогадро саны жөн гана "жатып калган" сан эмес, тескерисинче, илим тарыхындагы узак эксперименттер аркылуу аныкталган өлчөөлөрдүн жана аныктамалардын натыйжасы.
Авогадро саны менен Моль түшүнүгүнүн ортосундагы байланыш
Моль түшүнүгү заттын санынын бирдиги катары аныкталат. Жөнөкөй сөз менен айтканда:
– Заттын 1 молу = ошол заттын бөлүкчөлөрү (N_A).
– 1 моль заттын массасы (грамм менен) анын молярдык массасына барабар.
Мисалы, көмүртек-12нин молярдык массасы 12 г/моль. Бул 12 грамм көмүртек-12де 6{,}022 10^{23}\) көмүртек-12 атомдору бар экенин билдирет. Бул байланыш бизге лабораторияда таразага тартыла турган массадан канча бөлүкчөлөрдү эсептөөгө мүмкүндүк берет.
Эмне үчүн Авогадронун санын "аныктоо" керек?
Тарыхый жактан алганда, Авогадро санынын мааниси түздөн-түз белгилүү болгон эмес. Окумуштуулар макроскопиялык өлчөөлөрдү (масса, көлөм, электр заряды) бөлүкчөлөрдүн саны менен байланыштыруунун жолун табышы керек болчу. Ошондуктан, Авогадро саны ар кандай эксперименталдык ыкмалар жана теориялык мамилелер аркылуу аныкталган.
Бүгүнкү күндө Авогадро саны абдан так аныкталат. 2019-жылдагы SI кайра аныктамасынан бери, \(N_A\) мааниси \(6{,}02214076 \times 10^{23}\ катары да так аныкталат. Бирок, билим берүү максатында Авогадро саны кантип аныкталаарын түшүнүү маанилүү бойдон калууда, анткени бул сан кайдан келип чыкканын жана илим аны кантип өлчөй турганын түшүнүүгө жардам берет.
1-ыкма: Атомдук массадан (Көмүртек-12) ыкма
Авогадро санын түшүнүүнүн эң негизги жолдорунун бири - көмүртек-12 стандарты. Моль бир кезде так 12 грамм көмүртек-12деги атомдордун саны катары аныкталган. Эгерде биз бир көмүртек-12 атомунун массасын билсек, анда Авогадро санын эсептеп чыгууга болот:
\[
N_A = \frac{\text{1 молдун массасы}}{\text{1 атомдун массасы}}
\]
1 мол көмүртек-12нин массасы 12 грамм болгондуктан, анда:
\[
N_A = \frac{12\ \text{g}}{m_{\text{C-12 atom}}}
\]
Маселе, бир атомдун массасы өтө кичинекей жана аны кадимки тараза менен түз өлчөө оңой эмес. Бирок, массалык спектрометрия жана атомдук масштабдагы өлчөө ыкмалары сыяктуу технологиялардын өнүгүшү менен атомдук массаны кыйыр түрдө аныктоого болот. Бул ыкма Авогадро санынын атомдук массага кандай тиешеси бар экендиги үчүн күчтүү концептуалдык негиз берет.
2-ыкма: Электролиз ыкмасы (Фарадейдин закону)
Авогадро санын аныктоонун дагы бир белгилүү ыкмасы электролизди, башкача айтканда, электр тогун колдонуп затты ажыратуу процессин колдонот. Фарадейдин мыйзамы электролизде реакцияга кирген заттын көлөмү агып жаткан электр зарядынын көлөмүнө пропорционалдуу экенин айтат.
Бул ыкманын негизги идеясы - байланыштыруу:
– 1 моль электрондун жалпы заряды (Фарадей туруктуусу, \(F\) деп аталат)
– Бир электрондун заряды (\(e\))
Эгерде биз Фарадей туруктуусун жана электрондун зарядын билсек, Авогадро санын төмөнкүдөй эсептөөгө болот:
\[
N_A = \frac{F}{e}
\]
Фарадейдин туруктуусу болжол менен:
\[
F \prx 96485\ \text{C/моль}
\]
Электрондун заряды:
\[
e \approx 1{,}602 \times 10^{-19}\ \text{C}
\]
Ошентип, болжол менен:
\[
N_A \approx \frac{96485}{1{,}602 \times 10^{-19}} \approx 6{,}02 \times 10^{23}
\]
Бул абдан жарашыктуу ыкма, анткени ал химиялык кубулуштарды (калыбына келүү-калыбына келүү реакцияларын) физиканын фундаменталдык константалары (электрон заряды) менен байланыштырат.
3-ыкма: Кремний кристаллдарынын ыкмасы (Рентген кристаллдарынын тыгыздыгын аныктоо ыкмасы)
Заманбап метрологияда Авогадро санын аныктоонун эң так ыкмаларынын бири - өтө таза кремний кристаллдарын колдонуу. Бул ыкма кристаллдардын атомдук жайгашуусу туруктуу экендигин жана атомдордун ортосундагы аралыкты рентген дифракциясы аркылуу өлчөөгө болорун колдонот.
Жалпы сереп:
1. Жогорку тазалыкка жана дээрлик идеалдуу формага ээ кремний шарын алыңыз.
2. Топтун көлөмүн өтө тактык менен өлчөңүз.
3. Топтун тыгыздыгын табуу үчүн анын массасын өлчөңүз.
4. Кремнийдин кристаллдык түзүлүшүнүн маалыматтарын колдонуп, көлөм бирдигинде канча атом бар экенин аныктагыла.
Окумуштуулар берилген көлөмдөгү атомдордун санын билип жана аны жалпы масса менен байланыштыруу менен 1 молдо канча атом бар экенин эсептей алышат, бул Авогадро саны. Бул ыкма SI туруктууларын аныктоодо негизги тирек болуп саналат.
4-ыкма: Идеалдуу газ ыкмасы (тарыхый концепция)
Тарыхый жактан алганда, Авогадронун идеясы газдардан башталган: "Бирдей температурада жана басымда бирдей көлөмдөгү газдар бирдей сандагы бөлүкчөлөрдү камтыйт." Бул ыкма \(N_A\) маанисин түз бербесе да, ал газдын көлөмүн, мольдордун санын жана бөлүкчөлөрдүн санын байланыштырууга жол ачкан.
Мисалы, STPде (эски аныктамасы: 0°C жана 1 атм), идеалдуу газдын 1 молу болжол менен 22,4 л көлөмдү ээлейт. Эгерде бир күнү биз микроскопиялык эксперименттер аркылуу ошол көлөмдөгү бөлүкчөлөрдүн санын эсептей алсак, анда Авогадро санын алууга болот. Иш жүзүндө идеалдуу газ ыкмасы мектеп деңгээлинде концептуалдык негиз катары ылайыктуураак, анткени \(N_A\) так аныктоо электролиз жана кремний кристаллдары сыяктуу так ыкмаларды талап кылат.
Авогадро санын эсептөөдө кантип колдонуу керек
Авогадро санын так аныктоо татаал жабдуулары бар окумуштуулар тарабынан жүргүзүлсө да, студенттер жана колледж студенттери көбүнчө бөлүкчөлөрдүн санын \(N_A\) маанисин колдонуп "аныкташат". Көп колдонулган формула:
1. Массадан алынган мольдордун саны:
\[
n = \frac{m}{M}
\]
мында √м = масса (г) жана √м = молярдык масса (г/моль).
2. Бөлүкчөлөрдүн саны:
\[
N = n \times N_A
\]
Кыскача мисал: 18 грамм сууда (\(H_2O\)) канча молекула бар?
– Суунун молярдык массасы = 18 г/моль
– Суунун молдору = (18/18 = 1) мол
– Молекулалардын саны = (1 \times 6{,}02 \times 10^{23} = 6{,}02 \times 10^{23})
Корутунду
Авогадро санын аныктоо ыкмасын бир нече негизги ыкмалар аркылуу түшүнүүгө болот: атомдук массалардын ортосундагы байланыш (көмүртек-12), Фарадей закону аркылуу электролиз, рентген дифракциясы менен кремний кристалл ыкмасы жана идеалдуу газдардын концептуалдык ыкмасы. Бул ар кандай ыкмалардан Авогадро саны "кокустук" сан эмес, тескерисинче, атомдук масштабды күнүмдүк жашоодо өлчөй турган масштабдар менен байланыштырган илимий өлчөөлөрдүн натыйжасы экени айкын болот. Аны аныктоо процессин түшүнүү менен биз анын маанисин жаттап гана тим болбостон, мол түшүнүгүнүн илимий маанисин жана жалпысынан химиялык эсептөөлөрдү түшүнөбүз.
