Зная количество вещества в молях и число Авогадро очень легко посчитать, сколько молекул содержится в этом веществе. Достаточно просто умножить число Авогадро на количество вещества.
N=N A *ν
И если вы пришли в поликлинику сдавать анализы, ну, скажем, кровь на сахар, зная число Авогадро, вы легко сможете посчитать количество молекул сахара в вашей крови. Ну, к примеру, анализ показал 5 моль. Умножим этот результат на число Авогадро и получим 3 010 000 000 000 000 000 000 000 штук. Глядя на эту цифру становится понятно, почему отказались мерить молекулы штуками, и стали мерить молями.
Молярная масса (M).
Если же количество вещества неизвестно, то его можно найти, разделив массу вещества на его молярную массу.
N=N A * m / M .
Единственный вопрос, который может тут возникнуть: «что же такое молярная масса?» Нет, это не масса маляра, как может показаться!!! Молярная масса — это масса одного моля вещества. Тут все просто, если в одном моле содержится N A частиц (т.е. равное числу Авогадро) , то, умножая массу одной такой частицы m 0 на число Авогадро, мы получим молярную массу.
M=m 0 *N A .
Молярная масса — это масса одного моля вещества.
И хорошо если она известна, а если нет? Придется вычислять массу одной молекулы m 0 . Но и это не проблема. Необходимо знать только её химическую формулу и иметь под рукой таблицу Менделеева.
Относительная молекулярная масса (M r).
Если количество молекул в веществе величина очень большая, то масса одной молекулы m0 напротив, величина очень маленькая. Поэтому для удобства расчетов была введена относительная молекулярная масса (M r) . Это отношение массы одной молекулы или атома вещества, к 1 / 12 массы атома углерода. Но пусть это вас не пугает, для атомов её указывают в таблице Менделеева, а для молекул она рассчитывается как сумма относительных молекулярных масс всех атомов, входящих в молекулу. Относительная молекулярная масса измеряется в атомных единицах масс (а.е.м) , в пересчете на килограммы 1 а.е.м.=1,67 10 -27 кг. Зная это, мы можем легко определить массу одной молекулы, умножив относительную молекулярную массу на 1,67 10 -27 .
m 0 = M r *1,67*10 -27 .
Относительная молекулярная масса — отношение массы одной молекулы или атома вещества, к 1 / 12 массы атома углерода.
Связь между молярной и молекулярной массами.
Вспомним формулу для нахождения молярной массы:
M=m 0 *N A .
Так как m 0 = M r * 1,67 10 -27 , мы можем выразить молярную массу как:
M=M r *N A *1,67 10 -27 .
Теперь если умножить число Авогадро N A на 1,67 10 -27 , мы получим 10 -3 , то есть чтобы узнать молярную массу вещества, достаточно только умножить его молекулярную массу на 10 -3 .
M=M r *10 -3
Но не спешите все это делать вычисляя количество молекул. Если нам известна масса вещества m, то разделив её на массу молекулы m 0 , мы получим количество молекул в этом веществе.
N=m / m 0
Конечно неблагодарное это дело молекулы считать, мало того, что они маленькие, так еще и движутся постоянно. Того и гляди собьешься, и придется считать заново. Но в науке, как в армии — есть такое слово «надо», и поэтому даже атомы и молекулы были посчитаны…
> Число Авогадро
Узнайте, чему равно число Авогадро в молях. Изучите соотношение количества вещества молекул и число Авогадро, броуновское движение, постоянная газа и Фарадея.
Количество молекул в моле именуют числом Авогадро, которое составляет 6.02 х 10 23 моль -1 .
Задача обучения
- Разобраться в связи числа Авогадро и молях.
Основные пункты
- Авогадро выдвинул предположение, что в случае единых давления и температуры равные газовые объемы вмещают одинаковое количество молекул.
- Постоянная Авогадро выступает важным фактором, так как связывает другие физические постоянные и свойства.
- Альберт Эйнштейн считал, что это число можно вывести из величин броуновского движения. Впервые измерить его удалось в 1908 году Жану Перрину.
Термины
- Постоянная газа – универсальная постоянная (R), вытекающая из закона об идеальном газе. Ее добывают из постоянной Больцмана и числа Авогадро.
- Постоянная Фарадея – величина электрического заряда на моль электронов.
- Броуновское движение – случайное смещение элементов, формирующихся из-за ударов с отдельными молекулами в жидкости.
Если столкнулись с изменением количества вещества, то проще использовать единицу, отличную от количества молекул. Моль выступает базовой единицей в международной системе и передает вещество, вмещающее столько же атомов, сколько хранится в 12 г углерода-12. Это количество вещества именуют числом Авогадро.
Ему удалось установить связь между массами одного объема разных газов (в условиях одинаковой температуры и давления). Это способствует взаимосвязи их молекулярных масс
Число Авогадро передает количество молекул в одном грамме кислорода. Не забывайте, что это указание на количественную характеристику вещества, а не на независимый размер измерения. В 1811 году Авогадро догадался, что объем газа может выступать пропорциональным количеству атомов или молекул и на это не будет влиять природа газа (число – универсальное).
Нобелевскую премию по физике в 1926 году получил Жан Перинн, который смог вывести постоянную Авогадро. Так что число Авогадро равно 6.02 х 10 23 моль -1 .
Научное значение
Постоянная Авогадро играет роль важного связующего звена в макро- и микроскопических природных наблюдениях. Она как бы прокладывает мост для других физических постоянных и свойств. Например, налаживает связь между газовой постоянной (R) и Больцмана (k):
R = kN A = 8.314472 (15) Дж моль -1 K -1 .
А также между постоянной Фарадея (F) и элементарным зарядом (e):
F = N A e = 96485.3383 (83) C моль -1 .
Вычисление постоянной
Определение числа влияет на вычисление массы атома, которую добывают через деление массы моля газа на число Авогадро. В 1905 году Альберт Эйнштейн предлагал вывести ее, основываясь на величинах броуновского движения. Именно эту идею и протестировал в 1908 году Жан Перрин.
Из школьного курса химии нам известно, что если взять один моль какого-нибудь вещества, то в нем будет 6.02214084(18).10^23 атомов или других структурных элементов (молекул, ионов и т.д.). Для удобства число Авогадро принято записывать в таком виде: 6.02 . 10^23.
Однако почему постоянная Авогадро (на украинском языке «стала Авогадро») равна именно такому значению? Ответ на этот вопрос в учебниках отсутствует, а историки от химии предлагают самые разные версии. Такое впечатление, что число Авогадро имеет некий тайный смысл. Ведь есть же магические числа, куда некоторые относят число «пи», числа фибоначчи, семерку (на востоке восьмерку), 13 и т.д. Будем бороться с информационным вакуумом. О том, кто такой Амедео Авогадро, и почему в честь этого ученого помимо сформулированного им закона, найденной константы был также назван кратер на Луне, мы говорить не будет. Об этом и без того написано множество статей.
Если быть точным, не занимался подсчетами молекул или атомов в каком-то определенном объеме. Первым, кто попытался выяснить, сколько молекул газа
содержится в заданном объеме при одинаковом давлении и температуре, был Йозеф Лошмидт, а было это в 1865 году. В результате своих экспериментов Лошмидт пришел к выводу, что в одном кубическом сантиметре любого газа в обычных условиях находится 2.68675 . 10^19 молекул.
Впоследствии было изобретено независимых способов того, как можно определить число Авогадро и поскольку результаты в большей части совпадали, то это лишний раз говорило в пользу действительного существования молекул. На данный момент число методов перевалило за 60, но в последние годы ученые стараются еще больше повысить точность оценки, чтобы ввести новое определение термина «килограмм». Пока что килограмм сопоставляется с выбранным материальным эталоном без какого-либо фундаментального определения.
Однако вернемся к нашему вопросу - почему данная константа равна 6.022 . 10^23?
В химии, в 1973 г., для удобства в расчетах было предложено ввести такое понятие как «количество вещества». Основной единицей для измерения количества стал моль. Согласно рекомендациям IUPAC, количество любого вещества пропорционально числу его конкретных элементарных частиц. Коэффициент пропорциональности не зависит от типа вещества, а число Авогадро является его обратной величиной.
Для наглядности возьмем какой-нибудь пример. Как известно из определения атомной единицы массы, 1 а.е.м. соответствует одной двенадцатой от массы одного атома углерода 12С и составляет 1.66053878.10^(−24) грамма. Если умножить 1 а.е.м. на константу Авогадро, то получится 1.000 г/моль. Теперь возьмем какой-нибудь скажем, бериллий. Согласно таблице масса одного атома бериллия составляет 9.01 а.е.м. Посчитаем чему равен один моль атомов этого элемента:
6.02 х 10^23 моль-1 * 1.66053878х10^(−24) грамм * 9.01 = 9,01 грамм/моль.
Таким образом, получается, что численно совпадает с атомной.
Постоянная Авогадро была специально выбрана так, чтобы молярная масса соответствовала атомной либо безразмерной величине - относительной молекулярной Можно сказать, что число Авогадро обязано своему появлению, с одной стороны, атомной единице массы, а с другой - общепринятой единице для сравнения массы - грамму.
Доктор физико-математических наук Евгений Мейлихов
Введение (в сокращении) к книге: Мейлихов Е. З. Число Авогадро. Как увидеть атом. - Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2017.
Итальянский учёный Амедео Авогадро - современник А. С. Пушкина - был первым, кто понял, что количество атомов (молекул) в одном грамм-атоме (моле) вещества одинаково для всех веществ. Знание же этого числа открывает путь к оценке размеров атомов (молекул). При жизни Авогадро его гипотеза не получила должного признания.
Истории числа Авогадро посвящена новая книга Евгения Залмановича Мейлихова, профессора МФТИ, главного научного сотрудника НИЦ «Курчатовский институт».
Если бы в результате какой-либо мировой катастрофы все накопленные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ пришла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это - атомная гипотеза: …все тела состоят из атомов - маленьких телец, находящихся в беспрерывном движении.
Р. Фейнман. Фейнмановские лекции по физике
Число Авогадро (константа Авогадро, постоянная Авогадро) определяется как количество атомов в 12 граммах чистого изотопа углерода-12 (12 C). Обозначается оно обычно как N A , реже L. Значение числа Авогадро, рекомендованное CODATA (рабочая группа по фундаментальным постоянным) в 2015 году: N A = 6,02214082(11)·10 23 моль -1 . Моль - это количество вещества, которое содержит N A структурных элементов (то есть столько же элементов, сколько атомов содержится в 12 г 12 C), причем структурными элементами обычно являются атомы, молекулы, ионы и др. По определению атомная единицы массы (а.е.м.) равна 1/12 массы атома 12 C. Один моль (грамм-моль) вещества имеет массу (молярную массу), которая, будучи выраженной в граммах, численно равна молекулярной массе этого вещества (выраженной в атомных единицах массы). Например: 1 моль натрия имеет массу 22,9898 г и содержит (примерно) 6,02 · 10 23 атомов, 1 моль фторида кальция CaF 2 имеет массу (40,08 + 2·18,998) = 78,076 г и содержит (примерно) 6,02·10 23 молекул.
В конце 2011 года на XXIV Генеральной конференции по мерам и весам единогласно принято предложение определить моль в будущей версии Международной системы единиц (СИ) таким образом, чтобы избежать его привязки к определению грамма. Предполагается, что в 2018 году моль будет определён непосредственно числом Авогадро, которому будет приписано точное (без погрешности) значение, базирующееся на результатах измерений, рекомендованных CODATA. Пока же число Авогадро является не принимаемой по определению, а измеряемой величиной.
Эта константа названа в честь известного итальянского химика Амедео Авогадро (1776-1856), который хотя сам этого числа и не знал, но понимал, что это очень большая величина. На заре развития атомной теории Авогадро выдвинул гипотезу (1811 год), согласно которой при одинаковых температуре и давлении в равных объёмах идеальных газов содержится одинаковое число молекул. Позже было показано, что эта гипотеза есть следствие кинетической теории газов, и сейчас она известна как закон Авогадро. Его можно сформулировать так: один моль любого газа при одинаковых температуре и давлении занимает один и тот же объём, при нормальных условиях равный 22,41383 л (нормальным условиям соответствуют давление P 0 = 1 атм и температура T 0 = 273,15 К). Эта величина известна как молярный объём газа.
Первую попытку найти число молекул, занимающих данный объём, предпринял в 1865 году Й. Лошмидт. Из его вычислений следовало, что количество молекул в единице объёма воздуха равно 1,8·10 18 см -3 , что, как оказалось, примерно в 15 раз меньше правильного значения. Через восемь лет Дж. Максвелл привёл гораздо более близкую к истине оценку - 1,9·10 19 см -3 . Наконец в 1908 году Перрен даёт уже приемлемую оценку: N A = 6,8·10 23 моль -1 числа Авогадро, найденную из экспериментов по броуновскому движению.
С тех пор было разработано большое число независимых методов определения числа Авогадро, и более точные измерения показали, что в действительности в 1 см 3 идеального газа при нормальных условиях содержится (примерно) 2,69·10 19 молекул. Эта величина называется числом (или постоянной) Лошмидта. Ей соответствует число Авогадро N A ≈ 6,02·10 23 .
Число Авогадро - одна из важных физических постоянных, сыгравших большую роль в развитии естественных наук. Но является ли она «универсальной (фундаментальной) физической постоянной»? Сам этот термин не определён и обычно ассоциируется с более или менее подробной таблицей числовых значений физических констант, которые следует использовать при решении задач. В связи с этим фундаментальными физическими постоянными зачастую считаются те величины, которые не являются константами природы и обязаны своим существованием всего лишь выбранной системе единиц (таковы, например, магнитная и электрическая постоянные вакуума) или условным международным соглашениям (такова, например, атомная единица массы). В число фундаментальных констант часто включают многие производные величины (например, газовую постоянную R, классический радиус электрона r e = e 2 /m e c 2 и т. п.) или, как в случае с молярным объёмом, значение некоторого физического параметра, относящегося к специфическим экспериментальным условиям, которые выбраны лишь из соображений удобства (давление 1 атм и температура 273,15 К). С этой точки зрения число Авогадро есть истинно фундаментальная константа.
Истории и развитию методов определения этого числа и посвящена настоящая книга. Эпопея длилась около 200 лет и на разных этапах была связана с многообразными физическими моделями и теориями, многие из которых не потеряли актуальности и по сей день. К этой истории приложили руку самые светлые научные умы - достаточно назвать А. Авогадро, Й. Лошмидта, Дж. Максвелла, Ж. Перрена, А. Эйнштейна, М. Смолуховского. Список можно было бы и продолжить...
Автор должен признаться, что идея книги принадлежит не ему, а Льву Фёдоровичу Соловейчику - его однокашнику по Московскому физико-техническому институту, человеку, который занимался прикладными исследованиями и разработками, но в душе остался физиком-романтиком. Это человек, который (один из немногих) продолжает «и в наш жестокий век» бороться за настоящее «высшее» физическое образование в России, ценит и в меру сил пропагандирует красоту и изящество физических идей. Известно, что из сюжета, который А. С. Пушкин подарил Н. В. Гоголю, возникла гениальная комедия. Конечно, здесь не тот случай, но, может быть, и эта книга покажется кому-то полезной.
Эта книга - не «научно-популярный» труд, хотя и может показаться таковым с первого взгляда. В ней на некотором историческом фоне обсуждается серьёзная физика, используется серьёзная математика и обсуждаются довольно сложные научные модели. Фактически книга состоит из двух (не всегда резко разграниченных) частей, рассчитанных на разных читателей - одним она может показаться интересной с историко-химической точки зрения, а другие, возможно, сосредоточатся на физико-математической стороне проблемы. Автор же имел в виду любознательного читателя - студента физического или химического факультета, не чуждого математики и увлечённого историей науки. Есть ли такие студенты? Точного ответа на этот вопрос автор не знает, но, исходя из собственного опыта, надеется, что есть.
Информация о книгах Издательского дома «Интеллект» - на сайте www.id-intellect.ru
Количество вещества
ν равно отношению числа молекул в данном теле к числу атомов в 0,012 кг углерода, то есть количеству молекул в 1 моле вещества.
ν = N / N A
где N – количество молекул в данном теле, N A – количество молекул в 1 моле вещества, из которого состоит тело. N A – это постоянная Авогадро. Количество вещества измеряется в молях. Постоянная Авогадро
– это количество молекул или атомов в 1 моле вещества. Эта постоянная получила своё название в честь итальянского химика и физика Амедео Авогадро
(1776 – 1856). В 1 моле любого вещества содержится одинаковое количество частиц.
N A = 6,02 * 10 23 моль -1 Молярная масса
– это масса вещества, взятого в количестве одного моля:
μ = m 0 * N A
где m 0 – масса молекулы. Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль = кг*моль -1). Молярная масса связана с относительной молекулярной массой соотношением:
μ = 10 -3 * M r [кг*моль -1 ]
Масса любого количества вещества m равна произведению массы одной молекулы m 0 на количество молекул:
m = m 0 N = m 0 N A ν = μν
Количество вещества равно отношению массы вещества к его молярной массе:
ν = m / μ
Массу одной молекулы вещества можно найти, если известны молярная масса и постоянная Авогадро:
m 0 = m / N = m / νN A = μ / N A
Идеальный газ - математическая модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями. В расширенной модели идеального газа частицы, из которого он состоит, имеют также форму в виде упругих сфер или эллипсоидов, что позволяет учитывать энергию не только поступательного, но и вращательно-колебательного движения, а также не только центральные, но и нецентральные столкновения частиц и др. }
