Sari la conținut

Numărul lui Avogadro

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Amedeo Avogadro

Închimieșifizică,constanta lui Avogadro(numită după savantulAmedeo Avogadro) este numărul particulelor constituente, de obiceiatomisaumolecule,care sunt conținute încantitatea de substanțădată de unmol.Astfel, ea este un factor de proporționalitate, care leagămasa molarăa unui compus cumasaunui eșantion. Constanta lui Avogadro, adesea marcată cu simbolulNAsauL,arevaloarea602.214.076.000.000.000.000.000 înSistemul Internațional de Unități(SI).[1][2]

Definițiile anterioare ale cantității de substanță implicaunumărul lui Avogadro,termen istoric strâns legat de constanta lui Avogadro, dar definit în mod diferit: numărul lui Avogadro era inițial definit deJean Baptiste Perrinca numărul de atomi într-ogram-moleculădehidrogenatomic, adică un gram de hidrogen. Acest număr este, de asemenea, cunoscut sub numele deconstanta Loschmidtîn literatura germană de specialitate. Constanta a fost mai târziu redefinită ca fiind numărul de atomi din 12gde izotop decarbon-12⁠(d)(12C), și încă mai târziu generalizată ca legătură între cantitatea de substanță și greutatea moleculară.[3]De exemplu, la oprimă aproximare⁠(d),1 gram dehidrogenelementar (H), având numărul atomic (și de masă) 1, are6.022×1023atomi de hidrogen. Similar, 12 g de12C, cu numărul de masă 12 (numărul atomic 6), are același număr de atomi de carbon,6.022×1023.Numărul lui Avogadro este ocantitate adimensionalăși are aceeași valoare numerică a lui Avogadro dată în unități de bază. În contrast, constanta lui Avogadro aredimensiuneainversului cantității de substanță.

Revizuirea setului de bază de unități SI a necesitat redefinirile conceptelor de cantitate chimică. Numărul lui Avogadro, și definiția sa, a fost descurajată în favoarea constantei lui Avogadro și a definiției sale. Sunt propuse modificări în unitățile SI pentru a stabili valoarea constantă la exact6.02214X×1023atunci când este exprimată în unitatea mol-1,în care un "X" la sfârșitul unui număr înseamnă una sau mai multe cifre finale asupra cărora încă nu s-a convenit.

Istoria[modificare|modificare sursă]

Constanta lui Avogadro este numită după omul de știință italian din secolul al XIX-leaAmedeo Avogadro,care, în 1811, a fost primul care a avansat ideea că volumul unui gaz (la o anumită presiune și temperatură) este proporțional cu numărul deatomisaumolecule,indiferent de natura gazului.[4]Fizicianul francezJean Perrina propus în 1909 numirea constantei în onoarea lui Avogadro.[5]Perrin a primit în 1926Premiul Nobel pentru Fizică,în mare parte pentru munca sa de determinare a constantei lui Avogadro prin mai multe metode diferite.[6]

Valoarea constantei lui Avogadro a fost pentru prima oară indicată deJohann Josef Loschmidt,care în 1865 a estimat diametrul mediu al moleculelor din aer printr-o metodă care este echivalentă cu calcularea numărului de particule dintr-un volum dat de gaz.[7]Această din urmă valoare,numărul de densitatede particule într-ungaz ideal,este acum numităconstanta Loschmidtîn onoarea lui, și este legată de constanta lui Avogadro,NA,prin relația

undep0estepresiunea,Resteconstanta gazului idealșiT0estetemperatura absolută⁠(d).Legătura cu Loschmidt este sursa simboluluiLfolosit uneori pentru constanta lui Avogadro, și în literatura de specialitate delimba germanăambele constante pot purta același nume, distingându-se numai prinunitatea de măsură.[8]

Determinări precise ale numărului lui Avogadro impun măsurarea unei singure mărimi la scară atomică și la scară macroscopică folosind aceeași unitate de măsură. Acest lucru a devenit posibil pentru prima dată când fizicianul americanRobert Millikana măsuratsarcina unui electronîn1910.Sarcina electrică pemolde electroni este o constantă numităconstanta lui Faradayși a fost cunoscut încă din1834,cândMichael Faradaya publicatlucrările sale despre electroliză.Împărțind sarcina unui mol de electroni la cea a unui singur electron, se obține numărul lui Avogadro.[9]Din 1910, calcule mai noi au determinată cu mai mare precizie valorile pentru constanta lui Faraday constantă și pentru sarcina elementară. (A se vedea mai jos)

Perrina propus inițial ca denumirea denumărul lui Avogadro(N) să se refere la numărul de molecule dintr-un singurgram-moleculădeoxigen(exact 32 g de oxigen, în conformitate cu definițiile vremii),[5]și acest termen este încă utilizat pe scară largă, mai ales în manualele introductive.[10]Schimbarea de nume înconstanta lui Avogadro(NA) a venit odată cu introducerea molului, caunitate fundamentală⁠(d)înSistemul Internațional de Unități(SI) în 1971,[11]care recunoșteacantitatea de substanțăcadimensiune de măsurareindependentă.[12]După această recunoaștere, constanta lui Avogadro nu mai este un număr pur, ci are și ounitate de măsură,anume inversul molului (mol-1).[12]

Rolul general în știință[modificare|modificare sursă]

Constanta lui Avogadro este un factor de scalare între observațiile macroscopice și microscopice (atomice⁠(d)) ale naturii. Ca atare, acesta oferă o legătură între alte constante fizice și proprietăți. De exemplu, după valorile2014 CODATA,[13]ea stabilește următoarea relație întreconstanta gazului idealRșiconstanta BoltzmannkB,

și întreconstanta lui FaradayFșisarcina elementarăe,

Constanta lui Avogadro intră și în definițiaunității unificate de masă atomică,u,

undeMuesteconstanta de masă molară⁠(d).

Măsurare[modificare|modificare sursă]

Coulombmetrie[modificare|modificare sursă]

Cea mai veche metodă precisă pentru a măsura valoarea de constanta lui Avogadro s-a bazat pecoulombmetrie.Principiul este de a măsuraconstanta lui Faraday,F,care reprezintăsarcina electricătransportată de un mol de electroni, și să o împartă lasarcina elementară,e,pentru a obține constanta lui Avogadro.

Experimentul clasic este acela al lui Bower și Davis de laNIST,[14]și se bazează pe dizolvareaargintuluimetalic dinanodulunei celule deelectroliză,în timp ce prin ea trece uncurent electricconstantIpentru un timp cunoscutt.Dacămeste masa de argint pierdută din anod șiAreste masa atomică a argintului, atunci constanta lui Faraday este dată de:

Oamenii de știință de la NIST au elaborat o metodă de a compensa argintul pierdut din anod prin cauze mecanice, și au efectuat oanaliză a izotopilor⁠(d)de argint folosit pentru a-i determina masa atomică. Valoarea lor pentru constanta Faraday convențională esteF90=96485.39(13) C/mol,ceea ce corespunde la o valoare pentru constanta lui Avogadro de6.0221449(78)×1023mol−1:ambele valori au oincertitudine relativă standardde1.3×10−6.

Măsurarea masei electronului[modificare|modificare sursă]

Comisia de Date pentru Știință și Tehnologie (CODATA) publică valorile pentru constantele fizice pentru utilizare internațională. Ea determină constanta lui Avogadro[15]din raportul dintre masa molară aelectronuluiAr(e)Muși masa de repaus a electronuluime:

Masa atomică relativă a unui electron,Ar(e), este o cantitate direct măsurată, iarconstanta de masă molară⁠(d),Mu,este o constantă definită în SI. Totuși,masa de repaus a electronului⁠(d)se calculează din alte constante măsurate:[15]

Cum poate fi observat în tabelul de mai jos, principalul factor limitativ în precizia constantei lui Avogadro este incertitudinea privind valoareaconstantei Planck,întrucât toate celelalte constante care contribuie la calcul sunt cunoscute mai precis.

Constanta Simbolul Valoarea2014 CODATA Incertitudinea relativă standard Coeficientul de corelație

cuNA

Raportul maselor proton-electron mp/me 1836.152 673 89(17) 9.5×10-11 -0.0003
Constanta de masă molară⁠(d) Mu 0.001 kg/mol = 1 g/mol definită —
Constanta Rydberg⁠(d) R∞ 10 973 731.568 508(65) m-1 5.9×10-12 -0.0002
Constanta Planck h 6.626 040 070(81)×10-34J s 1.2×10-8 -0.9993
Viteza luminii c 299 792 458 m/s definită —
Constanta structurii fine α 7.297 352 5664(17)×10-3 2.3×10-10 0.0193
Constanta lui Avogadro NA 6.022 140 857(74)×1023mol-1 1.2×10-8 1

Metode pe baza densității cristalelor cu raze X[modificare|modificare sursă]

Model cu bile și linii al uneicelule unitaredesiliciu.Difracția de raze X măsoară parametrul de rețeaa,care este folosit pentru a calcula o valoare pentru constanta lui Avogadro.

O metodă modernă de a determina constanta lui Avogadro este utilizarea decristalografie cu raze X.Cristalele unice desiliciupot fi produse astăzi în unități comerciale cu extrem de mare puritate și cu defecte minime ale structurii cristaline. Această metodă definește constanta lui Avogadro ca raportul dintrevolumul molar,Vm,și volumul atomicVatom:

,undeșineste numărul de atomi pe celula unitate de volumVcell.

Celula unitate de siliciu are o structură cubică cu 8 atomi, iar unitatea de volum a celulelor poate fi măsurată prin determinarea unui singur parametru al celulei unitate, și anume lungimea uneia dintre laturile cubului,a.[16]

În practică, măsurătorile sunt efectuate pe o distanță cunoscută cad220(Si), care este distanța dintre planele notate cuindicii Miller⁠(d){220}, și este egală cua/√8. În2006 CODATA,valoarea pentrud220(Si) este192.0155762(50) pm,o incertitudine relativă de2.8×10−8,corespunzătoare pentru o celulă unitate de volum1.60193304(13)×10−28m3.

Compoziția proporțională deizotopia eșantionului utilizat trebuie să fie și ea evaluată și luată în considerare. Siliciul apare în trei izotopi (28Si29Si30Si), și variația naturală a proporțiilor lor este mai mare decât alte incertitudini ale măsurătorilor.Masa atomică relativăArpentru proba de cristal poate fi calculată, întrucât masele atomice relative ale celor treinuclidesunt cunoscute cu mare precizie. Acest lucru, împreună cudensitateaρmăsurată a eșantionului, permite determinarea volumului molarVm:

undeMueste constanta de masă molară. Valoarea 2006 CODATA pentru volum molar de siliciu este 12.058 8349(11) cm3mol-1,cu o incertitudine relativă standard de9.1×10−8.[17]

Conform valorilor recomandate din 2006 CODATA, incertitudinea relativă în determinarea constantei lui Avogadro prin analiza densistății cristalelor cu raze X este de1.2×10−7,de aproximativ două ori și jumătate mai mare decât prin metoda masei electronului.

Coordonarea Internațională Avogadro[modificare|modificare sursă]

Achim Leistnerla Centrul Australian pentru Optică de Precizie (ACPO) ține o sferă de cristale de siliciu de un kilogram pregătită pentru Coordonarea Internațională Avogadro.

Coordonarea Internațională Avogadro, de multe ori pur și simplu numită „proiectul Avogadro”, este o colaborare inițiată la începutul anilor 1990 între diferite institute naționale de metrologie pentru măsurarea constantei lui Avogadro prin metoda densității cristalelor cu raze X în scopul de a obține o incertitudine relativă de maxim 2×10-8.[18]Proiectul face parte din eforturile de a redefini kilogramul în termeni deconstantă fizicăuniversală, pentru a înlocuiEtalonul Internațional al Kilogramului,și completează măsurătorileconstantei Planckcubalanța wattului⁠(d).[19][20]În definițiile actuale aleSistemului Internațional de Unități(SI), o măsurare a constantei lui Avogadro este o măsurare indirectă a constantei Planck:

Măsurătorile utilizează sfere de siliciu extrem de netede, cu o masă de un kilogram. Sferele sunt folosite pentru a simplifica măsurarea dimensiunilor (și, prin urmare, a densității) și pentru a minimiza efectul stratului de oxid, care se formează în mod inevitabil pe suprafață. Primele măsurători utilizau sfere de siliciu cu compoziție izotopică naturală, și aveau o incertitudine relativă de 3,1×10-7.[21][22][23]Aceste rezultate intrau și ele în contradicție cu valorile constantei Planck calculate din măsurătorile cu balanța wattului, deși acum se crede că se cunoaște sursa discrepanței.[20]

Principala incertitudine rămasă din primele măsurători rezidă în măsurarea compoziției izotopice a siliciului pentru calculul masei atomice deci, în 2007, a fost crescut un singur cristal de 4,8 kg de siliciu îmbogățit izotopic (99.94%28Si),[24][25][26]și din el s-au tăiat două sfere de un kilogram. Măsurătorile de diametru pe sfere sunt repetabile în limita a 0,3 nm, și incertitudinea în raport cu masa este de 3 µg. Rezultatele complete ale acestor determinări erau așteptate la sfârșitul anului 2010.[27] Lucrarea, publicată în ianuarie 2011, rezuma rezultatul Coordonării Internaționale Avogadro și prezenta o măsurare a constantei lui Avogadro ca fiind6.02214078(18)×1023mol-1.[28]

Referințe[modificare|modificare sursă]

  1. ^International Union of Pure and Applied ChemistryCommission on Atomic Weights and Isotopic Abundances, P.; Peiser, H. S. (). „Atomic Weight: The Name, Its History, Definition and Units”.Pure and Applied Chemistry.64(10): 1535–43.doi:10.1351/pac199264101535.
  2. ^International Union of Pure and Applied ChemistryCommission on Quantities and Units in Clinical Chemistry, H. P.; International Federation of Clinical Chemistry Committee on Quantities and Units (). „Glossary of Terms in Quantities and Units in Clinical Chemistry (IUPAC-IFCC Recommendations 1996)”.Pure and Applied Chemistry.68(4): 957–1000.doi:10.1351/pac199668040957.
  3. ^Bureau International des Poids et Mesures (2019):The International System of Units (SI),ediția a IX-a, versiune în engleză, pagina 134. Disponibil pesite-ul BIPM.
  4. ^Avogadro, Amedeo(). „Essai d'une maniere de determiner les masses relatives des molecules elementaires des corps, et les proportions selon lesquelles elles entrent dans ces combinaisons”.Journal de Physique.73:58–76.English translation.
  5. ^abPerrin, Jean(). „Mouvement brownien et réalité moléculaire”.Annales de Chimie et de Physique.8eSérie.18:1–114.Extract in English, translation by Frederick Soddy.
  6. ^Oseen, C.W.(10 decembrie 1926).Presentation Speech for the 1926 Nobel Prize in Physics.
  7. ^Loschmidt, J.(). „Zur Grösse der Luftmoleküle”.Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien.52(2): 395–413.traducere în engleză.
  8. ^Virgo, S.E. ().„Loschmidt's Number”.Science Progress.27:634–49. Arhivat dinoriginalla.Accesat în.
  9. ^NIST Introduction to physical constants
  10. ^Kotz, John C.; Treichel, Paul M.; Townsend, John R. ().Chemistry and Chemical Reactivity(ed. 7th). Brooks/Cole.ISBN0-495-38703-7.Arhivat dinoriginalla.Accesat în.
  11. ^Rezoluția a 3-a, A 14-a Conferință Generală despre Greutăți și Măsuri (CGPM), 1971.
  12. ^abde Bièvre, P.; Peiser, H.S. (). „'Atomic Weight'—The Name, Its History, Definition, and Units”.Pure and Applied Chemistry.64(10): 1535–43.doi:10.1351/pac199264101535.
  13. ^„NIST CODATA 2014”.CODATA Constants Bibliography.NIST.Accesat în.
  14. ^Relatare pe baza recenziei dinMohr, Peter J.; Taylor, Barry N. (). „CODATArecommended values of the fundamental physical constants:1998”[Valori recomandate deCODATApentru constantele fizice fundamentale: 1998].Journal of Physical and Chemical Reference Data.28(6): 1713–1852.doi:10.1103/RevModPhys.72.351.
  15. ^abMohr, Peter J.; Taylor, Barry N. (). „CODATArecommended values of the fundamental physical constants:2002”[Valori recomandate deCODATApentru constantele fizice fundamentale: 2002].Reviews of Modern Physics.77(1): 1–107.Bibcode:2005RvMP...77....1M.doi:10.1103/RevModPhys.77.1.
  16. ^Mineralogy Database ().„Unit Cell Formula”.Accesat în.
  17. ^enMohr, Peter J.; Taylor, Barry N.; Newell, David B. ().„CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006”(PDF).Rev. Mod. Phys.80:pp. 633–730.doi:10.1103/RevModPhys.80.633.Legătură directă spre valoare.
  18. ^"Avogadro Project".
  19. ^Leonard, B. P. (). „On the role of the Avogadro constant in redefining SI units for mass and amount of substance”.Metrologia.44(1): 82–86.Bibcode:2007Metro..44...82L.doi:10.1088/0026-1394/44/1/012.
  20. ^abJabbour, Zeina J. ().„Getting Closer to Redefining The Kilogram”.Weighing & Measurement Magazine(October): 24–26.
  21. ^Becker, Peter (). „Tracing the definition of the kilogram to the Avogadro constant using a silicon single crystal”.Metrologia.40(6): 366–75.Bibcode:2003Metro..40..366B.doi:10.1088/0026-1394/40/6/008.
  22. ^Fujii, K.; et al. (). „Present State of the Avogadro Constant Determination From Silicon Crystals With Natural Isotopic Compositions”.IEEE Trans. Instrum. Meas.54(2): 854–59.doi:10.1109/TIM.2004.843101.
  23. ^Williams, E. R. (). „Toward the SI System Based on Fundamental Constants: Weighing the Electron”.IEEE Trans. Instrum. Meas.56(2): 646–50.doi:10.1109/TIM.2007.890591.
  24. ^Becker, P.; et al. (). „Large-scale production of highly enriched 28Si for the precise determination of the Avogadro constant”.Meas. Sci. Technol.17(7): 1854–60.Bibcode:2006MeScT..17.1854B.doi:10.1088/0957-0233/17/7/025.
  25. ^Devyatykh, G. G.; et al. ().Dokl. Akad. Nauk.421(1): 61–64.Lipsește sau este vid:|title=(ajutor)
  26. ^Devyatykh, G. G.; Bulanov, A. D.; Gusev, A. V.; Kovalev, I. D.; Krylov, V. A.; Potapov, A. M.; Sennikov, P. G.; Adamchik, S. A.; Gavva, V. A.; Kotkov, A. P.; Churbanov, M. F.; Dianov, E. M.; Kaliteevskii, A. K.; Godisov, O. N.; Pohl, H. -J.; Becker, P.; Riemann, H.; Abrosimov, N. V. (). „High-purity single-crystal monoisotopic silicon-28 for precise determination of Avogadro's number”.Doklady Chemistry.421(1): 157–160.doi:10.1134/S001250080807001X.
  27. ^„Report of the 11th meeting of the Consultative Committee for Mass and Related Quantities (CCM)”.International Bureau of Weights and Measures..p. 17.
  28. ^Andreas, B.; et al. (). „An accurate determination of the Avogadro constant by counting the atoms in a28Si crystal”.Phys. Rev. Lett.106(3): 030801 (4 pages).arXiv:1010.2317 Accesibil gratuit.Bibcode:2011PhRvL.106c0801A.doi:10.1103/PhysRevLett.106.030801.

Legături externe[modificare|modificare sursă]

Adus de lahttps://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Numărul_lui_Avogadro&oldid=15916165