- Storia
- Ispirazioni di Amedeo Avogadro
- Ipotesi molecolare
- Cinquant'anni dopo
- La nascita del termine
- In cosa consiste e unità
- Atom-gram e molecule-gram
- Masse molari e talpe
- Come viene calcolato il numero di Avogadro
- Metodi di misurazione più accurati
- applicazioni
- Esercizi risolti
- Esercizio 1
- Esercizio 2
- Riferimenti
Il numero di Avogadro è quello che indica quante particelle comprendono una mole di materia. Normalmente è indicato dal simbolo N A o L, e ha una magnitudine straordinaria: 6.02 · 10 23 , scritto in notazione scientifica; se non utilizzato, dovrebbe essere scritto per intero: 602000000000000000000000.
Per evitarne e facilitarne l'utilizzo è conveniente fare riferimento al numero di Avogadro chiamandolo talpa; questo è il nome dato all'unità corrispondente a tale quantità di particelle (atomi, protoni, neutroni, elettroni, ecc.). Quindi, se una dozzina corrisponde a 12 unità, una mole comprende N A unità, semplificando i calcoli stechiometrici.
Numero di Avogadro scritto in notazione scientifica. Fonte: PRHaney
Matematicamente, il numero di Avogadro potrebbe non essere il più grande di tutti; ma al di fuori del regno della scienza, usarlo per indicare la quantità di qualsiasi oggetto supererebbe i limiti dell'immaginazione umana.
Ad esempio, una talpa di matite comporterebbe la produzione di 6.02 · 10 23 unità, lasciando la Terra senza i suoi polmoni vegetali nel processo. Come questo esempio ipotetico, molti altri abbondano, che lasciano intravedere la magnificenza e l'applicabilità di questo numero per quantità astronomiche.
Se N A e la talpa si riferiscono a quantità esorbitanti di qualcosa, quanto sono utili nella scienza? Come detto all'inizio: consentono di “contare” particelle molto piccole, il cui numero è incredibilmente vasto anche in quantità trascurabili di materia.
La più piccola goccia di un liquido contiene miliardi di particelle, così come la quantità più ridicola di un dato solido che può essere pesata su qualsiasi bilancia.
Non usare la notazione scientifica, la talpa arriva a sostegno, indica quanto, più o meno, si tratta di una sostanza o un composto di N A . Ad esempio, 1 g di argento corrisponde a circa 9 · 10 -3 moli; in altre parole, quasi un centesimo di N A (5,6 · 10 21 atomi di Ag, approssimativamente) “abita” quel grammo .
Storia
Ispirazioni di Amedeo Avogadro
Alcuni ritengono che il numero di Avogadro sia stato una costante determinata da Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna e Cerreto, meglio noto come Amedeo Avogadro; Tuttavia, questo scienziato-avvocato, dedicato allo studio delle proprietà dei gas, e ispirato dal lavoro di Dalton e Gay-Lussac non era che ha introdotto la N A .
Da Dalton, Amadeo Avogadro ha appreso che le masse di gas si combinano o reagiscono in proporzioni costanti. Ad esempio, una massa di idrogeno reagisce completamente con una massa di ossigeno otto volte maggiore; quando questa proporzione non è stata soddisfatta, uno dei due gas è rimasto in eccesso.
Da Gay-Lussac, invece, apprende che i volumi di gas reagiscono in un rapporto fisso. Quindi, due volumi di idrogeno reagiscono con uno di ossigeno per produrre due volumi di acqua (sotto forma di vapore, viste le alte temperature generate).
Ipotesi molecolare
Nel 1811 Avogadro condensò le sue idee per formulare la sua ipotesi molecolare, in cui spiegava che la distanza che separa le molecole gassose è costante fintanto che la pressione e la temperatura non cambiano. Questa distanza, quindi, definisce il volume che un gas può occupare in un contenitore con barriere espandibili (un palloncino, per esempio).
Pertanto, data una massa di gas A, m A e una massa di gas B, m B , m A e m B avranno lo stesso volume in condizioni normali (T = 0ºC e P = 1 atm) se entrambi i gas ideali hanno la stesso numero di molecole; questa era l'ipotesi, oggi legge, di Avogadro.
Dalle sue osservazioni ha anche dedotto che la relazione tra le densità dei gas, sempre A e B, è uguale a quella delle loro masse molecolari relative (ρ A / ρ B = M A / M B ).
Il suo più grande successo è stato quello di introdurre il termine "molecola" come è noto oggi. Avogadro trattava l'idrogeno, l'ossigeno e l'acqua come molecole e non come atomi.
Cinquant'anni dopo
L'idea delle sue molecole biatomiche incontrò una forte resistenza tra i chimici nel 19 ° secolo. Sebbene Amadeo Avogadro insegnasse fisica all'Università di Torino, il suo lavoro non fu molto ben accolto e, all'ombra di esperimenti e osservazioni di chimici più rinomati, la sua ipotesi fu sepolta per cinquant'anni.
Anche il contributo del noto scienziato André Ampere, che ha sostenuto l'ipotesi di Avogadro, non è stato sufficiente perché i chimici la prendessero seriamente in considerazione.
Fu solo al Congresso di Karlsruhe, in Germania, nel 1860, che il giovane chimico italiano, Stanislao Cannizzaro, salvò il lavoro di Avogadro in risposta al caos a causa della mancanza di masse atomiche affidabili e solide ed equazioni chimiche.
La nascita del termine
Quello che è noto come "numero di Avogadro" è stato introdotto dal fisico francese Jean Baptiste Perrin, quasi cento anni dopo. Ha determinato un'approssimazione di N A attraverso vari metodi dal suo lavoro sul moto browniano.
In cosa consiste e unità
Atom-gram e molecule-gram
Il numero di Avogadro e la talpa sono correlati; tuttavia, il secondo esisteva prima del primo.
Conoscendo le masse relative degli atomi, l'unità di massa atomica (amu) è stata introdotta come un dodicesimo di un atomo di isotopo di carbonio 12; più o meno la massa di un protone o di un neutrone. In questo modo, si sapeva che il carbonio era dodici volte più pesante dell'idrogeno; vale a dire, 12 C pesa 12 u e 1 H pesa 1 u.
Tuttavia, quanta massa è veramente uguale a un amu? Inoltre, come sarebbe possibile misurare la massa di particelle così piccole? Poi è nata l'idea del grammo-atomo e del grammo-molecola, che sono stati successivamente sostituiti dalla talpa. Queste unità collegavano convenientemente il grammo con l'amu come segue:
12 g 12 C = N ma
Un numero di 12 atomi di C N , moltiplicato per la loro massa atomica, dà un valore numericamente identico alla massa atomica relativa (12 amu). Pertanto, 12 g di 12 C equivalgono a un grammo atomo; 16 g di 16 O, a un grammo atomo di ossigeno; 16 g di CH 4 , un grammo di molecola per il metano e così via con altri elementi o composti.
Masse molari e talpe
Il grammo atomo e il grammo molecola, piuttosto che le unità, consistevano rispettivamente nelle masse molari degli atomi e delle molecole.
La definizione di mole diventa quindi: l'unità designata per il numero di atomi presenti in 12 g di carbonio puro 12 (o 0,012 Kg). E nel frattempo, è diventato denotato N N A .
Pertanto, il numero di Avogadro è formalmente costituito dal numero di atomi che compongono tali 12 g di carbonio 12; e la sua unità è la talpa e i suoi derivati (kmol, mmol, lb-mole, ecc.).
Le masse molari sono masse molecolari (o atomiche) espresse in funzione delle moli.
Ad esempio, la massa molare di O 2 è 32 g / mol; cioè, una mole di molecole di ossigeno ha una massa di 32 ge una molecola di O 2 ha una massa molecolare di 32 u. Allo stesso modo, la massa molare di H è 1 g / mol: una mole di atomi di H ha una massa di 1 g e un atomo di H ha una massa atomica di 1 u.
Come viene calcolato il numero di Avogadro
Quanto costa una talpa? Quanto vale N A affinché le masse atomiche e molecolari abbiano lo stesso valore numerico delle masse molari? Per scoprirlo, è necessario risolvere la seguente equazione:
12 g 12 C = N A ma
Ma ma è 12 amu.
12 g 12 C = N A 12uma
Se sai quanto vale un amu (1.667 10-24 g), puoi calcolare direttamente N A :
N A = (12g / 2 · 10 -23 g)
= 5,998 10 23 atomi di 12 ° C
Questo numero è identico a quello presentato all'inizio dell'articolo? No. Anche se decimali giocano contro, ci sono molti calcoli più precisi per determinare N A .
Metodi di misurazione più accurati
Se la definizione di una mole, in particolare una mole di elettroni e la carica elettrica che portano (circa 96.500 C / mole) è nota in precedenza, conoscendo la carica di un singolo elettrone (1.602 × 10 −19 C), possiamo calcolare N A anche in questo modo:
N A = (96500 C / 1,602 × 10 −19 C)
= 6.0237203 10 23 elettroni
Questo valore sembra ancora migliore.
Un altro modo per calcolarlo consiste nelle tecniche cristallografiche a raggi X, utilizzando una sfera di silicio ultra puro da 1 kg. Per questo, viene utilizzata la formula:
N A = n (V u / V m )
Dove n è il numero di atomi presenti nella cella unitaria di un cristallo di silicio (n = 8), e V u e V m sono rispettivamente i volumi dell'unità e della cella molare. Conoscendo le variabili per il cristallo di silicio, il numero di Avogadro può essere calcolato con questo metodo.
applicazioni
Il numero di Avogadro permette in sostanza di esprimere le quantità abissali di particelle elementari in semplici grammi, misurabili su bilance analitiche o rudimentali. Non solo: se una proprietà atomica viene moltiplicata per N A , la sua manifestazione sarà ottenuta a scale macroscopiche, visibili nel mondo e ad occhio nudo.
Pertanto, e con buona ragione, si dice che questo numero funzioni come un ponte tra il microscopico e il macroscopico. Si trova spesso soprattutto in fisicochimica, quando si cerca di collegare il comportamento di molecole o ioni con quello delle loro fasi fisiche (liquide, gassose o solide).
Esercizi risolti
Calcoli nella sezione due esempi di esercizi che utilizzano N sono stati affrontati a . Quindi procederemo a risolverne altri due.
Esercizio 1
Qual è la massa di una molecola di H 2 O?
Se la sua massa molare si caratterizza per essere 18 g / mol, quindi una mole di H 2 O molecole ha una massa di 18 grammi; ma la domanda si riferisce a una singola molecola, da sola. Per poi calcolare la sua massa, vengono utilizzati i fattori di conversione:
( 18 g / mol H 2 O) · (mol H 2 O / 6,02 · 10 23 molecole H 2 O) = 2,99 · 10 -23 g / molecola H 2 O
Cioè, una molecola di H 2 O ha una massa di 2,99 · 10 -23 g.
Esercizio 2
Quanti atomi di metallo disprosio (Dy) conterranno un pezzo di esso la cui massa è 26 g?
La massa atomica del disprosio è 162,5 u, pari a 162,5 g / mol utilizzando il numero di Avogadro. Ancora una volta, procediamo con i fattori di conversione:
(26 g) · (mol Dy / 162,5 g) · (6,02 · 10 23 Dy atomi / mol Dy) = 9,63 · 10 22 Dy atomi
Questo valore è 0,16 volte inferiore a N A (9,63 · 10 22 / 6,02 · 10 23 ), e quindi, detto pezzo ha 0,16 moli di disprosio (può anche essere calcolato con 26/162 , 5).
Riferimenti
- Wikipedia. (2019). Costante di Avogadro. Estratto da: en.wikipedia.org
- Atteberry Jonathan. (2019). Qual è il numero di Avogadro? Come funzionano le cose. Estratto da: science.howstuffworks.com
- Ryan Benoit, Michael Thai, Charlie Wang e Jacob Gomez. (2 maggio 2019). La talpa e la costante di Avogadro. Chemistry LibreTexts. Recupero da: chem.libretexts.org
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- Tomás Germán. (Sf). Il numero di Avogadro. IES Domingo Miral. Estratto da: iesdmjac.educa.aragon.es
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- George M. Bodner. (16 febbraio 2004). Come è stato determinato il numero di Avogadro? Scientific American. Estratto da: scientificamerican.com