Закон Авогадро (иногда называемый гипотезой Авогадро или принципом Авогадро ) или гипотеза Авогадро-Ампера - это экспериментальный газовый закон, связывающий объем газа с количеством вещества присутствующего газа. [1] Этот закон является частным случаем закона идеального газа . Современное заявление:
Закон Авогадро гласит, что «равные объемы всех газов при одинаковой температуре и давлении имеют одинаковое количество молекул». [1]
Для данной массы идеального газа объем и количество (моль) газа прямо пропорциональны, если температура и давление постоянны.
Закон назван в честь Амедео Авогадро, который в 1812 году [2] [3] выдвинул гипотезу, что два заданных образца идеального газа, одинакового объема, при одинаковых температуре и давлении, содержат одинаковое количество молекул. Например, равные объемы газообразного водорода и азота содержат одинаковое количество атомов, когда они находятся при одинаковой температуре и давлении, и наблюдают за идеальным газом . На практике реальные газы показывают небольшие отклонения от идеального поведения, и закон выполняется только приблизительно, но все же является полезным приближением для ученых.
Математическое определение
Закон можно записать так:
или же
где
- V - объем газа;
- n - количество вещества в газе (измеряется в молях );
- k - постоянная величина для заданных температуры и давления.
Этот закон описывает, как при одинаковых условиях температуры и давления равные объемы всех газов содержат одинаковое количество молекул . Для сравнения одного и того же вещества при двух различных наборах условий закон можно удобно выразить следующим образом:
Уравнение показывает, что с увеличением количества молей газа пропорционально увеличивается и объем газа. Точно так же, если количество молей газа уменьшается, то объем также уменьшается. Таким образом, количество молекул или атомов в определенном объеме идеального газа не зависит от их размера или молярной массы газа.
Вывод из закона идеального газа
Вывод закона Авогадро следует непосредственно из закона идеального газа , т. Е.
- ,
где R - газовая постоянная , T - температура Кельвина , P - давление (в паскалях ).
Решая относительно V / n , получаем
- .
Сравните это с
которая является константой для фиксированного давления и фиксированной температуры.
Эквивалентную формулировку закона идеального газа можно записать, используя постоянную Больцмана k B , как
- ,
где N есть число частиц в газе, а отношение R над K B равно постоянная Авогадро .
В таком виде, поскольку V / N - постоянная величина, имеем
- .
Если T и P взяты при стандартных условиях для температуры и давления (STP), то k ′ = 1 / n 0 , где n 0 - постоянная Лошмидта .
Исторический отчет и влияние
Гипотеза Авогадро (как она была изначально известна) была сформулирована в том же духе более ранних эмпирических законов газа, таких как закон Бойля (1662 г.), закон Чарльза (1787 г.) и закон Гей-Люссака (1808 г.). Гипотеза была впервые опубликована Амадео Авогадро в 1811 г. [4] и согласовала атомную теорию Дальтона с «несовместимой» идеей Джозефа Луи Гей-Люссака о том, что некоторые газы состоят из различных фундаментальных веществ (молекул) в целых пропорциях. [5] В 1814 году, независимо от Авогадро, Андре-Мари Ампер опубликовал тот же закон с аналогичными выводами. [6] Как Ампер был более хорошо известен во Франции, гипотеза была обычно упоминается там как гипотеза Ампера , [примечание 1] , а затем также в качестве Авогадро-Ампера гипотезы [примечание 2] или даже Ампер-Авогадро гипотезы . [7]
Экспериментальные исследования , проведенные Чарльз Фредерик Герхардт и Огюст Лоран по органической химии показала , что закон Авогадро объясняет , почему один и то же количество молекул в газе имеет одинаковый объем. Тем не менее, подобные эксперименты с некоторыми неорганическими веществами показали кажущиеся исключения из закона. Это очевидное противоречие было окончательно разрешено Станислао Канниццаро , как было объявлено на Конгрессе в Карлсруэ в 1860 году, через четыре года после смерти Авогадро. Он объяснил, что эти исключения были вызваны диссоциацией молекул при определенных температурах, и что закон Авогадро определяет не только молекулярные массы, но и атомные массы.
Закон идеального газа
Эмиль Клапейрон в 1834 г. объединил законы Бойля, Шарля и Гей-Люссака вместе с законом Авогадро [8], что дало начало закону идеального газа. В конце XIX века более поздние разработки таких ученых, как Август Крениг , Рудольф Клаузиус , Джеймс Клерк Максвелл и Людвиг Больцман , дали начало кинетической теории газов , микроскопической теории, из которой закон идеального газа может быть выведен как статистический возникают в результате движения атомов / молекул в газе.
Константа Авогадро
Закон Авогадро позволяет рассчитать количество газа в сосуде. Благодаря этому открытию Иоганн Йозеф Лошмидт в 1865 году впервые смог оценить размер молекулы. [9] Его расчет привел к появлению концепции постоянной Лошмидта , отношения между макроскопическими и атомными величинами. В 1910 году Милликена падение нефти эксперимент определил заряд от электрона ; используя его с постоянной Фарадея (полученной Майклом Фарадеем в 1834 году), можно определить количество частиц в моль вещества. В то же время, прецизионные эксперименты Жан Батист Перрен привел к определению числа Авогадро как число молекул в одной грамм-молекулы из кислорода . Перрин назвал это число в честь Авогадро за его открытие закона тезки. Более поздняя стандартизация Международной системы единиц привела к современному определению постоянной Авогадро .
Молярный объем
Принимая STP равным 101,325 кПа и 273,15 К, мы можем найти объем одного моля газа:
Для 101,325 кПа и 273,15 К молярный объем идеального газа составляет 22,4127 дм 3 моль -1 .
Смотрите также
- Закон Бойля - соотношение между давлением и объемом в газе при постоянной температуре
- Закон Чарльза - взаимосвязь между объемом и температурой газа при постоянном давлении
- Закон Гей-Люссака - взаимосвязь между давлением и температурой газа при постоянном объеме.
- Идеальный газ - математическая модель, которая приближает поведение реальных газов.
Заметки
- ↑ Впервые использован Жан-Батистом Дюма в 1826 году.
- ↑ Впервые использован Станислао Канниццаро в 1858 году.
Рекомендации
- ^ a b Редакторы Британской энциклопедии. «Закон Авогадро» . Британская энциклопедия . Проверено 3 февраля +2016 .CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
- ^ Авогадро, Амедео (1810 г.). "Essai d'une manière de déterminer les masses родственников des molécules élémentaires des corps, et les пропорции selon lesquelles elles entrent dans ces combinaisons" . Journal de Physique . 73 : 58–76. английский перевод
- ^ «Закон Авогадро» . Медицинский словарь Merriam-Webster . Проверено 3 февраля +2016 .
- ^ Авогадро, Амадео (июль 1811 г.). "Essai d'une maniere determiner les родственные массы молекул elementaires des corps, et les пропорции selon lesquelles elles entrent dans ces combinaisons". Journal de Physique, de Chimie, et d'Histoire Naturelle (на французском языке). 73 : 58–76.
- ^ Ровняк, Давид. «Гипотеза Авогадро» . Мир науки Вольфрам . Проверено 3 февраля +2016 .
- ^ Ампер, Андре-Мари (1814). "Lettre de M. Ampère à M. le comte Berthollet sur la détermination des sizes dans lesquelles les corps se combinent d'après le nombre et la disposition relative des molécules dont les party intégrantes sont composées". Annales de Chimie (на французском языке). 90 (1): 43–86.
- ^ Шайдекер-Шевалье, Мириам (1997). "L'hypothèse d'Avogadro (1811) et d'Ampère (1814): la разница atome / molécule et la théorie de la combinaison chimique" . Revue d'Histoire des Sciences (на французском языке). 50 (1/2): 159–194. DOI : 10,3406 / rhs.1997.1277 . JSTOR 23633274 .
- ^ Клапейрон, Эмиль (1834). "Mémoire sur la puissance motrice de la chaleur" . Journal de l'École Polytechnique (на французском языке). XIV : 153–190.
- ^ Лошмидт, Дж. (1865). "Zur Grösse der Luftmoleküle". Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien . 52 (2): 395–413. Английский перевод .