XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

На первый взгляд химия кажется магической наукой о волшебстве, превращениях.До начала ХVIII века она представляла, по сути, алхимию, основанную на поиске «философского камня», превращающего в золото благородные металлы. В результате поисков алхимиков были получены немалые теоретические и практические знания о химических превращениях.

Одним из основных понятий химии, описывающих строение вещества, является атомно-молекулярная теория. Еще древнегреческий философ Демокрит за четыре столетия до нашей эры предполагал, что все сущее состоит из мельчайших неделимых частиц – атомов. В ХVIII веке первым атомно-молекулярное учение разработал великий русский ученый М. В. Ломоносов. В труде «Элементы математической химии» в 1741 году он изложил основы своего учения, согласно которому количество атомов каждого элемента остается неизменным до и после химической реакции. Так как число атомов не меняется, следовательно, и масса остается неизменной. Закон сохранения массы дал возможность составлять уравнения химических реакций и стал основой количественного химического анализа. Периодический закон Д.И. Менделеева и его периодическая система химических элементов 1869 года, где в основе количественной характеристики атомов химических элементов лежит их атомный вес, подтвердили атомно-молекулярную теорию строения вещества.

Большим вкладом в развитие атомистической теории стала гипотеза Авогадро, которая была выдвинута им в 1811 году. Согласно этой теории, если объемы различных газов равны и взяты при одинаковых температурах и давлении, то они содержат одинаковое число молекул. Теория была подтверждена экспериментально и получила название «Закон Авогадро» ‒ один моль любого газа при одинаковых температуре и давлении занимает один и тот же объем, при нормальных условиях равный 22,4 л.

Так как расстояние между молекулами газов значительно превышает размеры самих молекул, объем, занимаемый газообразным веществом, является объемом свободного пространства между хаотично перемещающимися молекулами газа. Величина данного пространства определяется условиями, при которых находится газ – температурой и давлением. Такая величина приблизительно одинакова для всех газообразных веществ при одинаковых температуре и давлении. Объемом, который занимают сами молекулы, допустимо пренебречь. При протекании химической реакции между газами, соотношение объемов этих газов такое же, как и их молекулярное соотношение. Например, если три молекулы водорода (H₂) реагируют с молекулой азота (N₂) с образованием двух молекул аммиака (NH₃), то объем участвующего в реакции водорода в три раза больше объема азота. Из этого Авогадро сделал вывод, что количество молекул в двух объемах должно находиться в соотношении 3:1. То есть одинаковые объемы различных газов при одинаковых условиях, температуре и давлении, содержат одинаковое число молекул. Если же взять кислород и азот в разных объемах, одного – 1м³, а второго – 2м³, то закон Авогадро уже не выполняется. Он также применим только для идеального газа. Согласно закону Авогадро при постоянной температуре и давлении отношение объемов двух разных газов будет равно отношению количества молекул этих газов:

V₁/V₂ = n₁/n₂

На основе этого можно сравнивать объемы различных газов и определять количество молекул этих газов. Большое практическое значение закон Авогадро в химии в том, что он используется для решения задач, связанных с количеством вещества. Например, вычисление количества вещества по объему газа:

n = PV/RT

где, n – количество молекул,

P – давление,

V – объем газа,

R – универсальная газовая постоянная,

T – температура.

С помощью закона Авогадро можно рассчитать стехиометрические пропорции в химических реакциях. Стехиометрическое соотношение – числовая пропорция между различными веществами, участвующими в химической реакции. Оно определяет, в каком количестве реагенты реагируют между собой и какие продукты при этом образуются.

Как признание заслуг Авогадро в науке, его имя было дано одной из констант. Число Авогадро, которое также называют константой либо постоянной Авогадро – это количество атомов в 12 г чистого изотопа 12С. Его обозначают N_A, реже – I. Числом Авогадро обозначают число структурных элементов: атомов, молекул, ионов, либо других частиц, содержащихся в 1 моле. Это одна из фундаментальных физических констант, имеющая ключевое значение при определении других физических констант: постоянной Больцмана, постоянной Фарадея и т.д.

Хотя число получило название в честь Амедео Авогадро, сам он не рассчитывал количество атомов или молекул в каком-либо определенном объеме, понимая, при этом, большую величину числа. Первым, кто определил в 1865 году, сколько молекул газа содержится в определенном объеме при одинаковом давлении и температуре, был Йозеф Лошмидт. Сейчас существует более 60 различных способов определения числа Авогадро. Один из лучших экспериментальных методов определения числа Авогадро основан на измерении электрического заряда, необходимого для электролитического разложения известного числа молей сложного вещества, и на измерении заряда электрона. Самое же точное на данный момент значение числа Авогадро получилколлектив ученых из Германии, Италии, Франции и Японии. Их работа – часть проекта по переопределению понятия «килограмм», как фундаментальной физической константы. Ученые проводили измерения эталонных сфер из монокристалла сверхчистого кремния Si-28. Кремниевые сферы, использованные в работе, являются самыми сферическими искусственными объектами на Земле. Они имеют около 93 миллиметров в диаметре, их масса максимально приближена к эталону килограмма. При помощи рентгеновской и оптической интерферометрии ученые измеряли параметры кристаллической решетки кремния, а с помощью масс-спектрометрии – молярную массу кремния. После измерения диаметра сферы, рассчитали значение числа Авогадро: Na = 8MV/a³m, то есть 6,02214082(11)×10²³ моль^-1, число в скобках означает порядок, в котором может допускаться неточность. Уточненное значение числа Авогадро даст возможность получить более точные величины других физических констант, например, постоянной Планка, которая является основной при новом определении килограмма. В настоящий момент эта величина задана физическим эталоном – цилиндром, хранящимся в Международном бюро мер и весов во Франции.

Имя Амедео Авогадро стоит в одном ряду с именами таких ученых, как Д.И. Менделеев, Д. Эйлер, М.В. Ломоносов, Д. Дальтон и т.д. Его научные работы помогли химии сделать большой шаг вперед. Вызывает восхищение человеческая мысль, заглянувшая в неизведанный микромир без электронных микроскопов и компьютеров. В том, что теоретически предполагал и доказывал своими опытами Авогадро, сейчас мы можем визуально убедиться, например, с помощью атомно-силового микроскопа.

Список литературы:

1. Зубович И. A. Неорганическая химия: Учеб, для технол. спец, вузов – М.: Высш. шк., 1989. – 432 с.: ил.

2. Леенсон И. А. Удивительная химия. – М.: ЭНАС-КНИГА, 2016. – 256 с.: ил. – (О чем умолчали учебники).

3. Рэмсден Э. Н. Начала современной химии: Справ, изд.: Пер. с англ./Под ред. В. И. Барановского, А. А. Белюстина, А. И. Ефимова, А. А. Потехина – Л.: Химия, 1989. –784 с.: ил. – Пер. изд.: Великобритания, 1985

4. Общая химия: Учебник/Под ред. Е. М. Соколовской и Л. С. Гузея. – 3-є изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во Моек, ун-та, 1989. – 640 с.

5. Становление химии как науки. Всеобщая история химии. Под ред. Г. В. Быкова, Ю.А. Жданова, В. М. Кедрова – М.: Наука, 1983. – 464 с.

6. https://centroterapia.ru/sposoby-vizualizacii-molekul-i-atomov

7. https://nauka.club/khimiya/zakon-avogadro.html

8. �⋅�=�⋅�.https://wika.tutoronline.ru/fizika/class/10/uravnenie-klapejronamendeleeva

9. https://fb.ru/article/233338/avogadro-amedeo-osnovatel-molekulyarnoy-teorii

10. https://hsm.stackexchange.com/questions/13987/history-of-word-gram-atom-gram-molecule