При решении задачек по физике периодически встречается такая константа, как число Авогадро. Число это появилось не случайно, а является следствием закона Авогадро.
Давайте обсудим этот закон в режиме "для чайников". Правда относится он больше к химии, нежели к физике, но и в физике мы встретим его ни раз, а уж инженеру этак вообще нужно знать всё :)...
Начнем, пожалуй, с самого Амедео Авогадро. Чуть выше приведен его портрет и я надеюсь, что выглядел он не так, как его изображают :)...Ибо статуя Авогадро гораздо более лицеприятная. Да и с именем парню "повезло". Амедео звучит почти как A-media. Название какой-то фирмы по продаже болванок. Ну да ладно. Человек внёс огромный вклад в развитие химии и физической химии, открыв воистину фундаментальный закон. Поэтому, подшучивать над внешностью как-то неуместно.
Интересно отметить, что закон был открыт гораздо раньше, чем его удалось доказать экспериментально и существовал чисто в эмпирическом виде. Позже исследователи подтвердили, что Авогадро был совершенно прав и закон назвали его именем.
Формулировка закона Авогадро
В равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температурах и давлениях, содержится одно и то же количество молекул
Встречается и ещё одна формулировка, которая, собственно, следует из закона.
Один моль любого газа при одинаковых температуре и давлении занимает один и тот же объём при нормальных условиях, равный 22,4 л
Напомню, что нормальные условия - это давление 1 атмосфера и температура 273,15 К.
Разбираем текст закона
Теперь разберем сам текст закона. Какие вопросы тут могут возникнуть?
Обратите внимание, что речь идёт про равные объемы. Если взять кислород и азот в разных объемах, одного кубический метр, а второго - два кубических метра, то соотношение Авогадро уже не выполняется.
Важно также отметить, что мы говорим про идеальные газы. Сравниваем именно их. Если же газ близок к идеальному, то чем он дальше от идеального, тем больше отклонение от закона Авогадро. Напомню, что идеальные газы - это такие газы, у которых нет взаимодействия между частицами, а размеры пренебрежимо малы. Правда про идеальные газы полезно знать побольше, но это тема отдельного материала.
Отдельно отмечается, что должны соответствовать давление и температура. Это тоже логично. Ведь это только в теории мы можем представить себе "кубик" газа, будь то водород или кислород, который обособлен. В реальности всё немного иначе и вытянуть такой кусок не получится. От того и множество влияний, который следовало бы учитывать при изменении давления и температуры. Если газы рассматривать при разных температурах и давлениях, то и та же плотность газов будет отличаться от тех, при которых мы проводим сравнение. Значит в глобальных масштабах частицы смогут перетекать из одного объема в другой, что уже некорректно.
Ну и интересная фраза "содержится одно и то же количество молекул". А какое это количество молекул? :)...Про то, как его определяли и определяют до сих пор есть множество статей. Например, про это я писал на своем сайте.
6,02 ∙ 1023 молекул (1 моль) газа или смеси газов при н.у. занимает объём равный 22,4 л. Это количество молекул и есть число Авогадро Nа = 6,022 140 76⋅1023 моль−1.
Правда если уж мы заговорили про число Авогадро, то там употребляется формулировка "структурных единиц", вместо "молекул". Да и "сфера действия" распространяется на все тела. Тогда как закон Авогадро справедлив только для твердых тел.
Как появился закон Авогадро и почему стоит ему доверять
Пытливые умы, конечно же, начинают вникать в возможность существования закона Авогадро не только на бумаге. Давайте посмотрим, как всё начиналось и что является подтверждением обозначенного выше закона.
Гей-Люссак изучал реакцию, в которой из двух газов – хлористого водорода и аммиака получался твердых хлорид амония.
При многократных повторениях эксперимента обнаружилось, что для реакции требуются равные объемы обоих газов. Если одного газа было больше другого, то в результате реакции, тот газ которого больше, оставался неиспользованным. Причем именно в таком количестве, во сколько раз его было больше.
Гей-Люссак записал эти наблюдения в свой "живой журнал" и сам забыл об этом :)...Но эти записи ненароком попали к Амедео Авогадро.
Авогадро сделал вывод, что равные объемы любых газов содержат равное число молекул. Или же как ещё объяснить наблюдение, что в результате взаимодействия неравных объемов, в дело идут только равные их части!?
Объяснение было простым. Для того, чтобы наблюдалась описываемая картина, нужно чтобы каждая из частичек рассматриваемого газа провзаимодействовала с частичкой другого газа. "Один на один", скажем так.
Впоследствии гипотеза подтвердилось в многочисленных экспериментах для множества газов. Воспроизводилось результата и дала понимание того, что мы имеем дело не со спецификой какого-то конкретного набора газов, которые оказались в паре, а со всеобъемлющим законом.
Очень советую ознакомиться со следующими нашими статьями:
- Разбираем маскировку железного Арни из фильма Хищник