Закон авогадро

В 1811 году Авогадро выдвинул гипотезу, что элементарные водород, хлор, кислород и азот в обычном газообразном состоянии находятся в виде молекул, состоящих из двух атомов: Н₂, С1₂, N₂ и О₂. Согласно Авагадро: "В равных объемах газов при одинаковых температуре и .дав­лении содержится одинаковое число молекул". На основании большого экспериментального материала эта гипотеза получила силу закона. Т4аким образом, Авогадро предложил ввести представление о молекуле, как наиме­ньшей частице вещества, способной к самостоятельному существованию, а также об атоме - как наименьшем количестве элемента в молекулах раз­личных соединений.

Исходя из сказанного, уравнение взаимодействия водорода и хлора теперь можно записать так:

Н₂ + С1₂ = 2НС1 а это хорошо согласуется с законом объемных отношений

1 : 1 : 2 Гей-Люссака.

В 1860 году в г. Карлсруэ состоялся I Международный съезд химиков (присутствовало 150 ученых из различных стран, в том числе 7 из Рос­сийской империи). Цель съезда - разрешение противоречий, возникших в мировой химической литературе и связаных с различным толкованием атомно-молекулярных представлений. Съездом были приняты следующие опреде­ления:

А т о м - наименьшая частица элемента, обладающая всеми его хими­ческими свойствами.

М о л е к у л а - наименьшая частица простого или сложного вещест­ва, обладающая всеми его химическими свойствами и спо­собная к самостоятельному существованию. Молекула не может дробиться дальше без потери химических свойств данного вещества.

Х и м и ч е с к и й э л е м е н т - вид атомов, характеризую­щийся определенной совокупностью свойств.

1. Каждый отдельный атом является химическим элементом, но сочета­ние атомов уже не будет элементом;

а) путем соединения атомов одного и того же элемента образуются простые вещества;

б) сочетание же атомов различных элементов приводит к образованию сложного вещества.

2. Различие между простым веществом и элементом особенно наглядно, если взять несколько простых веществ, состоящих из одного и того же элемента. Например, фосфор белый и красный, графит и алмаз, кислород и озон - простые вещества, резко отличающиеся по своим свойствам, хо­тя и являются лишь различными формами элементов фосфора, углерода и кислорода соответственно. Подтвердить это можно тем, что эти простые вещества, соединяясь с другими простыми веществами, образуют одно и то же сложное вещество. Например:

графит + О₂ СО₂

алмаз + О₂ СО₂

Способность элемента существовать в виде нескольких простых тел называется аллотропией, а различные простые вещества одного и того же элемента - аллотропическими видоизменениями.

Атомная и молекулярная массы

Атомы и молекулы чрезвычайно малы, поэтому непосредственно их наб­людать не удалось. Однако косвенным путем наука не только доказала их наличие, но и определила размеры и даже массу. Так, установлено, что масса атома водорода равна 1,626 ^.10^-24 г. На практике пользуются не абсолютными, а относительными весами атомов и молекул.

Атомной массой элемента называется масса его атома, выраженная в углеродных единицах (единица атомной массы - 1/12 часть массы нейтрального атома углерода С¹² ).

Молекулярной массой вещества называется масса его молекулы, выраженная в углеродных единицах. В химии для количественных расчетов введены следующие единицы массы: грамм-атом и грамм-молекула.

Грамм-атом - число граммов, равное атомной массе элемента.

Грамм-молекула - число граммов вещества, равное его молекуляр­ной массе.

Следствия из закона Авогадро. Понятие о грамм-молекулярном объеме

Если экспериментально определить массу I л любого газа, то можно легко вычислить объем, какой будет занимать грамм-молекула его при нормальных условиях (давление 760 мм. рт. ст. и температура - 0°С).

Например: а) масса I л водорода = 0,08988 г.

г-моль Н₂ = 2,016 г., отсюда:

I л - 0,08988 г х = 2,016 ^. I = 22,4 л

х - 2,016 0,08988

б) масса I л NН₃ = 0,7708 г.

г-моль NН₃ = 17,27 г. таким образом:

I л - 0,7708 х = 17,27 ^. I = 22,4 л

0,7708

х - 17,27

Следовательно:

1. Грамм-молекула любого газа при нормальных условиях занимает объем, равный 22,4 л. Этот объем носит название грамм-молекулярного объема.

2. Согласно закону Авогадро, в равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул. Таким образом, одна грамм-молекула любого газа содержит одно и то же число молекул. Это число называется числом Авогадро и равно 6,023 ^. 10²³. Оно определено различными физико-химическими методами.

3. Было установлено, что грамм-молекула любого вещества, независи­мо от агрегатного состояния, содержит одинаковое число молекул, равно числу Авогадро.

Н₂ I грам-моль - 6,023 ^. 10²³ молекул

NаС1 I г-моль - 6,023 ^. 10²³ молекул

Н₂SО₄ I г-моль - 6,023 ^. 10²³ молекул

4. Подобно грамм-молекулам веществ и грамм-атомы элементов содер­жат одинаковое число атомов; а грамм-ионы - одинаковое число ионов, равное числу Авогадро.

Nа⁰ I г-ат. (23 г.) - 6,023 ^. 10²³ атомов;

Na⁺ I г-ион (23 г.) - 6,023 ^. 10²³ ионов.

Чтобы сравнить, насколько велико количество молекул, содержащихся в I г-моле любого вещества, в литературе приведены такие данные:

1. Если растворить I г-моль вещества в мировом океане и затем за­черпнуть I л воды, то в ней окажется около 440 молекул этого вещества.

2. Если нанизать, как бусы, молекулы водорода, содержащиеся в I г-моле (2,016 г.), то длина таких бус была бы почти в 1000 раз больше расстояния от Земли до Солнца.

3. Если из сосуда (1 л), наполненного кислородом, будет вылетать по I млн. молекул газа в секунду, то время, пока все молекулы выле­тят, будет составлять 10 млн. лет.

На основании закона Авогадро появилась возможность определения молекулярных масс газообразных веществ.

1. Если известна масса некоторого объема газа при нормальных усло­виях, то можно вычислить вес (массу) грамм-молекулы, т.е. его молекулярную массу.

Например: I л водорода - 0,08988 г

22,4 л - х х = 22,4 ^. 0,08988 = 2,016 г.

I

2. Грамм-молекулярный объем 22,4 л., масса в граммах I л газа

(плотность) и грамм-молекулярная масса М (при нормальных условиях), связаны между собой следующей зависимостью:

М = 22,4 ^. d см. предыдущий пример: М = 22,4 ^. 08988 г. = 2,016 г.

3. Молекулярную массу можно рассчитать на основании уравнения Менделеева-Клайперона: рV = m RT или М = mRT

M рV

где М - молекулярная масса;

m - масса;

V - объем;

Т - абсолютная температура;

р - давление;

R - универсальная газовая постоянная, численное значение кото­рой зависит от тех единиц, в которых выражается давление и объем.

R = 62400 мл. мм. рт. ст./град. моль;

R = 0,082 л. атм./град. моль;

R = 8,314 н. м./град. моль, если выражать давление и объем в еди­ницах системы СИ - давление в ньютонах на квадратный метр, а объем в кубических метрах.