Постоянная Авогадро , обычно обозначаемая как N A [1] или L [2], является определяющей константой в системе СИ с точным значением6,022 140 76 × 10 23 моль −1 ( обратные моли ). [3] [4] Он определяется как число составляющих частиц (обычно молекул , атомов , ионов или ионных пар) на моль ( единица СИ ) и используется в качестве нормировочного коэффициента количества вещества в образце. В размерном анализе единиц измерения СИ размерность постоянной Авогадро является обратной величиной количества вещества, обозначаемой N −1 . Число Авогадро , иногда обозначаемое N 0 , [5] [6] является числовым значением постоянной Авогадро (т. е. без единицы), а именно безразмерным числом 6,022 140 76 × 10 23 ; значение выбрано на основе числа атомов в 12 граммах углерода -12 в соответствии с историческим определением моля. [1] [7] Константа названа в честь итальянского физика и химика Амедео Авогадро (1776–1856).
Постоянная Авогадро N A также является коэффициентом, который преобразует среднюю массу ( ) одной частицы, в граммах , в молярную массу ( ) вещества, в граммах на моль (г/моль). [8] То есть, .
Константа N A также связывает молярный объем (объем на моль) вещества со средним объемом, номинально занимаемым одной из его частиц, когда оба выражены в одних и тех же единицах объема. Например, поскольку молярный объем воды в обычных условиях составляет около 18 мл /моль , объем, занимаемый одной молекулой воды, составляет около 18/(6,022 × 1023 ) мл, или около того0,030 нм 3 (кубических нанометров ). Для кристаллического вещества N 0 связывает объем кристалла с одним молем повторяющихся элементарных ячеек с объемом одной ячейки (оба в одинаковых единицах).
Постоянная Авогадро исторически была получена из старого определения моля как количества вещества в 12 граммах углерода -12 ( 12 C); или, что то же самое, числа дальтонов в грамме, где дальтон определяется как 1/12 массы атома 12 C. [9] Согласно этому старому определению, численное значение постоянной Авогадро в моль −1 (число Авогадро) было физической константой, которую необходимо было определить экспериментально.
Переопределение моля в 2019 году как количества вещества, содержащего ровно6,022 140 76 × 10 23 частиц, [7] означает, что масса 1 моля вещества теперь является в точности произведением числа Авогадро и средней массы его частиц. Однако дальтон по-прежнему определяется как 1/12 массы атома 12 C, которая должна быть определена экспериментально и известна только с конечной точностью . Предыдущие эксперименты, направленные на определение постоянной Авогадро, теперь интерпретируются как измерения значения дальтона в граммах.
Согласно старому определению моля, численное значение одного моля вещества, выраженное в граммах, было точно равно средней массе одной частицы вещества в дальтонах. С новым определением эта численная эквивалентность больше не является точной, поскольку на нее влияет неопределенность значения дальтона в единицах СИ, но она по-прежнему справедлива для всех практических целей. Например, средняя масса одной молекулы воды составляет около 18,0153 дальтонов, а одного моля воды — около 18,0153 грамма. Кроме того, число Авогадро — это приблизительное число нуклонов ( протонов и нейтронов ) в одном грамме обычного вещества .
В более ранней литературе число Авогадро также обозначалось N , [10] [11], хотя это противоречит символу числа частиц в статистической механике .
Постоянная Авогадро названа в честь итальянского ученого Амедео Авогадро (1776–1856), который в 1811 году впервые предположил, что объем газа (при заданном давлении и температуре) пропорционален числу атомов или молекул независимо от природы газа. [12]
Гипотеза Авогадро была популяризирована через четыре года после его смерти Станислао Канниццаро , который отстаивал работу Авогадро на конгрессе в Карлсруэ в 1860 году. [13]
Название « число Авогадро» было введено в 1909 году физиком Жаном Перреном , который определил его как число молекул в 32 граммах кислорода . [14] Целью этого определения было сделать массу моля вещества в граммах численно равной массе одной молекулы относительно массы атома водорода; которая, в силу закона постоянства пропорций , была естественной единицей атомной массы и предполагалась равной 1/16 атомной массы кислорода.
Значение числа Авогадро (еще не известное под этим названием) было впервые получено косвенным путем Йозефом Лошмидтом в 1865 году путем оценки числа частиц в заданном объеме газа. [15] Это значение, плотность числа n 0 частиц в идеальном газе , теперь называется постоянной Лошмидта в его честь и связано с постоянной Авогадро, N A , соотношением
где p 0 — давление , R — газовая постоянная , а T 0 — абсолютная температура . В связи с этой работой для постоянной Авогадро иногда используется символ L [16] , а в немецкой литературе это название может использоваться для обеих констант, различающихся только единицами измерения [17] (Однако N A не следует путать с совершенно другой константой Лошмидта в англоязычной литературе. )
Перрен сам определил число Авогадро несколькими различными экспериментальными методами. Он был удостоен Нобелевской премии по физике 1926 года , в основном за эту работу. [18]
Электрический заряд на моль электронов — это константа, называемая постоянной Фарадея , которая известна с 1834 года, когда Майкл Фарадей опубликовал свои работы по электролизу . В 1910 году Роберт Милликен с помощью Харви Флетчера получил первое измерение заряда электрона . Деление заряда моля электронов на заряд одного электрона дало более точную оценку числа Авогадро. [19]
В 1971 году на своей 14-й конференции Международное бюро мер и весов (МБМВ) постановило рассматривать количество вещества как независимую единицу измерения , а моль — как базовую единицу в Международной системе единиц (СИ). [16] В частности, моль был определен как количество вещества, которое содержит столько же элементарных частиц, сколько атомов содержится в 12 граммах ( 0,012 килограмма ) углерода-12 ( 12 С). [9] Таким образом, в частности, один моль углерода-12 составлял ровно 12 граммов элемента.
Согласно этому определению, один моль любого вещества содержал ровно столько же элементарных сущностей, сколько один моль любого другого вещества. Однако это число N 0 было физической константой, которую нужно было определить экспериментально, поскольку оно зависело от массы (в граммах) одного атома 12 C, и поэтому было известно только с точностью до ограниченного числа десятичных знаков. [16] Общее эмпирическое правило, что «один грамм вещества содержит N 0 нуклонов», было точным для углерода-12, но немного неточным для других элементов и изотопов.
На той же конференции BIPM также назвало N A (фактор, преобразующий моли в число частиц) « постоянной Авогадро ». Однако термин «число Авогадро» продолжал использоваться, особенно во вводных работах. [20] Вследствие этого определения N A не было чистым числом, а имело метрическую размерность обратной величины количества вещества (моль -1 ).
На своей 26-й конференции BIPM приняло другой подход: с 20 мая 2019 года постоянная Авогадро N A была определена как точное значение6,022 140 76 × 10 23 моль −1 , таким образом, переопределяя моль как точно6,022 140 76 × 10 23 составных частиц рассматриваемого вещества. [21] [7] Одним из последствий этого изменения является то, что масса моля 12 атомов C больше не равна точно 0,012 кг. С другой стороны, дальтон ( он же универсальная атомная единица массы) остается неизменным, поскольку 1/12 массы 12 C. [22] [23] Таким образом, константа молярной массы остается очень близкой, но уже не точно равной 1 г/моль, хотя разница (4,5 × 10 −10 в относительном выражении по состоянию на март 2019 г.) не имеет значения для всех практических целей. [7] [1]
Постоянная Авогадро N A связана с другими физическими константами и свойствами.
