Η σημασία της σταθεράς Avogadro

"Αν και τα μόρια διαφέρουν σε μέγεθος, σχήμα και μάζα ο αριθμός των μορίων σε ένα mole είναι μια παγκόσμια σταθερά για όλα τα στερεά, υγρά και αέρια, στοιχεία και χημικές ενώσεις". (Virgo 1933)

To ΝΑ αποτελεί γέφυρα μικρόκοσμου-μακρόκοσμου και μείζον θέμα για την έρευνα. Η ακριβής μέτρηση της τιμής του ΝΑ σε όλα τα φαινόμενα στα οποία εμπλέκεται αποτέλεσε πρόκληση για τους επιστήμονες και οδήγησε σε πολλές νέες ανακαλύψεις. (Jensen 2010)

• Πώς αντιμετώπισαν οι επιστήμονες την πρόκληση να μετρήσουν τα σωματίδια χωρίς τα σημερινά μέσα;

• Γιατί και πότε συνδέθηκε το όνομα του Avogadro με τη σταθερά ΝΑ;• Πώς προσδιορίστηκε η σταθερά Avogadro;• Πώς φτάσαμε στις σημερινές τιμές;

βιβλιογραφία περιορισμένη - αναγκαστικά πρωτότυπα

Η ιστορική προσέγγιση του ΝΑ και του μεγέθους των μορίων

Η σταθερά Avogadro μετρήθηκε

Αρχικά στον ΑΕΡΑ με την κινητική θεωρία (+ Υπ. Αvogadro) Loschmidt , Boltzmann, Maxwell 1811 1865 1873

Μετά με τη κίνηση των κόκκων της γύρης (Βrown) στο ΝΕΡΟ Perrin 1909

Τώρα πια με σκέδαση- περίθλαση ακτίνων Χ σε ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΣΤΕΡΕΑ όπως Si Project Avogadro IAC (= International Avogadro Coordination)

ΥΠΑΡΧΟΥΝ πάνω από 80 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΙ ΤΡΟΠΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ

EquivalentistsΜακροσκοπική

προσέγγισηΜΑΖΑ-ΟΓΚΟΣ (matter

theory) Νόμοι

χημείας18ος

αιώνας

Ostwald 1890Χημικά ισοδύναμαχημικά μόρια= εύρημα προέκυπταν από τα ΑΒ υποθετικά και ανύπαρκτα mole = μάζα συνεχής

AtomistsΜικροσκοπική

προσέγγισηΜΟΡΙΑ (μοριακή θεωρία)

Dalton 1809 αδιαίρετα

άτομα Avogadro,1811: ΕVEN- μόριαLoschmidt,1865: no, d μορίουMaxwell,1873: ιπτάμενα μόριαPerrin,1909: NAQuantity= ποσότητα ουσίας

Το Ιστορικό Πλαίσιο versus

… HO

ΗΟ1/2

Αvogadro1776-1856Υπόθεση EVEN molecules 1811

Loschmidt 1821-1895μέγεθος μορίου d, no 1865 Boltzman

n1844-1906

Maxwell 1831-1879

Perrin, 1870-1942NA 1909 Nobel 1926

Ostwald, 1853 – 1932 mole-molecules?Nobel 1909, Κατάλυση, ΧΙ ταχύτητα αντ.

Cannizzaro 1826 – 1910,

Dalton1766-1844

Κινητική θεωρία …1873quantity- molecules= granules

Einstein Smoluchowski 1879 – 1955 1872-19171905: A new determination of molecular dimensions, PhD μοντέλο κίνησης Brown

19ος- 20οςαι.

EVEN = Equal Volumes Equal Numbers: Ίσοι όγκοι αερίων- ίσα μόρια

ο όγκος του αερίου (σε δεδομένη θερμοκρασία και πίεση) είναι ανάλογος με τον

αριθμό των μορίων , ανεξάρτητα από τη φύση του αερίου (βαριά ή ελαφρά)

υπόθεση Avogadro = η βάση της Μοριακής Θεωρίας

Στοιχειώδη (άτομα) και σύνθετα ΜΟΡΙΑElementary : H , O = 2 Ο 1/2 Compound : ΗΟ 1/2

Λατινικά: molecules=υποκοριστικό της λέξης moles= σωρός Ελληνικά: μόρια από μόρος= μονάδα μέτρ. επιφανειών από

μείρομαι=διαιρούμαι ΗΟ ½ από πυκνότητες των αερίων και αναλογίες όγκων βρίσκει ΜΒ (ΑΒ) για τα

αέρια καλύτερα από τους Dalton και Berzelius για ΗO (ABO=15 αντί 5,5) 1860 Ο Cannizaro αναδεικνύει το έργο του στο 1ο συνέδριο Χημείας-Καλσρούη 1909 Ο Perrin προτείνει την ονομασία του αριθμού ΝΑ προς τιμήν του Ο ίδιος o Avogadro δεν γνώρισε ποτέ το mole ή... τη σταθερά του, το ΝΑ

1956 L.Pauling : "το έργο του Avogadro είναι η βάση της θεωρητικής χημείας και η συμβολή του στη Χημεία η μεγαλύτερη όλων".

(Avogadro 1811 το πρωτότυπο, Perrin 1926, Asimov 2004, Chigliano 1992)

Avogadro 1811

Υπολογίζει για ΠΡΩΤΗ ΦΟΡΑ τη μέση διάμετρο d των μορίων αέρα ≈ 1 nm (σωστή τάξη

μεγέθους) Ο ίδιος αποκαλεί τη διάσταση των μορίων το ένα

εκατομμυριοστό του χιλιοστού! Χρησιμοποιεί την αριθμητική πυκνότητα n0 = αριθμός των

σωματιδίων ανά μονάδα όγκου (σε ορισμένη p,T) σήμερα σταθερά Loschmidt προς τιμήν του, no = NA/Vm ή

amagat. Από θεωρία Avogadrο πήρε n0 = N/Vg = σταθερά (P,Τ) για κάθε

αέριο Από κινητική θεωρία αερίων πήρε μέση ελεύθερη διαδρομή l

= 4/3(no π d2)-1 Βρήκε την περίφημη σχέση του d = 8 l ε για το συντελεστή

συμπύκνωσης αερίου ( ε= Vliq / Vgas ) Για τον ατμοσφαιρικό αέρα

d/l=8Vl/Vg≈1/100

l = 65 nm (Maxwell) ή 140 nm (Meyer) και ε= 0.000866 (δική του τιμή )

d= 0,45nm ή 0,96 nm και n0 = 0,18 ή 1,8. 1025 m-3 που δίνει τιμή για τη

σημερινή σταθερά Avogadrο = ΝΑ = n0.Vm = 0,4 ή 4 . 1023mol -

1 !

Loschmidt 1865

Loschmidt 1865 το πρωτότυπο, Hawthorn 1970

Κίνηση Brown και απόδειξη PerrinΑναδημοσίευση από το βιβλίο του Jean Baptiste Perrin, Les Atomes: εμφανίζονται τρεις χαράξεις της κίνησης των κολλοειδών σωματιδίων ακτίνας 0,53 μm,όπως φαίνονται στο μικροσκόπιο. Οι διαδοχικές θέσεις είναι κάθε 30 secΚαι ενώνονται με ευθύγραμμα τμήματα (το μέγεθος του mesh είναι 3.2 µm)

Στην ομιλία του ο Perrin αναφέρεται στη συμφωνία των τιμών του με τις τιμές άλλων ερευνητών, που προκύπτουν με διαφορετικές μεθόδους, όπως με Kιν. Θεωρία, με το πείραμα σταγόνας λαδιού Millikan, με τη μέτρηση φορτίου σκόνης Τhomson , με ακτινοβολία σωματιδίων α από ράδιο κλπ. Αυτή η καθολικά σταθερή τιμή του ΝΑ αποτελεί αντικειμενική απόδειξη της ύπαρξης των μορίων.Ο Ostwald υποχώρησε … Τα άτομα και τα μόρια υπάρχουν πράγματι και δεν είναι μια βολική έννοια για τους χημικούς υπολογισμούς …