Was ist Avogadros Zahl?

Wir geben Ihnen einen Tipp: Es ist nicht 867-5309. Das ist Jennys Nummer, nicht die von Avogadro. Sie werden diese Ziffern auch nicht mit Filzstift an die Wand der öffentlichen Toilette gekritzelt finden. Sie werden es jedoch auf den Seiten eines Standard-Chemielehrbuchs entdecken: Es ist 6,0221415 × 10 ²³ . Ausgeschrieben sind das 602.214.150.000.000.000.000.000 [Quelle: Fox ]. Wenig Zeit? Nenn es einfach einen Maulwurf.

So wie ein Dutzend 12 Dinge ist, ist ein Maulwurf einfach Avogadros Anzahl von Dingen. In der Chemie sind diese "Dinge" Atome oder Moleküle. Theoretisch könnten Sie einen Maulwurf Baseball oder irgendetwas anderes haben, aber angesichts der Tatsache, dass ein Maulwurf Baseball die Erde bis zu einer Höhe von mehreren hundert Meilen bedecken würde, wäre es schwierig, eine gute praktische Verwendung für einen Maulwurf von irgendetwas zu finden größer als ein Molekül [Quelle: Hill und Kolb ]. Wenn also der Maulwurf nur für die Chemie verwendet wird, wie haben sich Amedeo Avogadro (vollständiger Name: Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro) und die Chemie gekreuzt?

Avogadro wurde 1776 in Italien geboren und wuchs in einer wichtigen Phase der Entwicklung der Chemie auf. Chemiker wie John Dalton und Joseph Louis Gay-Lussac begannen, die grundlegenden Eigenschaften von Atomen und Molekülen zu verstehen, und sie diskutierten heftig darüber, wie sich diese unendlich kleinen Teilchen verhalten. Das Gesetz von Gay-Lussac , Volumen zu kombinieren, interessierte Avogadro besonders. Das Gesetz besagt, dass, wenn zwei Gasvolumina miteinander reagieren, um ein drittes Gas zu erzeugen, das Verhältnis zwischen dem Volumen der Reaktanten und dem Volumen des Produkts immer aus einfachen ganzen Zahlen besteht. Hier ist ein Beispiel: Zwei Volumina Wasserstoffgas verbinden sich mit einem Volumen Sauerstoffgas, um zwei Volumina Wasserdampf zu bilden (zumindest wenn die Temperaturen hoch genug sind), ohne dass etwas übrig bleibt, oder:

2H ₂ + O ₂ -> 2H ₂ O

Avogadro bastelte an den Implikationen dieses Gesetzes herum und kam zu dem Schluss, dass, damit dies wahr ist, gleiche Volumina zweier Gase bei gleicher Temperatur und gleichem Druck eine gleiche Anzahl von Teilchen enthalten müssen ( Avogadro-Gesetz ). Und die einzige Möglichkeit zu erklären, dass dieses Gesetz für jedes Beispiel gelten könnte, einschließlich des gerade erwähnten, wäre, wenn es einen Unterschied zwischen Atomen und Molekülen gäbe und dass einige Elemente, wie Sauerstoff, tatsächlich als Moleküle existieren (im Fall von Sauerstoff O ₂statt einfach O) Zugegeben, Avogadro hatte keine Worte wie „Molekül“, um seine Theorie zu beschreiben, und seine Ideen stießen unter anderem auf Widerstand von John Dalton. Es würde einen weiteren Chemiker namens Stanislao Cannizzaro brauchen, um Avogadros Ideen die Aufmerksamkeit zu verschaffen, die sie verdienen. Als diese Ideen an Bedeutung gewannen, war Avogadro bereits verstorben.

Wo passt also die Zahl von Avogadro hinein? Da sich Avogadros Gesetz als so entscheidend für den Fortschritt der Chemie erwies, benannte der Chemiker Jean Baptiste Perrin die Zahl ihm zu Ehren. Lesen Sie weiter, um zu sehen, wie Chemiker die Avogadro-Zahl bestimmt haben und warum sie auch heute noch ein so wichtiger Bestandteil der Chemie ist.

Wie um alles in der Welt konnten sich Chemiker auf eine so scheinbar willkürliche Zahl für Avogadros Zahl einigen? Um zu verstehen, wie es abgeleitet wurde, müssen wir uns zuerst mit dem Konzept der atomaren Masseneinheit (amu) befassen. Die atomare Masseneinheit ist definiert als 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms (das häufigste Kohlenstoffisotop). Hier ist, warum das so schön ist: Kohlenstoff-12 hat sechs Protonen, sechs Elektronen und sechs Neutronen, und weil Elektronen sehr wenig Masse haben, ist 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms sehr nahe an der Masse eines einzelnen Protons oder eines einzelnes Neutron. Die Atomgewichte der Elemente (die Zahlen, die Sie unter den Elementen im Periodensystem sehen) werden ebenfalls in atomaren Masseneinheiten ausgedrückt. Beispielsweise hat Wasserstoff im Durchschnitt ein Atomgewicht von 1,00794 amu.

Leider haben Chemiker keine Waage, die atomare Masseneinheiten messen kann, und sie haben sicherlich nicht die Fähigkeit, ein einzelnes Atom oder Molekül gleichzeitig zu messen, um eine Reaktion durchzuführen. Da unterschiedliche Atome unterschiedlich viel wiegen, mussten Chemiker einen Weg finden, die Lücke zwischen der unsichtbaren Welt der Atome und Moleküle und der praktischen Welt der Chemielabors zu schließen, die mit Waagen gefüllt sind, die in Gramm messen. Dazu erstellten sie eine Beziehung zwischen der atomaren Masseneinheit und dem Gramm, und diese Beziehung sieht folgendermaßen aus:

1 amu = 1/6,0221415 x 10 ²³ Gramm

Diese Beziehung bedeutet, dass, wenn wir die Avogadro-Zahl oder ein Mol von Kohlenstoff-12-Atomen hätten (die per Definition ein Atomgewicht von 12 amu haben), diese Kohlenstoff-12-Probe genau 12 Gramm wiegen würde. Chemiker nutzen diese Beziehung, um leicht zwischen der messbaren Einheit Gramm und der unsichtbaren Einheit von Mol, von Atomen oder Molekülen umzurechnen.

Nun, da wir wissen, wie nützlich die Avogadro-Zahl ist, müssen wir eine letzte Frage untersuchen: Wie haben Chemiker überhaupt festgestellt, wie viele Atome in einem Maulwurf sind? Die erste grobe Schätzung kam mit freundlicher Genehmigung des Physikers Robert Millikan, der die Ladung eines Elektrons maß. Die Ladung eines Elektronenmols, Faraday genannt , war bereits bekannt, als Millikan seine Entdeckung machte.

Das Teilen eines Faradays durch die Ladung eines Elektrons ergibt dann die Avogadro-Zahl. Im Laufe der Zeit haben Wissenschaftler neue und genauere Wege gefunden, die Zahl von Avogadro zu schätzen, zuletzt unter Verwendung fortschrittlicher Techniken wie der Verwendung von Röntgenstrahlen, um die Geometrie einer 1-Kilogramm-Kugel aus Silizium zu untersuchen und die Anzahl der darin enthaltenen Atome aus diesen Daten zu extrapolieren. Und während das Kilogramm die Grundlage für alle Masseneinheiten ist, möchten einige Wissenschaftler stattdessen die Avogadro-Zahl verwenden, ähnlich wie wir jetzt die Länge eines Meters basierend auf der Lichtgeschwindigkeit definieren und nicht umgekehrt.

Tag des Maulwurfs: Ein Tag nach dem Herzen eines Chemikers

Sie werden wahrscheinlich keinen freien Tag bekommen oder Ihre örtliche Drogerie vor lauter Karten vorfinden, die diesen Anlass feiern, aber der Tag des Maulwurfs wird jedes Jahr von Apothekern auf der ganzen Welt gefeiert. Da die Zahl von Avogadro 6,022 × 10 ²³ ist, macht es nur Sinn, dass der Feiertag jeden 23. Oktober um 6:02 Uhr beginnt. Nachtschwärmer erzählen Chemiewitze, blasen Erdgasblasen, die sie in Brand setzen, stoßen mit mit Trockeneis gekühlten Getränken an und rezitiere sogar den Maulwurfsschwur .

Besonderer Dank gilt Meisa Salaita, Allround-Chemiegenie und Direktorin für Bildung und Öffentlichkeitsarbeit, NSF Center for Chemical Evolution, für ihre Unterstützung bei diesem Artikel.

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