Quel est le numéro d'Avogadro ?

Nous allons vous donner un indice : ce n'est pas le 867-5309. C'est le numéro de Jenny, pas celui d'Avogadro. Vous n'allez pas non plus trouver ces chiffres griffonnés au marqueur sur le mur des toilettes publiques. Vous le découvrirez cependant dans les pages d'un manuel de chimie standard : c'est 6,0221415 × 10 ²³ . Écrit, c'est 602 214 150 000 000 000 000 000 [source : Fox ]. Vous manquez de temps ? Appelez ça une taupe.

Tout comme une douzaine est 12 choses, une taupe est simplement le nombre de choses d'Avogadro. En chimie, ces "choses" sont des atomes ou des molécules. En théorie, vous pourriez avoir une taupe de balles de baseball ou n'importe quoi d'autre, mais étant donné qu'une taupe de balles de baseball couvrirait la Terre à une hauteur de plusieurs centaines de kilomètres, vous auriez du mal à trouver une bonne utilisation pratique pour une taupe de quoi que ce soit. plus gros qu'une molécule [source : Hill et Kolb ]. Donc si la taupe n'est utilisée que pour la chimie, comment Amedeo Avogadro (nom complet : Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro) et la chimie se sont-ils croisés ?

Né en Italie en 1776, Avogadro a grandi pendant une période importante du développement de la chimie. Des chimistes comme John Dalton et Joseph Louis Gay-Lussac commençaient à comprendre les propriétés fondamentales des atomes et des molécules, et ils débattaient vivement du comportement de ces particules infiniment petites. La loi de Gay-Lussac sur la combinaison des volumes intéresse particulièrement Avogadro. La loi stipulait que lorsque deux volumes de gaz réagissent l'un avec l'autre pour créer un troisième gaz, le rapport entre le volume des réactifs et le volume du produit est toujours constitué de nombres entiers simples. Voici un exemple : deux volumes d'hydrogène gazeux se combinent avec un volume d'oxygène gazeux pour former deux volumes de vapeur d'eau (au moins lorsque les températures sont suffisamment élevées) sans qu'il ne reste rien, ou :

2H ₂ + O ₂ --> 2H ₂ O

En tâtonnant avec les implications de cette loi, Avogadro en a déduit que pour que cela soit vrai, des volumes égaux de deux gaz quelconques à la même température et pression doivent contenir un nombre égal de particules ( loi d'Avogadro ). Et la seule façon d'expliquer que cette loi pourrait être vraie pour n'importe quel exemple, y compris celui que nous venons de mentionner, est s'il y avait une différence entre les atomes et les molécules et que certains éléments, comme l'oxygène, existent réellement en tant que molécules (dans le cas de l'oxygène, O ₂plutôt que simplement O) Certes, Avogadro n'avait pas de mots comme "molécule" pour décrire sa théorie, et ses idées ont rencontré la résistance de John Dalton, entre autres. Il faudrait un autre chimiste du nom de Stanislao Cannizzaro pour apporter aux idées d'Avogadro l'attention qu'elles méritaient. Au moment où ces idées ont gagné du terrain, Avogadro était déjà décédé.

Alors, où se situe le numéro d'Avogadro dans tout cela ? Parce que la loi d'Avogadro s'est avérée si critique pour l'avancement de la chimie, le chimiste Jean Baptiste Perrin a nommé le nombre en son honneur. Lisez la suite pour voir comment les chimistes ont déterminé le nombre d'Avogadro et pourquoi, même aujourd'hui, c'est une partie si importante de la chimie.

Comment diable les chimistes se sont-ils installés sur un chiffre apparemment aussi arbitraire pour le nombre d'Avogadro ? Pour comprendre son origine, il faut d'abord aborder le concept d'unité de masse atomique (uma). L' unité de masse atomique est définie comme 1/12 de la masse d'un atome de carbone 12 (l'isotope le plus courant du carbone). Voici pourquoi c'est bien : le carbone 12 a six protons, six électrons et six neutrons, et parce que les électrons ont très peu de masse, 1/12 de la masse d'un atome de carbone 12 est très proche de la masse d'un seul proton ou d'un neutron unique. Les poids atomiques des éléments (ces nombres que vous voyez sous les éléments du tableau périodique) sont également exprimés en termes d'unités de masse atomique. Par exemple, l'hydrogène a, en moyenne, un poids atomique de 1,00794 amu.

Malheureusement, les chimistes n'ont pas d'échelle capable de mesurer les unités de masse atomique, et ils n'ont certainement pas la capacité de mesurer un seul atome ou molécule à la fois pour effectuer une réaction. Étant donné que différents atomes pèsent des quantités différentes, les chimistes ont dû trouver un moyen de combler le fossé entre le monde invisible des atomes et des molécules et le monde pratique des laboratoires de chimie remplis d'échelles qui mesurent en grammes. Pour ce faire, ils ont créé une relation entre l'unité de masse atomique et le gramme, et cette relation ressemble à ceci :

1 uma = 1/6.0221415 x 10 ²³ grammes

Cette relation signifie que si nous avions le nombre d'Avogadro, ou une mole, d'atomes de carbone 12 (qui a un poids atomique de 12 amu par définition), cet échantillon de carbone 12 pèserait exactement 12 grammes. Les chimistes utilisent cette relation pour convertir facilement entre l'unité mesurable d'un gramme et l'unité invisible de moles, d'atomes ou de molécules.

Maintenant que nous savons à quel point le nombre d'Avogadro est utile, nous devons examiner une dernière question : comment les chimistes ont-ils déterminé le nombre d'atomes dans une taupe ? La première estimation approximative est venue du physicien Robert Millikan, qui a mesuré la charge d'un électron. La charge d'une taupe d'électrons, appelée Faraday , était déjà connue au moment où Millikan a fait sa découverte.

Diviser un Faraday par la charge d'un électron nous donne alors le nombre d'Avogadro. Au fil du temps, les scientifiques ont trouvé de nouvelles façons plus précises d'estimer le nombre d'Avogadro, plus récemment en utilisant des techniques avancées comme l'utilisation de rayons X pour examiner la géométrie d'une sphère de silicium de 1 kilogramme et en extrapolant le nombre d'atomes qu'elle contenait à partir de ces données. Et bien que le kilogramme soit la base de toutes les unités de masse, certains scientifiques veulent commencer à utiliser le nombre d'Avogadro à la place, un peu comme nous définissons maintenant la longueur d'un mètre en fonction de la vitesse de la lumière au lieu de l'inverse.

Mole Day: Un jour après le cœur d'un chimiste

Vous n'obtiendrez probablement pas un jour de congé ou ne trouverez pas votre pharmacie locale remplie de cartes célébrant l'occasion, mais la Journée de la taupe est célébrée chaque année par des chimistes du monde entier. Étant donné que le numéro d'Avogadro est de 6,022 × 10 ²³ , il est logique que les vacances commencent à 6 h 02 tous les 23 octobre. Les fêtards racontent des blagues sur la chimie, font exploser des bulles de gaz naturel qu'ils embrasent, trinquent avec des boissons refroidies par de la neige carbonique et même réciter le serment d'allégeance de la taupe .

Remerciements particuliers à Meisa Salaita, spécialiste de la chimie polyvalente et directrice de l'éducation et de la sensibilisation, NSF Center for Chemical Evolution, pour son aide dans cet article.

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