Số Avogadro là gì?

Chúng tôi sẽ cung cấp cho bạn một gợi ý: Nó không phải là 867-5309. Đó là số của Jenny, không phải của Avogadro. Bạn cũng sẽ không tìm thấy những chữ số này được viết nguệch ngoạc trên tường của phòng tắm công cộng. Tuy nhiên, bạn sẽ khám phá nó trong các trang của sách giáo khoa hóa học tiêu chuẩn: Nó là 6,0221415 × 10 ²³ . Viết ra, đó là 602.214.150.000.000.000.000.000.000 [nguồn: Fox ]. Thời gian ngắn? Chỉ cần gọi nó là một nốt ruồi.

Giống như một tá là 12 điều, một nốt ruồi đơn giản là số thứ của Avogadro. Trong hóa học, những "thứ" đó là nguyên tử hoặc phân tử. In theory, you could have a mole of baseballs or anything else, but given that a mole of baseballs would cover the Earth to a height of several hundred miles, you'd be hard-pressed to find good practical use for a mole of anything lớn hơn một phân tử [nguồn: Hill và Kolb ]. Vậy nếu nốt ruồi chỉ được sử dụng cho hóa học, thì Amedeo Avogadro (tên đầy đủ: Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro) và hóa học đã giao nhau như thế nào?

Sinh ra ở Ý vào năm 1776, Avogadro lớn lên trong một thời kỳ quan trọng trong sự phát triển của hóa học. Các nhà hóa học như John Dalton và Joseph Louis Gay-Lussac đã bắt đầu hiểu được các tính chất cơ bản của nguyên tử và phân tử, và họ tranh luận sôi nổi về cách các hạt nhỏ vô cùng này hoạt động như thế nào. Định luật Gay-Lussac kết hợp khối lượng Avogadro đặc biệt quan tâm. Định luật cho biết khi hai thể tích khí phản ứng với nhau tạo ra khí thứ ba thì tỉ số giữa thể tích chất phản ứng và thể tích sản phẩm luôn là số nguyên đơn giản. Dưới đây là một ví dụ: Hai khối lượng của khí hydro kết hợp với một khối lượng khí oxy để tạo thành hai khối lượng nước hơi (ít nhất là khi nhiệt độ đủ cao) mà không có gì còn sót lại, hoặc:

2H ₂ + O ₂ -> 2H ₂ O

Loay hoay tìm hiểu ý nghĩa của định luật này, Avogadro đã suy ra rằng để điều này trở thành sự thật, thể tích bằng nhau của hai khí bất kỳ ở cùng nhiệt độ và áp suất phải chứa một số lượng hạt bằng nhau ( định luật Avogadro ). Và cách duy nhất để giải thích rằng định luật này có thể đúng với bất kỳ ví dụ nào, kể cả ví dụ chúng ta vừa đề cập, là nếu có sự khác biệt giữa các nguyên tử và phân tử và một số nguyên tố, như ôxy, thực sự tồn tại dưới dạng phân tử (trong trường hợp của ôxy, O ₂chứ không chỉ đơn giản là O) Đúng là Avogadro không có những từ như "phân tử" để mô tả lý thuyết của mình, và những ý tưởng của ông đã vấp phải sự phản kháng từ John Dalton và những người khác. Sẽ cần một nhà hóa học khác tên là Stanislao Cannizzaro để mang lại cho ý tưởng của Avogadro sự chú ý mà họ xứng đáng nhận được. Vào thời điểm những ý tưởng đó có được sức hút, Avogadro đã qua đời.

Vậy con số của Avogadro phù hợp với điều này ở đâu? Vì định luật Avogadro tỏ ra rất quan trọng đối với sự tiến bộ của hóa học, nhà hóa học Jean Baptiste Perrin đã đặt tên con số này để vinh danh ông. Hãy đọc để biết cách các nhà hóa học xác định số Avogadro và tại sao ngày nay nó vẫn là một phần quan trọng của hóa học.

Làm thế nào trên Trái đất đã hóa học giải quyết trên đó dường như con số tùy ý cho số Avogadro? Để hiểu nó được hình thành như thế nào, trước tiên chúng ta phải giải quyết khái niệm về đơn vị khối lượng nguyên tử (amu). Các đơn vị khối lượng nguyên tử được định nghĩa là 1/12 khối lượng của một nguyên tử cacbon-12 (đồng vị phổ biến nhất của cacbon). Đây là lý do tại sao nó gọn gàng: Carbon-12 có sáu proton, sáu điện tử và sáu nơtron, và bởi vì các điện tử có khối lượng rất nhỏ, 1/12 khối lượng của một nguyên tử cacbon-12 rất gần với khối lượng của một proton hoặc một nơtron đơn lẻ. Trọng lượng nguyên tử của các nguyên tố (những con số bạn nhìn thấy bên dưới các nguyên tố trong bảng tuần hoàn) cũng được biểu thị bằng đơn vị khối lượng nguyên tử. Ví dụ, hydro có trọng lượng trung bình nguyên tử là 1,00794 amu.

Thật không may, các nhà hóa học không có một cái cân có thể đo các đơn vị khối lượng nguyên tử, và chắc chắn họ không có khả năng đo một nguyên tử hoặc phân tử tại một thời điểm để thực hiện một phản ứng. Vì các nguyên tử khác nhau có trọng lượng khác nhau, các nhà hóa học phải tìm cách thu hẹp khoảng cách giữa thế giới vô hình của các nguyên tử và phân tử và thế giới thực tế của các phòng thí nghiệm hóa học chứa đầy những chiếc cân tính bằng gam. Để làm được điều này, họ đã tạo ra một mối quan hệ giữa đơn vị khối lượng nguyên tử và gam, và mối quan hệ đó trông giống như sau:

1 amu = 1 / 6,0221415 x 10 ²³ gam

Mối quan hệ này có nghĩa là nếu chúng ta có số Avogadro, hoặc một mol nguyên tử cacbon-12 (theo định nghĩa có trọng lượng nguyên tử là 12 amu), thì mẫu cacbon-12 đó sẽ nặng chính xác 12 gam. Các nhà hóa học sử dụng mối quan hệ này để dễ dàng chuyển đổi giữa đơn vị đo được là gam và đơn vị không nhìn thấy được là mol, của nguyên tử hoặc phân tử.

Bây giờ chúng ta biết con số Avogadro có ích như thế nào, chúng ta cần xem xét một câu hỏi cuối cùng: Làm thế nào các nhà hóa học xác định có bao nhiêu nguyên tử trong một mol ngay từ đầu? Ước tính sơ bộ đầu tiên do nhà vật lý Robert Millikan, người đã đo điện tích của một electron. Điện tích của một mol electron, được gọi là Faraday , đã được biết đến vào thời điểm Millikan thực hiện khám phá của mình.

Khi đó, chia Faraday cho điện tích của một electron sẽ cho chúng ta số Avogadro. Theo thời gian, các nhà khoa học đã tìm ra những cách mới và chính xác hơn để ước tính số lượng của Avogadro, gần đây nhất là sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như sử dụng tia X để kiểm tra hình dạng của một quả cầu silicon nặng 1 kg và ngoại suy số nguyên tử mà nó chứa từ dữ liệu đó. Và trong khi kilôgam là cơ sở cho tất cả các đơn vị khối lượng, một số nhà khoa học muốn bắt đầu sử dụng số Avogadro, giống như cách chúng ta xác định chiều dài của một mét dựa trên tốc độ ánh sáng thay vì ngược lại.

Ngày nốt ruồi: Một ngày sau trái tim của một nhà hóa học

Bạn có thể sẽ không có ngày nghỉ làm hoặc thấy hiệu thuốc địa phương tràn ngập các tấm thiệp chúc mừng dịp này, nhưng Ngày nốt ruồi được các nhà hóa học trên khắp thế giới tổ chức hàng năm. Vì con số của Avogadro là 6,022 × 10 ²³ , nên chỉ có ý nghĩa là kỳ nghỉ bắt đầu lúc 6:02 sáng mỗi ngày 23 tháng 10. Những người thích thú kể chuyện cười về hóa học, thổi bong bóng khí tự nhiên mà họ bốc cháy, nướng bánh mì với đồ uống ướp lạnh bằng đá khô và thậm chí đọc lại lời cam kết trung thành của nốt ruồi .

Đặc biệt cảm ơn Meisa Salaita, chuyên gia về hóa học toàn diện và Giám đốc Giáo dục & Tiếp cận, Trung tâm Tiến hóa Hóa học NSF, đã hỗ trợ cô ấy thực hiện bài viết này.

Những bài viết liên quan

Các liên kết tuyệt vời hơn