Число́ Авога́дро ( постоянная Авогадро , конста́нта Авогадро ) — физическая величина , численно равная количеству специфицированных структурных единиц ( атомов , молекул , ионов , электронов или любых других частиц) в 1 моле вещества . Ранее определялось как количество атомов в 12 граммах (точно) чистого изотопа углерода-12 . Обозначается обычно как N _A , а иногда и L .

Постоянная Авогадро в Международной системе единиц СИ согласно изменениям определений основных единиц СИ есть целое число, точно равное

N _A ≡ 6,022 140 76⋅10 ²³ моль ⁻¹ .

Иногда в литературе проводят различие между постоянной Авогадро N _A , имеющей размерность моль ⁻¹ , и численно равным ей безразмерным целым числом Авогадро А .

Моль — количество вещества, которое содержит N _A структурных элементов (то есть столько же, сколько атомов содержится в 12 г ¹² С, согласно старому определению), причём структурными элементами обычно являются атомы, молекулы, ионы и др. Масса 1 моля вещества ( молярная масса ), выраженная в граммах, численно равна его молекулярной массе , выраженной в атомных единицах массы . Например:

• 1 моль натрия имеет массу 22,9898 г и содержит примерно 6,02⋅10 ²³ атомов ;
• 1 моль фторида кальция CaF ₂ имеет массу (40,08 + 2 · 18,998) = 78,076 г и содержит 6,02⋅10 ²³ ионов кальция и 12,04⋅10 ²³ ионов фтора;
• 1 моль тетрахлорида углерода CCl ₄ имеет массу (12,011 + 4 · 35,453) = 153,823 г и содержит 6,02⋅10 ²³ молекул тетрахлорида углерода;
• и т. п.

В конце 2011 года на XXIV Генеральной конференции по мерам и весам единогласно принято предложение определить моль в будущей версии Международной системы единиц (СИ) таким образом, чтобы избежать его привязки к определению килограмма . Предполагалось, что моль в 2018 году будет определён на основе числа Авогадро, которому будет приписано точное значение без погрешности, базирующееся на результатах измерений, рекомендованных CODATA . До 20 мая 2019 года число Авогадро являлось измеряемой величиной, не принимаемой по определению. В 2015 году из наиболее прецизионных измерений получено рекомендованное значение числа Авогадро N _A = 6,022 140 82(11)⋅10 ²³ моль ⁻¹ , полученное в результате усреднения результатов различных измерений .

Закон Авогадро

На заре развития атомной теории ( 1811 ) А. Авогадро выдвинул гипотезу, согласно которой при одинаковых температуре и давлении в равных объёмах идеальных газов содержится одинаковое количество молекул. Позже было показано, что эта гипотеза есть необходимое следствие кинетической теории, и сейчас она известна как закон Авогадро. Его можно сформулировать так: один моль любого газа при одинаковых температуре и давлении занимает один и тот же объём, при нормальных условиях равный 22,41383 литра . Эта величина известна как молярный объём газа .

История измерения константы

Сам Авогадро не делал оценок числа молекул в заданном объёме, но понимал, что это очень большая величина. Первую попытку найти число молекул, занимающих данный объём, предпринял в 1865 году Йозеф Лошмидт . Из вычислений Лошмидта следовало, что для воздуха количество молекул на единицу объёма составляет 1,81⋅10 ¹⁸ см ⁻³ , что примерно в 15 раз меньше истинного значения. Через 8 лет Максвелл привёл гораздо более близкую к истине оценку «около 19 миллионов миллионов миллионов» молекул на кубический сантиметр, или 1,9⋅10 ¹⁹ см ⁻³ . По его оценке число Авогадро было приблизительно ${\displaystyle 10^{22}}$ .

В действительности в 1 см³ идеального газа при нормальных условиях содержится около 2,68675⋅10 ¹⁹ молекул . Эта величина была названа числом (или постоянной) Лошмидта . С тех пор было разработано большое число независимых методов определения числа Авогадро. Превосходное совпадение полученных значений является убедительным свидетельством реального количества молекул.

В 1908 г. Перрен даёт приемлемую оценку 6,8·10 ²³ , вычисленную из параметров броуновского движения .

Современные оценки

Официально принятое в 2010 году значение числа Авогадро было измерено при использовании двух сфер, изготовленных из монокристалла кремния-28 , выращенного методом Чохральского . Сферы были выточены в и отполированы в австралийском настолько гладко, что при диаметре около 93,75 мм высоты выступов на их поверхности не превышали 98 нм ; радиальные координаты поверхности измерены методом оптической интерферометрии с погрешностью 0,3 нм (порядка толщины одного атомного слоя) . Для их производства был использован высокочистый кремний-28, выделенный в нижегородском Институте химии высокочистых веществ РАН из высокообогащённого по кремнию-28 тетрафторида кремния , полученного в Центральном конструкторском бюро машиностроения в Санкт-Петербурге.

Располагая такими практически идеальными объектами, можно с высокой точностью подсчитать число атомов кремния в шаре и тем самым определить число Авогадро. Согласно полученным результатам, оно равно 6,02214084(18)·10 ²³ моль ⁻¹ .

Однако в январе 2011 года были опубликованы результаты новых измерений, считающиеся более точными : N _A = 6,02214078(18)⋅10 ²³ моль ⁻¹ .

На 24-й Генеральной конференции по мерам и весам 17—21 октября 2011 года была единогласно принята резолюция , в которой, в частности, предложено в будущей ревизии СИ переопределить моль таким образом, чтобы число Авогадро было равным точно 6,02214X⋅10 ²³ моль ⁻¹ , где Х заменяет одну или более значащих цифр, которые будут определены в окончательном релизе на основании наиболее точных рекомендаций CODATA . В этой же резолюции предложено таким же образом определить как точные значения постоянную Планка , элементарный заряд , постоянную Больцмана и максимальную световую эффективность монохроматического излучения для дневного зрения .

Значение числа Авогадро, рекомендованное CODATA в 2010 году , составляло:

N _A = 6,022 141 29(27)⋅10 ²³ моль ⁻¹ .

Значение числа Авогадро, рекомендованное CODATA в 2014 году , составляло :

N _A = 6,022 140 857(74)⋅10 ²³ моль ⁻¹

Значение числа Авогадро, рекомендованное в 2019 году, составляло :

N _A = 6,022 140 76⋅10 ²³ моль ⁻¹

Связь между константами

• Через произведение постоянной Больцмана на число Авогадро выражается универсальная газовая постоянная , ${\displaystyle R=kN_{\mathrm {A} }}$ .
• Через произведение элементарного электрического заряда на число Авогадро выражается постоянная Фарадея , ${\displaystyle F=eN_{\mathrm {A} }}$ .

См. также

• Универсальная газовая постоянная
• Постоянная Больцмана
• Уравнение состояния идеального газа
• Молярный объём газа

Комментарии

Примечания

Литература

• (рус.) // Физическая энциклопедия. — Советская Энциклопедия , 1988. — Т. 1 . — С. 222 .
• Мейлихов Е. З. Число Авогадро. Как увидеть атом. — Долгопрудный, Московская обл.: Интеллект, 2017. — 86 с. — (Истоки современной физики). — 500 экз. — ISBN 978-5-91559-233-8 .
• Пресс И. А. Основы общей химии для самостоятельного изучения. — 2-е изд., перераб. — СПб. : Лань, 2012. — 496 с. — ISBN 978-5-8114-1203-7 .
• (рус.) // Физическая энциклопедия. — Советская Энциклопедия , 1998. — Т. 5 . — С. 275 .
• Число Авогадро // Большая советская энциклопедия