АНО ВПО ЦС РФ «Російського університету кооперації»
ФАКУЛЬТЕТ «СЕРВІС»
РЕФЕРАТ
Тема:
Закон Авогадро
Виконав: студент
1 курсу Іконніков А.В.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2009
Зміст
Введення
Амедео Авогадро (1776-1856)
Закон Авогадро
Висновок
Список літератури
Введення
Передбачити результати експерименту, відчути загальний початок, передбачити закономірність - цим зазначено творчість багатьох вчених. Найчастіше прогнозування поширюється тільки на ту область, якій зайнятий дослідник, а резолюція хоробро зробити крок далеко вперед у своїх прогнозах дана далеко не кожному. Іноді сміливість може надати здатність до логічних побудов.
Амедео Авогадро (1776-1856)
В історію фізики Авогадро увійшов як автор одного з найважливіших законів молекулярної фізики.
Лоренцо Романо Карло ді Кваренья е ді Черрето народився 9 серпня 1776 року в Турині - столиці італійської провінції П'ємонт в сім'ї службовця судового відомства Філіппе Авогадро. Амедео був третім з восьми дітей. Предки його з XII століття перебували на службі католицької церкви адвокатами і за традицією того часу їх професії і посади передавалися у спадок. Коли настав час обирати професію, Амедео також зайнявся юриспруденцією. У цій науці він швидко досяг успіху і вже в двадцять років отримав вчений ступінь доктора церковного права.
Юридична практика не захоплювала Амедео, його інтереси були далекі від юриспруденції. У юнацькі роки він недовго відвідував так звану школу геометрії та експериментальної фізики. Вона-то і пробудила в ньому любов до цих наук. Але, не отримавши достатньо систематичних знань, він змушений був зайнятися самоосвітою Коли йому вже виповнилося 25 років, він став весь вільний час присвячувати вивченню фізико-математичних наук.
Авогадро почав свою наукову діяльність з вивчення електричних явищ. Цей інтерес особливо посилився після того, як Вольта в 1800 році винайшов перший джерело електричного струму, а також у зв'язку з дискусією між Гальвані і Вольта про природу електрики. Ці питання перебували на передньому краї науки того часу, і природно, що молодий Авогадро вирішив спробувати свої сили саме тут.
Роботи Авогадро, присвячені різним проблемам електрики, з'являлися аж до 1846 року. Велику увагу приділяв він також дослідження в галузі електрохімії, намагаючись знайти зв'язок між електричними й хімічними явищами, що привело його до створення своєрідної електрохімічної теорії. У цьому відношенні його дослідження стикалися з роботами відомих хіміків Деві і Берцеліуса.
У 1803 та 1804 роках Амедео, спільно зі своїм братом Феліче, представив у Туринську Академію наук дві роботи, присвячені теорії електричних і електрохімічних явищ, за що і був обраний в 1804 році членом-кореспондентом цієї академії У першій роботі під назвою «Аналітична замітка про електриці »він пояснював поведінку провідників і діелектриків в електричному полі, зокрема явище поляризації діелектриків. Висловлені ним ідеї отримали потім більш повний розвиток в роботах інших вчених, зокрема Ампера
У 1806 році Авогадро отримує місце репетитора в Туринському ліцеї, а потім, в 1809 році, переводиться викладачем фізики та математики в ліцей міста Верчеллі, в якому він пропрацював близько десяти років У цей період він знайомиться з величезною кількістю наукової літератури, роблячи численні виписки з прочитаних книг і журнальних статей.
Ці виписки, які він не припиняв вести до кінця своїх днів, склали 75 томів приблизно по 700 сторінок в кожному! Зміст цих томів свідчить про різнобічності інтересів Авогадро, про колосальну роботу, яку він зробив, «перекваліфікувавшись» з юриста у фізика.
Свою сімейне життя Авогадро влаштував досить пізно, коли йому було вже за тридцять. Працюючи в Верчеллі, він познайомився зі своєю майбутньою дружиною Ганною Марією Мацца ді Джузеппе, дочкою нотаріуса, яка була молодша за нього на 18 років. Від цього шлюбу він мав вісім дітей - двох синів і шість дочок. Ніхто з них не успадкував його професії та інтересів.
Закон Авогадро
У 1808 Гей-Люссак (спільно з німецьким натуралістом Олександром Гумбольдтом) сформулював так званий закон об'ємних відносин, згідно з яким співвідношення між обсягами реагуючих газів виражається простими цілими числами. Наприклад, 2 обсягу водню з'єднуються з 1 обсягом водню, даючи 2 обсягу водяної пари; 1 обсяг хлору з'єднується з 1 обсягом водню, даючи 2 обсягу хлороводню і т.д. Цей закон у той час мало що давав вченим, оскільки не було єдиної думки про те, з чого складаються частки різних газів. Не існувало й чіткого відмінності між такими поняттями як атом, молекула, корпускула.
У 1811 Авогадро, ретельно проаналізувавши результати експериментів Гей-Люссака та інших вчених, прийшов до висновку, що закон об'ємних відносин дозволяє зрозуміти, як же «влаштовані» молекули газів. «Перша гіпотеза, - писав він, - яка виникає у зв'язку з цим і яка видається єдино прийнятною, полягає в припущенні, що число складових молекул будь-якого газу завжди одне і те ж в одному і тому ж обсязі ...» А «складові молекули »(зараз ми їх називаємо просто молекулами), на думку Авогадро, складаються з більш дрібних частинок - атомів.
Трьома роками пізніше Авогадро виклав свою гіпотезу ще більш чітко і сформулював її у вигляді закону, який носить його ім'я: «Рівні обсяги газоподібних речовин при однаковому тиску і температурі містять одне і те ж число молекул, так що щільність різних газів служить мірою маси їх молекул ... »Це додавання було дуже важливим: воно означало, що можна, вимірюючи густину різних газів, визначати відносні маси молекул, з яких ці гази складаються. Дійсно, якщо в 1 л водню міститься стільки ж молекул, що і в 1 л кисню, то ставлення щільностей цих газів одно відношення мас молекул. Авогадро особливо відзначав, що молекули в газах не обов'язково повинні складатися з поодиноких атомів, а можуть містити кілька атомів - однакових або різних. (Справедливості заради слід сказати, що в 1814 відомий французький фізик А. М. Ампер незалежно від Авогадро прийшов до тих самих висновків.)
За часів Авогадро його гіпотезу неможливо було довести теоретично. Але ця гіпотеза давала просту можливість експериментально встановлювати склад молекул газоподібних сполук і визначати їхню відносну масу. Спробуємо простежити логіку таких міркувань. Експеримент показує, що об'єми водню, кисню й утворюються з цих газів парів води ставляться як 2:1:2. Висновки з цього факту можна зробити різні. Перший: молекули водню і кисню складаються з двох атомів (Н 2 і О 2), а молекула води - з трьох, і тоді вірно рівняння 2Н 2 + О 2 2Н 2 О. Але можливий і такий висновок: молекули водню одноатомних, а молекули кисню і води двохатомних, і тоді вірно рівняння 2Н + О 2 2НО з тим же співвідношенням обсягів мов 2:1:2. У першому випадку зі співвідношення мас водню і кисню у воді (1:8) випливало, що відносна атомна маса кисню дорівнює 16, а в другому - що вона дорівнює 8. До речі, навіть через 50 років після робіт Гей-Люссака деякі вчені продовжували наполягати на тому, що формула води саме АЛЕ, а не Н 2 О. Інші ж вважали, що правильна формула Н 2 О 2. Відповідно в ряді таблиць атомну масу кисню приймали рівній 8.
Однак був простий спосіб вибрати з двох припущень одне вірне. Для цього треба було лише проаналізувати результати й інших аналогічних експериментів. Так, із них випливало, що рівні об'єми водню і хлору дають подвоєний об'єм хлороводню. Цей факт відразу відкидав можливість одноатомного водню: реакції типу H + Cl HCl, H + Cl 2 HCl 2 і їм подібні не дають подвоєного обсягу HCl. Отже, молекули водню (а також хлору) складаються з двох атомів. Але якщо молекули водню двохатомних, то двоатомних і молекули кисню, а в молекулах води три атома, і її формула - Н 2 О. Дивно, що такі прості доводи протягом десятиліть не могли переконати деяких хіміків у справедливості теорії Авогадро, яка протягом кількох десятиліть залишалася практично непоміченою.
Почасти це пояснюється відсутністю в ті часи простою і ясною запису формул і рівнянь хімічних реакцій. Але головне - противником теорії Авогадро був знаменитий шведський хімік Йенс Якоб Берцеліус, мав незаперечний авторитет серед хіміків усього світу. Відповідно до його теорії, всі атоми мають електричні заряди, а молекули утворені атомами з протилежними зарядами, які притягуються одне до одного. Вважалося, що атоми кисню мають сильний негативний заряд, а атоми водню - позитивний. З точки зору цієї теорії неможливо було уявити молекулу кисню, що складається з двох однаково заряджених атомів! Але якщо молекули кисню одноатомних, то в реакції кисню з азотом: N + O NO співвідношення обсягів повинно бути 1:1:1. А це суперечило експерименту: 1 л азоту та 1 л кисню давали 2 л NO. На цій підставі Берцеліус і більшість інших хіміків відкинули гіпотезу Авогадро як не відповідну експериментальними даними!
Відродив гіпотезу Авогадро і переконав хіміків в її справедливості в кінці 1850-х молодий італійський хімік Станіслао Канніццаро (1826-1910). Він прийняв для молекул газоподібних елементів правильні (подвоєні) формули: H 2, O 2, Cl 2, Br 2 і т.д. і погодив гіпотезу Авогадро з усіма експериментальними даними. «Наріжний камінь сучасної атомної теорії, - писав Канніццаро, - становить теорія Авогадро ... Ця теорія являє найлогічніший вихідний пункт для роз'яснення основних ідей про молекулах і атомах і для доказу останніх ... Спочатку здавалося, що фізичні факти були в незгоді з теорією Авогадро і Ампера, так що вона була залишена осторонь і скоро забута; але потім хіміки самою логікою їх досліджень і в результаті спонтанної еволюції науки, непомітно для них, були приведені до тієї ж теорії ... Хто не побачить у цьому тривалому і неусвідомленому кружлянні науки навколо і в напрямку поставленої мети рішучого докази на користь теорії Авогадро і Ампера? Теорія, до якої прийшли, відправляючись від різних і навіть протилежних пунктів, теорія, яка дозволила передбачити чимало фактів, підтверджених досвідом, повинна бути чимось більшим, ніж простий наукової вигадкою. Вона повинна бути ... самою істиною ».
Про жарких дискусіях того часу написав Д. І. Менделєєв: «У 50-х роках одні брали О = 8, інші О = 16, якщо Н = 1. Вода для перших була АЛЕ, перекис водню АЛЕ 2, для других, як нині, вода Н 2 О, перекис водню Н 2 О 2 чи АЛЕ. Смута, суперечливість панували. У 1860 хіміки усього світу зібралися в Карлсруе для того, щоб на конгресі досягти угоди, одноманітності. Був присутній на цьому конгресі, я добре пам'ятаю, як велике було розбіжність, як з найбільшим гідністю охоронялося корифеями науки умовне угоду і як тоді послідовники Жерара, на чолі яких став італійський професор Канніццаро, гаряче проводили слідства закону Авогадро ».
Після того, як гіпотеза Авогадро стала загальновизнаною, вчені отримали можливість не тільки правильно визначати склад молекул газоподібних сполук, але і розраховувати атомні і молекулярні маси. Ці знання допомагали легко розрахувати масові співвідношення реагентів в хімічних реакціях. Такі співвідношення були дуже зручні: вимірюючи масу речовин в грамах, вчені як би оперували молекулами. Кількість речовини, чисельно рівна відносної молекулярної маси, але виражене в грамах, назвали грам-молекулою або молем (слово «міль» придумав на початку 20 ст. Німецький фізико-хімік лауреат Нобелівської премії Вільгельм Оствальд (1853-1932); воно містить той же корінь, що і слово «молекула» і походить від латинського moles - громада, маса з зменшувальним суфіксом). Було виміряно і обсягів м одного моля речовини, що знаходиться в газоподібному стані: при нормальних умовах (тобто при тиску 1 атм = 1,013 · 10 5 Па і температурі 0 ° C) він дорівнює 22,4 л (за умови, що газ близький до ідеального). Число ж молекул в одному молі стали називати постійної Авогадро (її зазвичай позначають N А). Таке визначення благаючи зберігалося протягом майже цілого століття.
В даний час моль визначається інакше: це кількість речовини, що містить стільки ж структурних елементів (це можуть бути атоми, молекули, іони або інші частинки), скільки їх міститься в 0,012 кг вуглецю-12. (Про причини вибору в якості стандарту саме вуглецю (см. ВІДНОСНА АТОМНА МАСА, вуглецевих одиниць). У 1971 рішенням 14-ї Генеральної конференції з мір та ваг моль був введений в Міжнародну систему одиниць (СІ) як 7-ої основної одиниці.
Ще за часів Канніццаро було очевидно, що оскільки атоми і молекули дуже маленькі і ніхто їх ще не бачив, постійна Авогадро повинна бути дуже велика. З часом навчилися визначати розміри молекул і значення N А - спочатку дуже грубо, потім все точніше. Перш за все, їм було зрозуміло, що обидві величини пов'язані один з одним: чим менше виявляться атоми і молекули, тим більше вийде число Авогадро. Вперше розміри атомів оцінив німецький фізик Йозеф Лошмідт (1821-1895). Виходячи з молекулярно-кінетичної теорії газів і експериментальних даних про збільшення об'єму рідин при їх випаровуванні, він у 1865 розрахував діаметр молекули азоту. У нього вийшло 0,969 нм (1 нанометр - мільярдна частина метра), або, як писав Лошмідт, «діаметр молекули повітря округлено дорівнює одній мільйонній частині міліметра». Це приблизно втричі більше сучасного значення, що для того часу було хорошим результатом. У другій статті Лошмідта, опублікованій у тому ж році, дається і число молекул в 1 см 3 газу, яке з тих пір називається постійної Лошмідта (N L). З неї легко отримати значення N A, помноживши на молярний об'єм ідеального газу (22,4 л / моль).
Постійну Авогадро визначали багатьма методами. Наприклад, з блакитного кольору неба слід, що сонячне світло розсіюється в повітрі. Як показав Релей, інтенсивність розсіювання світла залежить від кількості молекул повітря в одиниці об'єму. Вимірявши співвідношення інтенсивностей прямого сонячного світла і розсіяного блакитним небом, можна визначити постійну Авогадро. Вперше подібні виміри були проведені італійським математиком і видатним політичним діячем Квінтіно Селла (1827-1884) на вершині гори Монте-Роза (4634 м), на півдні Швейцарії. Розрахунки, зроблені на підставі цих і аналогічних їм вимірювань, показали, що 1 моль містить приблизно 6.10 23 частинок.
Інший метод використовував французький вчений Жан Перрен (1870-1942). Він під мікроскопом підраховував число зважених у воді крихітних (діаметром близько 1 мкм) кульок гуммигута - речовини, спорідненого каучуку і одержуваного з соку деяких тропічних дерев. Перрен вважав, що до цих кульках застосовні ті ж закони, яким підкоряються молекули газів. У такому випадку можна визначити «молярну масу» цих кульок; а знаючи масу окремого кульки (її, на відміну від маси справжніх молекул, можна виміряти), легко було розрахувати постійну Авогадро. У Перрена вийшло приблизно 6,8 · 10 23.
Більш точне значення можна було отримати на підставі дослідів англійського фізика Ернста Резерфорда. У 1908 він і німецький фізик Ганс Гейгер визначили, що 1 грам радію випускає за 1 секунду більше 34 мільярдів -частинок - ядер атомів гелію. Захоплюючи електрони, -частинки перетворюються на звичайні атоми гелію, які поступово накопичуються у вигляді газу. У 1911 Резерфорд, працюючи з молодим стажистом з Америки Бертрамом Болтвудом, визначив, що з 0,192 г радію за 83 дні утворюється 6,58 мм 3 гелію, а за 132 дні - 10,38 мм 3. Звідси легко розрахувати число молей виділився гелію, а знаючи швидкість випускання -частинок радієм, можна визначити і кількість атомів гелію в одному молі цього газу. Це - прямий спосіб визначення постійної Авогадро, він дає 6,1 · 10 23. Сучасне значення цієї постійної N А = 6,0221367 · 10 23.
Постійна Авогадро настільки велика, що важко піддається уяві. Наприклад, якщо футбольний м'яч збільшити в N А раз за обсягом, то в ньому поміститься земну кулю. Якщо ж в N А раз збільшити діаметр м'яча, то в ньому поміститься найбільша галактика, яка містить сотні мільярдів зірок! Якщо вилити склянку води в морі і почекати, поки ця вода рівномірно розподілиться по всіх морях і океанах, до самого їх дна, то, зачерпнувши в будь-якому місці Земної кулі склянку води, у нього обов'язково потрапить кілька десятків молекул води, які були колись в стакані. Якщо ж взяти моль доларових папірців, вони покриють усі материки 2-кілометровим щільним шаром ...
У 1821 році в статті «Нові міркування про теорії певних пропорцій у з'єднаннях та про визначення мас молекул тіл» Авогадро підвів підсумок своєї майже десятирічної роботи в галузі молекулярної теорії поширив свій метод визначення складу молекул на цілий ряд органічних речовин. У тій же статті він показав, що інші хіміки, перш за все Дальтон, Деві і Берцеліус, незнайомі з його роботами, продовжують дотримуватися невірних поглядів на природу багатьох хімічних сполук і характер відбуваються між ними реакцій.
У вересні 1819 Авогадро обирається членом Туринської академії наук. До цього часу він вже придбав популярність у колі своїх колег роботами в галузі молекулярної теорії, електрики і хімії.
В 1820 році королівським указом Авогадро призначається першим професором нової кафедри вищої фізики в Туринський університет.
Цікаві погляди Авогадро на викладання фізики, висловлені ним при занятті цієї посади. Італійська наука в той час була ще дуже слабко розвинена. Прагнучи до того, щоб допомогти своїй батьківщині зрівнятися за рівнем розвитку природничих наук з іншими європейськими країнами, Авогадро намітив великий план дій. Основна його ідея полягала в необхідності поєднання викладання з науковою діяльністю.
Цим прогресивним ідеям не судилося здійснитися через військових і політичних подій в Італії початку двадцятих років. У 1822 році після студентських хвилювань Туринський університет був на цілий рік закритий владою, а ряд його нових кафедр, в тому числі і кафедра вищої фізики, ліквідовано. Тим не менше у 1823 році Авогадро отримує почесний титул заслуженого професора вищої фізики і призначається старшим інспектором Палати з контролю за державними витратами - посада фінансово-юридична, вельми далека від науки. Незважаючи на нові обов'язки, Авогадро продовжував займатися науковими дослідженнями.
У 1823 році Туринський університет знову отримав кафедру вищої фізики, але її запропонували не Авогадро, а відомому французькому математику Огюстену Луї Коші, яка покинула батьківщину в 1830 році. Тільки через два роки, після від'їзду Коші, Авогадро зміг зайняти цю кафедру, де і пропрацював до 1850 року. У тому ж році він пішов з університету, передавши кафедру своєму учневі Феліче Кью.
У 1837-1841 роках Авогадро видав чотиритомне твір «Фізика вагомих тіл, або трактат про загальну конституції тіл». Кожен том мав понад 900 сторінок. До цього часу Авогадро вже виповнилося 65 років, але розум його як і раніше був ясним, а любов до науки і працьовитість невичерпними. Ця праця виявився першим в історії підручником молекулярної фізики.
Сучасники в своїх спогадах малюють Авогадро як людину дуже скромного, вразливого і привабливого. Вони відзначають його Доброзичливість, щирість у поводженні з іншими людьми. «Високоосвічений без педантизму, мудрий без чванливості, що нехтує розкіш, що не піклується про багатство, що не прагне до почестей, байдужий до власних заслуг і власної популярності, скромний, помірний, доброзичливий" - так характеризує Авогадро один з його сучасників.
За своїм байдужості до почестей він представляв рідкісний виняток серед вчених того часу.
Після відходу з університету Авогадро деякий час займав посаду старшого інспектора Контрольної палати, а також був членом Вищої статистичної комісії. Вищої ради народного освіти і головою Комісії мір і ваг. Незважаючи на поважний вік, він продовжував публікувати свої дослідження в працях Туринської академії наук. Остання його робота вийшла з друку за три роки до смерті, коли Авогадро виповнилося 77 років.
Він помер в Турині 9 липня 1856 і похований у сімейному склепі в Верчеллі. На наступний рік після смерті Авогадро на знак визнання його заслуг перед наукою в Туринському університеті був встановлений його бронзовий бюст.
Величезний внесок Авогадро в розвиток молекулярної теорії тривалий час залишався практично непоміченим сучасниками. І навіть багато пізніше цей закон у літературі часто іменували законом Авогадро-Ампера, хоча Авогадро сформулював його на три роки раніше Ампера.
Аж до початку шістдесятих років XIX століття в хімії панувало свавілля, як в оцінці молекулярних мас, так і в описі хімічних реакцій; залишалося чимало хибних уявлень про атомний складі багатьох складних речовин. Справа доходила навіть до спроб взагалі відмовитися від молекулярних уявлень. Лише в 1858 році італійський хімік Канніццаро, ознайомившись з листом Ампера до Бертолле, в якому є посилання на роботи Авогадро, заново «відкрив» ці роботи і з подивом переконався, що вони вносять повну ясність у заплутану картину стану хімії того часу. У 1860 році Канніццаро докладно розповів про роботи Авогадро на Першому Міжнародному хімічному конгресі в Карлсруе, і його доповідь справив величезне враження на присутніх там вчених. Як сказав один з них, він відчув, як завіса впала з очей, сумніви щезли, і замість них з'явилося спокійне відчуття впевненості. Великий російський хімік Менделєєв, що також брав участь в роботі цього конгресу, писав пізніше: «У 50-х роках одні брали атомна вага кисню рівним 8, інші - 16. Смута, суперечливість панували. У 1860 році хіміки усього світу зібралися в Карлсруе для того, щоб досягти угоди, однаковості. Був присутній на цьому конгресі, я живо пам'ятаю, як велике було розбіжність і як тоді послідовники Жерара гаряче проводили слідства закону Авогадро. Істина, у вигляді закону Авогадро - Жерара, при посередництві конгресу, отримала більш широке поширення і скоро потім підкорила всі розуми. Тоді самі собою зміцнилися нові атомні ваги, і вже з 70-х років вони увійшли до загального вжитку ».
Висновок
Заслуги Авогадро як одного з основоположників молекулярної теорії отримали з тих пір загальне визнання. Логіка Авогадро виявилася бездоганною, що підтвердив пізніше Дж.Максвелла розрахунками на основі кінетичної теорії газів; потім були отримані і експериментальні підтвердження (наприклад, засновані на дослідженні броунівського руху), а також знайдено, скільки частинок міститься в моле кожного газу. Цю константу - 6,022 • 1023 - назвали числом Авогадро, увічнивши ім'я проникливого дослідника.
Список літератури
Маріо Вітантоніо. Історія фізики. М., 1970
Кріцман В. А. Роберт Бойль, Джон Дальтон, Амедео Авогадро. Творці молекулярного вчення в хімії. М., 1976
Биков Г. В. Амедео Авогадро: Нарис життя і діяльності. М.: Наука, 1983
ФАКУЛЬТЕТ «СЕРВІС»
РЕФЕРАТ
Тема:
Закон Авогадро
Виконав: студент
1 курсу Іконніков А.В.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2009
Зміст
Введення
Амедео Авогадро (1776-1856)
Закон Авогадро
Висновок
Список літератури
Введення
Передбачити результати експерименту, відчути загальний початок, передбачити закономірність - цим зазначено творчість багатьох вчених. Найчастіше прогнозування поширюється тільки на ту область, якій зайнятий дослідник, а резолюція хоробро зробити крок далеко вперед у своїх прогнозах дана далеко не кожному. Іноді сміливість може надати здатність до логічних побудов.
Амедео Авогадро (1776-1856)
В історію фізики Авогадро увійшов як автор одного з найважливіших законів молекулярної фізики.
Лоренцо Романо Карло ді Кваренья е ді Черрето народився 9 серпня 1776 року в Турині - столиці італійської провінції П'ємонт в сім'ї службовця судового відомства Філіппе Авогадро. Амедео був третім з восьми дітей. Предки його з XII століття перебували на службі католицької церкви адвокатами і за традицією того часу їх професії і посади передавалися у спадок. Коли настав час обирати професію, Амедео також зайнявся юриспруденцією. У цій науці він швидко досяг успіху і вже в двадцять років отримав вчений ступінь доктора церковного права.
Юридична практика не захоплювала Амедео, його інтереси були далекі від юриспруденції. У юнацькі роки він недовго відвідував так звану школу геометрії та експериментальної фізики. Вона-то і пробудила в ньому любов до цих наук. Але, не отримавши достатньо систематичних знань, він змушений був зайнятися самоосвітою Коли йому вже виповнилося 25 років, він став весь вільний час присвячувати вивченню фізико-математичних наук.
Авогадро почав свою наукову діяльність з вивчення електричних явищ. Цей інтерес особливо посилився після того, як Вольта в 1800 році винайшов перший джерело електричного струму, а також у зв'язку з дискусією між Гальвані і Вольта про природу електрики. Ці питання перебували на передньому краї науки того часу, і природно, що молодий Авогадро вирішив спробувати свої сили саме тут.
Роботи Авогадро, присвячені різним проблемам електрики, з'являлися аж до 1846 року. Велику увагу приділяв він також дослідження в галузі електрохімії, намагаючись знайти зв'язок між електричними й хімічними явищами, що привело його до створення своєрідної електрохімічної теорії. У цьому відношенні його дослідження стикалися з роботами відомих хіміків Деві і Берцеліуса.
У 1803 та 1804 роках Амедео, спільно зі своїм братом Феліче, представив у Туринську Академію наук дві роботи, присвячені теорії електричних і електрохімічних явищ, за що і був обраний в 1804 році членом-кореспондентом цієї академії У першій роботі під назвою «Аналітична замітка про електриці »він пояснював поведінку провідників і діелектриків в електричному полі, зокрема явище поляризації діелектриків. Висловлені ним ідеї отримали потім більш повний розвиток в роботах інших вчених, зокрема Ампера
У 1806 році Авогадро отримує місце репетитора в Туринському ліцеї, а потім, в 1809 році, переводиться викладачем фізики та математики в ліцей міста Верчеллі, в якому він пропрацював близько десяти років У цей період він знайомиться з величезною кількістю наукової літератури, роблячи численні виписки з прочитаних книг і журнальних статей.
Ці виписки, які він не припиняв вести до кінця своїх днів, склали 75 томів приблизно по 700 сторінок в кожному! Зміст цих томів свідчить про різнобічності інтересів Авогадро, про колосальну роботу, яку він зробив, «перекваліфікувавшись» з юриста у фізика.
Свою сімейне життя Авогадро влаштував досить пізно, коли йому було вже за тридцять. Працюючи в Верчеллі, він познайомився зі своєю майбутньою дружиною Ганною Марією Мацца ді Джузеппе, дочкою нотаріуса, яка була молодша за нього на 18 років. Від цього шлюбу він мав вісім дітей - двох синів і шість дочок. Ніхто з них не успадкував його професії та інтересів.
Закон Авогадро
У 1808 Гей-Люссак (спільно з німецьким натуралістом Олександром Гумбольдтом) сформулював так званий закон об'ємних відносин, згідно з яким співвідношення між обсягами реагуючих газів виражається простими цілими числами. Наприклад, 2 обсягу водню з'єднуються з 1 обсягом водню, даючи 2 обсягу водяної пари; 1 обсяг хлору з'єднується з 1 обсягом водню, даючи 2 обсягу хлороводню і т.д. Цей закон у той час мало що давав вченим, оскільки не було єдиної думки про те, з чого складаються частки різних газів. Не існувало й чіткого відмінності між такими поняттями як атом, молекула, корпускула.
У 1811 Авогадро, ретельно проаналізувавши результати експериментів Гей-Люссака та інших вчених, прийшов до висновку, що закон об'ємних відносин дозволяє зрозуміти, як же «влаштовані» молекули газів. «Перша гіпотеза, - писав він, - яка виникає у зв'язку з цим і яка видається єдино прийнятною, полягає в припущенні, що число складових молекул будь-якого газу завжди одне і те ж в одному і тому ж обсязі ...» А «складові молекули »(зараз ми їх називаємо просто молекулами), на думку Авогадро, складаються з більш дрібних частинок - атомів.
Трьома роками пізніше Авогадро виклав свою гіпотезу ще більш чітко і сформулював її у вигляді закону, який носить його ім'я: «Рівні обсяги газоподібних речовин при однаковому тиску і температурі містять одне і те ж число молекул, так що щільність різних газів служить мірою маси їх молекул ... »Це додавання було дуже важливим: воно означало, що можна, вимірюючи густину різних газів, визначати відносні маси молекул, з яких ці гази складаються. Дійсно, якщо в 1 л водню міститься стільки ж молекул, що і в 1 л кисню, то ставлення щільностей цих газів одно відношення мас молекул. Авогадро особливо відзначав, що молекули в газах не обов'язково повинні складатися з поодиноких атомів, а можуть містити кілька атомів - однакових або різних. (Справедливості заради слід сказати, що в 1814 відомий французький фізик А. М. Ампер незалежно від Авогадро прийшов до тих самих висновків.)
За часів Авогадро його гіпотезу неможливо було довести теоретично. Але ця гіпотеза давала просту можливість експериментально встановлювати склад молекул газоподібних сполук і визначати їхню відносну масу. Спробуємо простежити логіку таких міркувань. Експеримент показує, що об'єми водню, кисню й утворюються з цих газів парів води ставляться як 2:1:2. Висновки з цього факту можна зробити різні. Перший: молекули водню і кисню складаються з двох атомів (Н 2 і О 2), а молекула води - з трьох, і тоді вірно рівняння 2Н 2 + О 2 2Н 2 О. Але можливий і такий висновок: молекули водню одноатомних, а молекули кисню і води двохатомних, і тоді вірно рівняння 2Н + О 2 2НО з тим же співвідношенням обсягів мов 2:1:2. У першому випадку зі співвідношення мас водню і кисню у воді (1:8) випливало, що відносна атомна маса кисню дорівнює 16, а в другому - що вона дорівнює 8. До речі, навіть через 50 років після робіт Гей-Люссака деякі вчені продовжували наполягати на тому, що формула води саме АЛЕ, а не Н 2 О. Інші ж вважали, що правильна формула Н 2 О 2. Відповідно в ряді таблиць атомну масу кисню приймали рівній 8.
Однак був простий спосіб вибрати з двох припущень одне вірне. Для цього треба було лише проаналізувати результати й інших аналогічних експериментів. Так, із них випливало, що рівні об'єми водню і хлору дають подвоєний об'єм хлороводню. Цей факт відразу відкидав можливість одноатомного водню: реакції типу H + Cl HCl, H + Cl 2 HCl 2 і їм подібні не дають подвоєного обсягу HCl. Отже, молекули водню (а також хлору) складаються з двох атомів. Але якщо молекули водню двохатомних, то двоатомних і молекули кисню, а в молекулах води три атома, і її формула - Н 2 О. Дивно, що такі прості доводи протягом десятиліть не могли переконати деяких хіміків у справедливості теорії Авогадро, яка протягом кількох десятиліть залишалася практично непоміченою.
Почасти це пояснюється відсутністю в ті часи простою і ясною запису формул і рівнянь хімічних реакцій. Але головне - противником теорії Авогадро був знаменитий шведський хімік Йенс Якоб Берцеліус, мав незаперечний авторитет серед хіміків усього світу. Відповідно до його теорії, всі атоми мають електричні заряди, а молекули утворені атомами з протилежними зарядами, які притягуються одне до одного. Вважалося, що атоми кисню мають сильний негативний заряд, а атоми водню - позитивний. З точки зору цієї теорії неможливо було уявити молекулу кисню, що складається з двох однаково заряджених атомів! Але якщо молекули кисню одноатомних, то в реакції кисню з азотом: N + O NO співвідношення обсягів повинно бути 1:1:1. А це суперечило експерименту: 1 л азоту та 1 л кисню давали 2 л NO. На цій підставі Берцеліус і більшість інших хіміків відкинули гіпотезу Авогадро як не відповідну експериментальними даними!
Відродив гіпотезу Авогадро і переконав хіміків в її справедливості в кінці 1850-х молодий італійський хімік Станіслао Канніццаро (1826-1910). Він прийняв для молекул газоподібних елементів правильні (подвоєні) формули: H 2, O 2, Cl 2, Br 2 і т.д. і погодив гіпотезу Авогадро з усіма експериментальними даними. «Наріжний камінь сучасної атомної теорії, - писав Канніццаро, - становить теорія Авогадро ... Ця теорія являє найлогічніший вихідний пункт для роз'яснення основних ідей про молекулах і атомах і для доказу останніх ... Спочатку здавалося, що фізичні факти були в незгоді з теорією Авогадро і Ампера, так що вона була залишена осторонь і скоро забута; але потім хіміки самою логікою їх досліджень і в результаті спонтанної еволюції науки, непомітно для них, були приведені до тієї ж теорії ... Хто не побачить у цьому тривалому і неусвідомленому кружлянні науки навколо і в напрямку поставленої мети рішучого докази на користь теорії Авогадро і Ампера? Теорія, до якої прийшли, відправляючись від різних і навіть протилежних пунктів, теорія, яка дозволила передбачити чимало фактів, підтверджених досвідом, повинна бути чимось більшим, ніж простий наукової вигадкою. Вона повинна бути ... самою істиною ».
Про жарких дискусіях того часу написав Д. І. Менделєєв: «У 50-х роках одні брали О = 8, інші О = 16, якщо Н = 1. Вода для перших була АЛЕ, перекис водню АЛЕ 2, для других, як нині, вода Н 2 О, перекис водню Н 2 О 2 чи АЛЕ. Смута, суперечливість панували. У 1860 хіміки усього світу зібралися в Карлсруе для того, щоб на конгресі досягти угоди, одноманітності. Був присутній на цьому конгресі, я добре пам'ятаю, як велике було розбіжність, як з найбільшим гідністю охоронялося корифеями науки умовне угоду і як тоді послідовники Жерара, на чолі яких став італійський професор Канніццаро, гаряче проводили слідства закону Авогадро ».
Після того, як гіпотеза Авогадро стала загальновизнаною, вчені отримали можливість не тільки правильно визначати склад молекул газоподібних сполук, але і розраховувати атомні і молекулярні маси. Ці знання допомагали легко розрахувати масові співвідношення реагентів в хімічних реакціях. Такі співвідношення були дуже зручні: вимірюючи масу речовин в грамах, вчені як би оперували молекулами. Кількість речовини, чисельно рівна відносної молекулярної маси, але виражене в грамах, назвали грам-молекулою або молем (слово «міль» придумав на початку 20 ст. Німецький фізико-хімік лауреат Нобелівської премії Вільгельм Оствальд (1853-1932); воно містить той же корінь, що і слово «молекула» і походить від латинського moles - громада, маса з зменшувальним суфіксом). Було виміряно і обсягів м одного моля речовини, що знаходиться в газоподібному стані: при нормальних умовах (тобто при тиску 1 атм = 1,013 · 10 5 Па і температурі 0 ° C) він дорівнює 22,4 л (за умови, що газ близький до ідеального). Число ж молекул в одному молі стали називати постійної Авогадро (її зазвичай позначають N А). Таке визначення благаючи зберігалося протягом майже цілого століття.
В даний час моль визначається інакше: це кількість речовини, що містить стільки ж структурних елементів (це можуть бути атоми, молекули, іони або інші частинки), скільки їх міститься в 0,012 кг вуглецю-12. (Про причини вибору в якості стандарту саме вуглецю (см. ВІДНОСНА АТОМНА МАСА, вуглецевих одиниць). У 1971 рішенням 14-ї Генеральної конференції з мір та ваг моль був введений в Міжнародну систему одиниць (СІ) як 7-ої основної одиниці.
Ще за часів Канніццаро було очевидно, що оскільки атоми і молекули дуже маленькі і ніхто їх ще не бачив, постійна Авогадро повинна бути дуже велика. З часом навчилися визначати розміри молекул і значення N А - спочатку дуже грубо, потім все точніше. Перш за все, їм було зрозуміло, що обидві величини пов'язані один з одним: чим менше виявляться атоми і молекули, тим більше вийде число Авогадро. Вперше розміри атомів оцінив німецький фізик Йозеф Лошмідт (1821-1895). Виходячи з молекулярно-кінетичної теорії газів і експериментальних даних про збільшення об'єму рідин при їх випаровуванні, він у 1865 розрахував діаметр молекули азоту. У нього вийшло 0,969 нм (1 нанометр - мільярдна частина метра), або, як писав Лошмідт, «діаметр молекули повітря округлено дорівнює одній мільйонній частині міліметра». Це приблизно втричі більше сучасного значення, що для того часу було хорошим результатом. У другій статті Лошмідта, опублікованій у тому ж році, дається і число молекул в 1 см 3 газу, яке з тих пір називається постійної Лошмідта (N L). З неї легко отримати значення N A, помноживши на молярний об'єм ідеального газу (22,4 л / моль).
Постійну Авогадро визначали багатьма методами. Наприклад, з блакитного кольору неба слід, що сонячне світло розсіюється в повітрі. Як показав Релей, інтенсивність розсіювання світла залежить від кількості молекул повітря в одиниці об'єму. Вимірявши співвідношення інтенсивностей прямого сонячного світла і розсіяного блакитним небом, можна визначити постійну Авогадро. Вперше подібні виміри були проведені італійським математиком і видатним політичним діячем Квінтіно Селла (1827-1884) на вершині гори Монте-Роза (4634 м), на півдні Швейцарії. Розрахунки, зроблені на підставі цих і аналогічних їм вимірювань, показали, що 1 моль містить приблизно 6.10 23 частинок.
Інший метод використовував французький вчений Жан Перрен (1870-1942). Він під мікроскопом підраховував число зважених у воді крихітних (діаметром близько 1 мкм) кульок гуммигута - речовини, спорідненого каучуку і одержуваного з соку деяких тропічних дерев. Перрен вважав, що до цих кульках застосовні ті ж закони, яким підкоряються молекули газів. У такому випадку можна визначити «молярну масу» цих кульок; а знаючи масу окремого кульки (її, на відміну від маси справжніх молекул, можна виміряти), легко було розрахувати постійну Авогадро. У Перрена вийшло приблизно 6,8 · 10 23.
Більш точне значення можна було отримати на підставі дослідів англійського фізика Ернста Резерфорда. У 1908 він і німецький фізик Ганс Гейгер визначили, що 1 грам радію випускає за 1 секунду більше 34 мільярдів -частинок - ядер атомів гелію. Захоплюючи електрони, -частинки перетворюються на звичайні атоми гелію, які поступово накопичуються у вигляді газу. У 1911 Резерфорд, працюючи з молодим стажистом з Америки Бертрамом Болтвудом, визначив, що з 0,192 г радію за 83 дні утворюється 6,58 мм 3 гелію, а за 132 дні - 10,38 мм 3. Звідси легко розрахувати число молей виділився гелію, а знаючи швидкість випускання -частинок радієм, можна визначити і кількість атомів гелію в одному молі цього газу. Це - прямий спосіб визначення постійної Авогадро, він дає 6,1 · 10 23. Сучасне значення цієї постійної N А = 6,0221367 · 10 23.
Постійна Авогадро настільки велика, що важко піддається уяві. Наприклад, якщо футбольний м'яч збільшити в N А раз за обсягом, то в ньому поміститься земну кулю. Якщо ж в N А раз збільшити діаметр м'яча, то в ньому поміститься найбільша галактика, яка містить сотні мільярдів зірок! Якщо вилити склянку води в морі і почекати, поки ця вода рівномірно розподілиться по всіх морях і океанах, до самого їх дна, то, зачерпнувши в будь-якому місці Земної кулі склянку води, у нього обов'язково потрапить кілька десятків молекул води, які були колись в стакані. Якщо ж взяти моль доларових папірців, вони покриють усі материки 2-кілометровим щільним шаром ...
У 1821 році в статті «Нові міркування про теорії певних пропорцій у з'єднаннях та про визначення мас молекул тіл» Авогадро підвів підсумок своєї майже десятирічної роботи в галузі молекулярної теорії поширив свій метод визначення складу молекул на цілий ряд органічних речовин. У тій же статті він показав, що інші хіміки, перш за все Дальтон, Деві і Берцеліус, незнайомі з його роботами, продовжують дотримуватися невірних поглядів на природу багатьох хімічних сполук і характер відбуваються між ними реакцій.
У вересні 1819 Авогадро обирається членом Туринської академії наук. До цього часу він вже придбав популярність у колі своїх колег роботами в галузі молекулярної теорії, електрики і хімії.
В 1820 році королівським указом Авогадро призначається першим професором нової кафедри вищої фізики в Туринський університет.
Цікаві погляди Авогадро на викладання фізики, висловлені ним при занятті цієї посади. Італійська наука в той час була ще дуже слабко розвинена. Прагнучи до того, щоб допомогти своїй батьківщині зрівнятися за рівнем розвитку природничих наук з іншими європейськими країнами, Авогадро намітив великий план дій. Основна його ідея полягала в необхідності поєднання викладання з науковою діяльністю.
Цим прогресивним ідеям не судилося здійснитися через військових і політичних подій в Італії початку двадцятих років. У 1822 році після студентських хвилювань Туринський університет був на цілий рік закритий владою, а ряд його нових кафедр, в тому числі і кафедра вищої фізики, ліквідовано. Тим не менше у 1823 році Авогадро отримує почесний титул заслуженого професора вищої фізики і призначається старшим інспектором Палати з контролю за державними витратами - посада фінансово-юридична, вельми далека від науки. Незважаючи на нові обов'язки, Авогадро продовжував займатися науковими дослідженнями.
У 1823 році Туринський університет знову отримав кафедру вищої фізики, але її запропонували не Авогадро, а відомому французькому математику Огюстену Луї Коші, яка покинула батьківщину в 1830 році. Тільки через два роки, після від'їзду Коші, Авогадро зміг зайняти цю кафедру, де і пропрацював до 1850 року. У тому ж році він пішов з університету, передавши кафедру своєму учневі Феліче Кью.
У 1837-1841 роках Авогадро видав чотиритомне твір «Фізика вагомих тіл, або трактат про загальну конституції тіл». Кожен том мав понад 900 сторінок. До цього часу Авогадро вже виповнилося 65 років, але розум його як і раніше був ясним, а любов до науки і працьовитість невичерпними. Ця праця виявився першим в історії підручником молекулярної фізики.
Сучасники в своїх спогадах малюють Авогадро як людину дуже скромного, вразливого і привабливого. Вони відзначають його Доброзичливість, щирість у поводженні з іншими людьми. «Високоосвічений без педантизму, мудрий без чванливості, що нехтує розкіш, що не піклується про багатство, що не прагне до почестей, байдужий до власних заслуг і власної популярності, скромний, помірний, доброзичливий" - так характеризує Авогадро один з його сучасників.
За своїм байдужості до почестей він представляв рідкісний виняток серед вчених того часу.
Після відходу з університету Авогадро деякий час займав посаду старшого інспектора Контрольної палати, а також був членом Вищої статистичної комісії. Вищої ради народного освіти і головою Комісії мір і ваг. Незважаючи на поважний вік, він продовжував публікувати свої дослідження в працях Туринської академії наук. Остання його робота вийшла з друку за три роки до смерті, коли Авогадро виповнилося 77 років.
Він помер в Турині 9 липня 1856 і похований у сімейному склепі в Верчеллі. На наступний рік після смерті Авогадро на знак визнання його заслуг перед наукою в Туринському університеті був встановлений його бронзовий бюст.
Величезний внесок Авогадро в розвиток молекулярної теорії тривалий час залишався практично непоміченим сучасниками. І навіть багато пізніше цей закон у літературі часто іменували законом Авогадро-Ампера, хоча Авогадро сформулював його на три роки раніше Ампера.
Аж до початку шістдесятих років XIX століття в хімії панувало свавілля, як в оцінці молекулярних мас, так і в описі хімічних реакцій; залишалося чимало хибних уявлень про атомний складі багатьох складних речовин. Справа доходила навіть до спроб взагалі відмовитися від молекулярних уявлень. Лише в 1858 році італійський хімік Канніццаро, ознайомившись з листом Ампера до Бертолле, в якому є посилання на роботи Авогадро, заново «відкрив» ці роботи і з подивом переконався, що вони вносять повну ясність у заплутану картину стану хімії того часу. У 1860 році Канніццаро докладно розповів про роботи Авогадро на Першому Міжнародному хімічному конгресі в Карлсруе, і його доповідь справив величезне враження на присутніх там вчених. Як сказав один з них, він відчув, як завіса впала з очей, сумніви щезли, і замість них з'явилося спокійне відчуття впевненості. Великий російський хімік Менделєєв, що також брав участь в роботі цього конгресу, писав пізніше: «У 50-х роках одні брали атомна вага кисню рівним 8, інші - 16. Смута, суперечливість панували. У 1860 році хіміки усього світу зібралися в Карлсруе для того, щоб досягти угоди, однаковості. Був присутній на цьому конгресі, я живо пам'ятаю, як велике було розбіжність і як тоді послідовники Жерара гаряче проводили слідства закону Авогадро. Істина, у вигляді закону Авогадро - Жерара, при посередництві конгресу, отримала більш широке поширення і скоро потім підкорила всі розуми. Тоді самі собою зміцнилися нові атомні ваги, і вже з 70-х років вони увійшли до загального вжитку ».
Висновок
Заслуги Авогадро як одного з основоположників молекулярної теорії отримали з тих пір загальне визнання. Логіка Авогадро виявилася бездоганною, що підтвердив пізніше Дж.Максвелла розрахунками на основі кінетичної теорії газів; потім були отримані і експериментальні підтвердження (наприклад, засновані на дослідженні броунівського руху), а також знайдено, скільки частинок міститься в моле кожного газу. Цю константу - 6,022 • 1023 - назвали числом Авогадро, увічнивши ім'я проникливого дослідника.
Список літератури
Маріо Вітантоніо. Історія фізики. М., 1970
Кріцман В. А. Роберт Бойль, Джон Дальтон, Амедео Авогадро. Творці молекулярного вчення в хімії. М., 1976
Биков Г. В. Амедео Авогадро: Нарис життя і діяльності. М.: Наука, 1983