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阿莫迪欧·阿伏伽德罗

阿伏伽德罗

阿伏伽德罗(Amedeo Avogadro、1776年-1856年),意大利物理学家、化学家,1776年8月9日生于都灵的一个显赫家族。全名Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregua。1792年8月9日入都灵大学学习法学,1796年获法学博士,以后从事律师工作。1800~1805年又专门攻读数学和物理学,尔后主要从事物理学、化学研究。1811年发表了阿伏伽德罗假说,也就是今日的阿伏伽德罗定律,并提出分子概念及原子、分子区别等重要化学问题。第一个认识到物质由分子组成、分子由原子组成。

 

生平简介

 

阿伏伽德罗出生于意大利西北部皮得蒙区的首都都灵,是当地的望族,阿伏伽德罗的父亲菲立波,曾担任撒伏以王国的最高法院法官。父亲对他有很高的期望。阿伏伽德罗勉强的读完中学,进入都灵大学读法律系,成绩突飞猛进。阿伏伽德罗30岁时,对研究物理产生兴趣。后来他到乡下的一所职业学校教书,1815年1月与马西亚结婚。1832年,出版了四大册理论物理学,其中写下有名的假设:“在相同的物理条件下,气体相同的体积,含有相同数目的原子。”但未被当时的科学家接受。著名的阿伏伽德罗常量(Avogadro's number)以他的姓氏命名, NA. 近似于 6.02214199×10^23.

 

科学研究

 

阿伏伽德罗(AmeldeoArogadro1776~1856)意大利自然科学家。1776年8月9日生于都灵的一个贵族家庭,早年致力于法学工作。1792年入都灵大学学习法学,1796年获法学博士学位。毕业后当律师。1796年得法学博士后曾任地方官吏。他从1800年起开始自学数学和物理学。1803年发表了第一篇科学论文。1804年他被都灵科学院选为通讯院士,1806年任都灵大学讲师。1809年任末尔利学院自然哲学教授。1819年当选院士。,1820年都灵大学设立了意大利的第一个物理讲座,他被任命为此讲座的教授,1822年由于政治上的原因,这个讲座被撤销,直到1832年才恢复,1833年阿伏伽德罗重新担任此讲座的教授,直到1850年退休。他还担任过意大利度量衡学会会长,由于他的努力,使公制在意大利得到推广。1856年7月9日在阿伏伽德罗在都灵逝世。终年80岁。

1811年他发现了阿伏伽德罗定律,即在标准状态(0℃,1个标准大气压,即1.01325×10^5Pa),同体积的任何气体都含有相同数目的分子,而与气体的化学组成和物理性质无关。它对科学的发展,特别是原子量的测定工作,起了重大的推动作用。此后,又发现了阿伏伽德罗常数,即,1mol的任何物质的分子数都为6.023×10^23个分子。他的发现当时没有引起化学家的注意,以致在原子与分子、原子量与分子量的概念上继续混乱了近50年。直至他死后2年,S.康尼查罗指出应用阿佛加德罗理论可解决当时化学中的许多问题,以及1860年在卡尔斯鲁厄重新宣读了他的论文之后,他的理论才被许多化学家所接受。1871年V.迈尔应用阿佛加德罗定律从理论上成功地解释了蒸气密度的特性问题。

1811年,提出分子说:分子由原子构成。推出同体积气体在同温同压下含有同数目的分子,又称阿伏加德罗定律。

1803年他发表了第一篇科学论文。1809年任韦尔切利学院自然哲学教授。1811年被选为都灵科学院院士。

阿伏加德罗毕生致力于原子-分子学说的研究。1811年,他发表了题为《原子相对质量的测定方法及原子进入化合物时数目之比的测定》的论文。他以盖·吕萨克气体化合体积比实验为基础,进行了合理的假设和推理,首先引入了“分子”概念,并把它与原子概念相区别,指出原子是参加化学反应的最小粒子,分子是能独立存在的最小粒子。单质的分子是由相同元素的原子组成的,化合物的分子则由不同元素的原子所组成。文中明确指出:“必须承认,气态物质的体积和组成气态物质的简单分子或复合分子的数目之间也存在着非常简单的关系。把它们联系起来的一个、甚至是唯一容许的假设,是相同体积中所有气体的分子数目相等”。这样就可以使气体的原子量、分子量以及分子组成的测定与物理上、化学上已获得的定律完全一致。阿伏加德罗的这一假说,后来被称为阿伏加德罗定律。

阿伏加德罗还根据他的这条定律详细研究了测定分子量和原子量的方法,但他的方法长期不为人们所接受,这是由于当时科学界还不能区分分子和原子,分子假说很难被人理解,再加上当时的化学权威们拒绝接受分子假说的观点,致使他的假说默默无闻地被搁置了半个世纪之久,这无疑是科学史上的一大遗憾。直到1860年,意大利化学家坎尼扎罗在一次国际化学会议上慷慨陈词,声言他的本国人阿伏加德罗在半个世纪以前已经解决了确定原子量的问题。坎尼扎罗以充分的论据、清晰的条理、易懂的方法,很快使大多数化学家相信阿伏加德罗的学说是普遍正确的。但这时阿伏加德罗已经在几年前默默地死去了,没能亲眼看到自己学说的胜利。

阿伏伽德罗

 

科学成就

 

阿伏加德罗是第一个认识到物质由分子组成、分子由原子构成的人。他的分子假说奠定了原子一分子论的基础,推动了物理学、化学的发展,对近代科学产生了深远的影响。他的四卷著作《有重量的物体的物理学》(1837~1841年)是第一部关于分子物理学的教程。

阿伏伽德罗毕生致力于化学和物理学中关于原子论的研究。当时由于道耳顿和盖-吕萨克的工作,近代原子论处于开创时期,阿伏伽德罗从盖-吕萨克定律得到启发,于1811年提出了一个对近代科学有深远影响的假说:在相同的温度和相同压强条件下,相同体积中的任何气体总具有相同的分子个数。但他这个假说却长期不为科学界所接受,主要原因是当时科学界还不能区分分子和原子,同时由于有些分子发生了离解,出现了一些阿伏伽德罗假说难以解释的情况。直到1860年,阿伏伽德罗假说才被普遍接受,后称为阿伏伽德罗定律。它对科学的发展,特别是原子量的测定工作,起了重大的推动作用。

 

阿伏伽德罗常数

 

1摩尔的任何物质所含有的该物质的微粒数叫阿伏伽德罗常数,值

为NA=6.02×10^23个/摩尔

阿伏伽德罗的重大贡献,是他在1811年提出了一种分子假说:“同体积的气体,在相同的温度和压力时含有相同数目的分子。”现在把这一假说称为阿伏伽德罗定律。这一假说是根据J.-L.盖-吕萨克在1809年发表的气体化合体积定律加以发展而形成的。阿伏伽德罗在1811年的著作中写道:“盖-吕萨克在他的论文里曾经说,气体化合时,它们的体积成简单的比例。如果所得的产物也是气体的话,其体积也是简单的比例。这说明了在这些体积中所作用的分子数是基本相同的。由此必须承认,气体物质化合时,它们的分子数目是基本相同的。”阿伏伽德罗还反对当时流行的气体分子由单原子构成的观点,认为氮气、氧气、氢气都是由两个原子组成的气体分子。当时,化学界的权威瑞典化学家J.J.贝采利乌斯的电化学学说很盛行,在化学理论中占主导地位。电化学学说认为同种原子是不可能结合在一起的。因此,英、法、德国的科学家都不接受阿伏伽德罗的假说。一直到1860年欧洲100多位化学家在德国的卡尔斯鲁厄举行学术讨论会,会上S.坎尼扎罗散发了一篇短文《化学哲学教程概要》 ,才重新提起阿伏伽德罗假说。这篇短文引起了J.L.迈尔的注意,他在1864年出版了《近代化学理论》一书,许多科学家从这本书里了解并接受了阿伏伽德罗假说。现在,阿伏伽德罗定律已为全世界科学家所公认。阿伏伽德罗数是1摩尔物质所含的分子数,其数值是6.0221367×1023,是自然科学的重要的基本常数之一。

 

趣闻轶事

 

淡泊名誉,埋头研究的人。阿伏伽德罗一生从不追求名誉地位,只是默默地埋头于科学研究工作中,并从中获得了极大的乐趣。阿伏伽德罗早年学习法律,又做过地方官吏,后来受兴趣指引,开始学习数学和物理,并致力于原子论的研究,他提出的分子假说,促使道尔顿原子论发展成为原子——分子学说。使人们对物质结构的认识推进了一大步。但遗憾的是,阿伏伽德罗的卓越见解长期得不到化学界的承认,反而遭到了不少科学家的反对,被冷落了将近半个世纪。

由于不采纳分子假说而引起的混乱在当时的化学领域中非常严重,各人都自行其事,碳的原子量有定为6的,也有定为12的,水的化学式有写成HO的,也有写成H2O的,醋酸的化学式竟有19种之多。当时的杂志在发表化学论文时,也往往需要大量的注释才能让人读懂。一直到了近50年之后,德国青年化学家迈耶尔认真研究了阿伏伽德罗的理论,于1864年出版了《近代化学理论》一书。许多科学家从这本书里,懂得并接受了阿伏伽德罗的理论,才结束了这种混乱状况。

人们为了纪念阿伏伽德罗,把1摩尔任何物质中含有的微粒数N0=6.02×10^23mol-1,称为阿伏伽德罗常数。

阿伏伽德罗

 

阿伏加德罗常数

 

阿伏伽德罗常数(符号:NA或L)是物理学和化学中的一个重要常量。它的数值为:

一般计算时取6.02×1023或6.022×1023。它的正式的定义是0.012千克碳12中包含的碳12的原子的数量。历史上,将碳12选为参考物质是因为它的原子量可以测量的相当精确。

阿伏伽德罗常数因意大利化学家阿伏伽德罗(Avogadro A)得名。现在此常量与物质的量紧密相关,摩尔作为物质的量的国际单位制基本单位,被定义为1摩尔物质中所含的基本单元数为阿伏伽德罗常数(NA)。其中基本单元可以是任何一种物质(如分子、原子或离子)。

 

NA的历史

 

早在17-18世纪,西方的科学家就已经对6.02×1023这个数字有了初步的认识。他们发现,1个氢原子的质量等于1克的6.02×1023分之1。但是直到19世纪中叶,“阿伏伽德罗常量”的概念才正式由法国科学家让·巴蒂斯特·皮兰提出,而在1865年,NA的值才首次通过科学的方法测定出,测定者是德国人约翰·洛施米特(Johann Josef Loschmidt)。因此此常数在一些国家(主要是说德语的国家)也叫洛施米特常数。

 

NA的定义

 

正如先前所提及,阿伏伽德罗常数可以适用于任何物质,而不限于分子、原子或离子。因此,化学上利用这个数值来定义原子量或分子量。根据定义,阿伏伽德罗常量是组成与物质原子量相等质量(用克表示)必要的原子或分子的数量。例如,铁的原子量是55.845原子量单位,所以阿伏伽德罗常量的铁原子(一摩尔的铁原子)的质量是55.845克。反过来说,55.845克的铁内有阿伏伽德罗常量的铁原子。所以阿伏伽德罗常量是克和原子量的转换系数:

 

NA的测量

 

由于现在已经知道m=n·M/NA,因此只要有物质的式量和质量,NA的测量就并非难事。但由于NA在化学中极为重要,所以必须要测量它的精确值。现在一般精确的测量方法是通过测量晶体(如晶体硅)的晶胞参数求得。由多国实验室组成的国际阿伏伽德罗协作组织采用测量1个重1千克、几乎完全由硅-28组成的晶体球的体积、晶胞参数等物理量的方法来精确地测定该值,以便用NA来重新定义千克。

当前测出的最新的阿伏伽德罗常数是:

 

NA与其它常量的关系

 

阿伏伽德罗常数常作为其他常量之间的纽带。如:

R = NA × k
R是气体常数,k是玻尔兹曼常数;

F = NA × e
F是法拉第常数,e 是电荷。

 

阿伏伽德罗常数 指摩尔微粒(可以是分子、原子、离子、电子等)所含的微粒的数目。


符号: 阿伏加德罗常数供计算取值为6.02×10^23/mol

最佳实验数值是(6.022045±0.000031)×10^23/mol

目前为止,测得比较精确的数据是6.0221367×10^23mol/mol

12.000g12C中所含碳原子的数目,因意大利化学家阿伏加德罗而得名,

包含阿伏加德罗常数个微粒的物质的量是1mol.

例如1mol铁原子,质量为55.847g,其中含6.0221367×10^23个铁原子;1mol水分子的质量为18.010g,其中含6.0221367×10^23个水分子;1mol钠离子含6.0221367×10^23个钠离子; 1mol电子含6.0221367×10^23个电子.

这个常数可用很多种不同的方法进行测定,例如电化当量法,布朗运动法,油滴法,X射线衍射法,黑体辐射法,光散射法等.这些方法的理论根据各不相同,但结果却几乎一样,差异都在实验方法误差范围之内.这说明阿伏加德罗常数是客观存在的重要数据.现在公认的数值就是取多种方法测定的平均值.由于实验值的不断更新,这个数值历年略有变化,在20世纪50年代公认的数值是6.023×10^23,1986年修订为6.0221367×10^23.

由于现在已经知道m=n·M/NA,因此只要有物质的式量和质量,NA的测量就并非难事。但由于NA在化学中极为重要,所以必须要测量它的精确值。现在一般精确的测量方法是通过测量晶体(如晶体硅)的晶胞参数求得。

 

测定阿伏加德罗常数

 

已知NaCl晶体中靠的最近的Na+与Cl-的距离为d 其密度为p 摩尔质量为M

计算阿伏加德罗常数的公式

1mol NaCl 的体积为 V=M/ρ

而NaCl是立方晶体,四个NaCl分子所占的体积是(2d)^3

1mol NaCl 的个数为 V/[(2d)^3/4]=V/2d^3

所以阿伏加德罗常数=M/2ρd^3

如果P是原子密度,则八个原子所占的体积是(2d)^3

阿伏加德罗常数=M/ρd³ “阿伏加德罗常数”现称“阿伏加德罗常量”

 

测定原理

 

本实验是用电解的方法进行测定阿伏伽德罗常数。

如果用两块已知质量的铜片分别作为阴极和阳极,以CuSO4溶液作电解液进行电解,则在阴极上Cu2+获得电子后析出金属铜,沉积在铜片上,使得其质量增加;在阳极上等量得金属铜溶解,生成Cu2+进入溶液,因而铜片的质量减少。n发生在阴极和阳极上的反应:

阴极反应:Cu2++2e═(电解)Cu ;阳极反应:Cu═(电解)Cu2++2e

阴极反应:二价铜离子得两个电子生成铜(金属单质态)。;阳极反应:铜(金属单质态)被电解生成铜离子和两个电子。

从理论上讲,阴极上Cu2+离子得到的电子数和阳极上Cu失去的电子数应该相等。因此在无副反应的情况下,阴极增加的质量应该等于阳极减少的质量。但往往因铜片不纯,从阳极失去的重量要比阴极增加得质量偏高,所以从阳极失重算的得结果有一定误差,一半从阴极增重的结果较为准确。

这实际上是一个错误的科学实验。比如说:

求A值。

已知eA=E;bA=B;e。

测得B,E。A值实际上已经给出了,最多能够求得b,在这个实验中即为铜原子的质量。如此错误出现在化学教科书中。

阿伏伽德罗常数

 

阿伏伽德罗定律

 

在相同的温度和压强下,相同体积的任何气体都含有相同数目的分子。

注意:

1.范围:气体

2.条件:同温 同压 同体积

3.特例:气体摩尔体积

推论:[为理想气体状态下]

P:压强

V:体积

n:物质的量

R:常数

T:温度(开尔文=273+t t为摄氏度)

1. p1V1/T1=p2V2/T2

2.pV=nRT=mRT/M(R为常数)

3.同温同压 V1/V2=N1/N2=n1/n2 ρ1/ρ2=n1/n2= N1/N2

4.同温同体积 p1/p2=n1/n2=N1/N2

5.同温同压同质量V1/V2=M2/M1

6.同温同压同体积m1/m2=M1/M2

 

阿伏伽德罗计划

 

一百多年以来,人们一直以存放于法国巴黎的由铂铱合金制成的国际千克原器为“千克”的标准。不过德国一家科研机构最近宣布,借助一个“完美硅球”,科学家正尝试重新定义“千克”。

德国计量科学研究院日前发布的新闻公报介绍,该机构和俄罗斯、澳大利亚等国的科学家联合进行的“阿伏伽德罗计划”已经获得重要进展,目前已制成了由硅28构成的一个完美球体。科学家希望借助这个硅球重新定义质量单位“千克”。

据德国媒体报道,现有的由铂铱合金制成的国际千克原器存放于法国首都巴黎,但它已“神秘地”比原来轻了50微克,给从事科学研究和数据统计等精密工作的人带来不少麻烦。

“阿伏伽德罗计划”的目的是通过精确测算出“完美硅球”内究竟有多少个原子,从而在测定阿伏伽德罗常数(即一摩尔任何物质中所包含的基本单元数)中获得新的突破,进而将质量单位“千克”的标准回归到与恒定常数相关的定义中,而不是依靠一个“原器”,或者其他什么会变化的东西来计量。

德国等国科学家制造的这个“完美硅球”球体非常接近理想球体,由球体中心至表面任何一点的距离误差不超过3千万分之一毫米。这个球体的直径大约为10厘米,它的99.99%是由硅28构成的,晶体结构近乎完美。

阿伏伽德罗常数

 

社会评价

 

阿伏伽德罗生前非常谦逊,对名誉和地位从不计较。他没有到过国外,也没有获得任何荣誉称号,但是在他死后却赢得了人们的崇敬,1911年,为了纪念阿伏伽德罗定律提出100周年,在纪念日颁发了纪念章,出版了阿伏伽德罗选集,在都灵建成了阿伏伽德罗的纪念像并举行了隆重的揭幕仪式。1956年,意大利科学院召开了纪念阿伏伽德罗逝世100周年纪念大会。在会上意大利总统将首次颁发的阿伏伽德罗大金质奖章授予两名著名的诺贝尔化学奖获得者:英国化学家邢歇伍德、美国化学家鲍林。他们在致词中一致赞颂了阿伏伽德罗,指出“为人类科学发展作出突出贡献的阿伏伽德罗永远为人们所崇敬”。

 

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