Введение

Связь между объемом и количеством газа при постоянной температуре и давлении

Закон Авогадро (иногда называемый гипотезой Авогадро или принципом Авогадро) или гипотеза Авогадро-Ампера – экспериментальный закон, устанавливающий зависимость между объемом газа и количеством вещества в этом газе. Этот закон является частным случаем закона идеального газа. Современная формулировка закона гласит:
<blockquote>
Закон Авогадро утверждает, что "равные объемы всех газов при одинаковой температуре и давлении содержат одинаковое число молекул". Авогадро предположил, что любые два образца идеального газа, имеющие одинаковый объем и находящиеся при одинаковой температуре и давлении, содержат одинаковое количество молекул. Например, равные объемы газообразного водорода и азота содержат одинаковое число молекул, если они находятся при одинаковой температуре и давлении и демонстрируют поведение идеального газа. На практике реальные газы проявляют небольшие отклонения от идеального поведения, поэтому закон выполняется лишь приближенно, но все же остается полезным приближением для ученых.

Исторический рассказ и влияние

Гипотеза Авогадро (как она была известна изначально) была сформулирована в том же духе, что и более ранние эмпирические газовые законы, такие как закон Бойля (1662), закон Шарля (1787) и закон Гей-Люссака (1808). Гипотеза была впервые опубликована Амедео Авогадро в 1811 году и примирила атомную теорию Дальтона с, казалось бы, несовместимой идеей Жозефа Луи Гей-Люссака о том, что некоторые газы состоят из различных фундаментальных веществ (молекул) в целочисленных соотношениях. В 1814 году, независимо от Авогадро, Андре Мари Ампер опубликовал тот же закон с аналогичными выводами. Поскольку Ампер был более известен во Франции, гипотеза там обычно называлась гипотезой Ампера, а позднее также гипотезой Авогадро–Ампера или даже гипотезой Ампера–Авогадро. Экспериментальные исследования, проведенные Шарлем Фредериком Герхардтом и Огюстом Лораном в области органической химии, показали, что закон Авогадро объясняет, почему одинаковое количество молекул газа занимает одинаковый объем. Однако, связанные с этим эксперименты с некоторыми неорганическими веществами выявили кажущиеся исключения из закона. Это видимое противоречие было окончательно разрешено Станислао Канниццаро, о чем было объявлено на Карлсруэсском конгрессе в 1860 году, спустя четыре года после смерти Авогадро. Он объяснил, что эти исключения обусловлены молекулярной диссоциацией при определенных температурах, и что закон Авогадро определяет не только молекулярные массы, но и атомные массы.

Закон идеального газа

Законы Бойля, Шарля и Гей-Люссака, вместе с законом Авогадро, были объединены Эмилем Клэпейроном в 1834 году, что привело к формулировке закона идеального газа. В конце XIX века дальнейшие разработки ученых, таких как Август Крёниг, Рудольф Клаузиус, Джеймс Клерк Максвелл и Людвиг Больцман, положили начало кинетической теории газов – микроскопической теории, из которой закон идеального газа может быть выведен как статистический результат движения атомов/молекул в газе.

Постоянная Авогадро

Закон Авогадро предоставляет способ расчета количества газа в сосуде. Благодаря этому открытию, Иоганн Йозеф Лошмидт в 1865 году впервые смог оценить размер молекулы. Его расчет положил начало концепции постоянной Лошмидта – соотношению между макроскопическими и атомными величинами. В 1910 году эксперимент Милликана с масляной каплей определил заряд электрона; используя его совместно с постоянной Фарадея (полученной Майклом Фарадеем в 1834 году), можно определить число частиц в моле вещества. Одновременно, прецизионные эксперименты Жана Батиста Перрена привели к определению числа Авогадро как числа молекул в одном грамм-молекуле кислорода. Перрен назвал это число в честь Авогадро за открытие одноименного закона. Последующая стандартизация Международной системы единиц привела к современному определению постоянной Авогадро.

Молярный объем

При стандартной температуре и давлении (100 кПа и 273,15 К) мы можем использовать закон Авогадро для определения молярного объема идеального газа: