Constante de Avogadro - Avogadro constant

A constante de Avogadro ( N A ou L ) é o fator de proporcionalidade que relaciona o número de partículas constituintes (geralmente moléculas , átomos ou íons ) em uma amostra com a quantidade de substância nessa amostra. Sua unidade SI é o mol recíproco , e é definida exatamente como N A  = 6.022 140 76 × 10 23  mol −1 . Recebeu o nome do cientista italiano Amedeo Avogadro . Embora isso seja chamado de constante (ou número) de Avogadro, ele não foi o químico que determinou seu valor. Stanislao Cannizzaro explicou este número quatro anos após a morte de Avogadro, enquanto no Congresso de Karlsruhe em 1860.

O valor numérico da constante de Avogadro expresso em mol recíproco, um número adimensional, é chamado de número de Avogadro , às vezes denotado N ou N 0 , que é, portanto, o número de partículas que estão contidas em um mol, exatamente6.022 140 76 × 10 23 .

O valor da constante de Avogadro foi escolhido de forma que a massa de um mol de um composto químico , em gramas , seja numericamente igual (para todos os fins práticos) à massa média de uma molécula do composto em daltons (unidades de massa atômica universal) ; um dalton sendo1/12da massa de um átomo de carbono-12 , que é aproximadamente a massa de um nucleon ( próton ou nêutron ). Por exemplo, a massa média de uma molécula de água é de cerca de 18,0153 daltons e um mol de água ( moléculas N ) é de cerca de 18,0153 gramas. Assim, a constante de Avogadro N A é o fator de proporcionalidade que relaciona a massa molar de uma substância à massa média de uma molécula, e o número de Avogadro também é o número aproximado de núcleos em um grama de matéria comum .

A constante de Avogadro também relaciona o volume molar de uma substância ao volume médio nominalmente ocupado por uma de suas partículas, quando ambos são expressos nas mesmas unidades de volume. Por exemplo, uma vez que o volume molar de água em condições normais é de cerca de 18 mL / mol , o volume ocupado por uma molécula de água é de cerca de18/6.022× 10 - 23  mL, ou cerca de 30  Å 3 ( angstroms cúbicos ). Para uma substância cristalina , relaciona de forma semelhante seu volume molar (em mol / mL), o volume da célula unitária de repetição dos cristais (em mL) e o número de moléculas nessa célula.

O número de Avogadro (ou constante) foi definido de muitas maneiras diferentes ao longo de sua longa história. Seu valor aproximado foi determinado pela primeira vez, indiretamente, por Josef Loschmidt em 1865. (O número de Avogadro está intimamente relacionado à constante de Loschmidt , e os dois conceitos às vezes são confundidos.) Foi inicialmente definido por Jean Perrin como o número de átomos em 16 gramas de oxigênio . Posteriormente, foi redefinido na 14ª conferência do Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) como o número de átomos em 12 gramas do isótopo carbono-12 ( 12 C). Em cada caso, o mol foi definido como a quantidade de uma substância que continha o mesmo número de átomos que as amostras de referência. Em particular, quando o carbono-12 era a referência, um mol de carbono-12 era exatamente 12 gramas do elemento.

Essas definições significavam que o valor do número de Avogadro dependia do valor determinado experimentalmente da massa (em gramas) de um átomo desses elementos e, portanto, era conhecido apenas por um número limitado de dígitos decimais. No entanto, em sua 26ª Conferência, o BIPM adotou uma abordagem diferente: a partir de 20 de maio de 2019, definiu o número de Avogadro como o valor exato N =6.022 140 76 × 10 23 , e redefiniu o mol como a quantidade de uma substância em consideração que contém N partículas constituintes da substância. Segundo a nova definição, a massa de um mol de qualquer substância (incluindo hidrogênio, carbono-12 e oxigênio-16) é N vezes a massa média de uma de suas partículas constituintes - uma quantidade física cujo valor preciso deve ser determinado experimentalmente para cada substância.

História

Origem do conceito

Jean Perrin em 1926

A constante de Avogadro tem o nome do cientista italiano Amedeo Avogadro (1776-1856), que, em 1811, propôs pela primeira vez que o volume de um gás (a uma dada pressão e temperatura) é proporcional ao número de átomos ou moléculas, independentemente do natureza do gás.

O nome número de Avogadro foi cunhado em 1909 pelo físico Jean Perrin , que o definiu como o número de moléculas em exatamente 32 gramas de oxigênio . O objetivo dessa definição era fazer com que a massa de um mol de uma substância, em gramas, fosse numericamente igual à massa de uma molécula em relação à massa do átomo de hidrogênio; que, por causa da lei das proporções definidas , era a unidade natural da massa atômica e foi assumida como 1/16 da massa atômica do oxigênio.

Primeiras medições

Josef Loschmidt

O valor do número de Avogadro (ainda não conhecido por esse nome) foi obtido indiretamente por Josef Loschmidt em 1865, estimando o número de partículas em um determinado volume de gás. Este valor, a densidade numérica n 0 das partículas em um gás ideal , é agora chamado de constante de Loschmidt em sua homenagem, e está relacionado à constante de Avogadro, N A , por

onde p 0 é a pressão , R é a constante do gás e T 0 é a temperatura absoluta . Por causa desse trabalho, o símbolo L é algumas vezes usado para a constante de Avogadro e, na literatura alemã , esse nome pode ser usado para ambas as constantes, distinguidas apenas pelas unidades de medida . (No entanto, N A não deve ser confundido com o totalmente diferente constante Loschmidt na literatura de língua Inglês.)

O próprio Perrin determinou o número de Avogadro por vários métodos experimentais diferentes. Ele recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1926 , principalmente por este trabalho.

A carga elétrica por mol de elétrons é uma constante chamada constante de Faraday e é conhecida desde 1834, quando Michael Faraday publicou seus trabalhos sobre eletrólise . Em 1910, Robert Millikan obteve a primeira medição da carga de um elétron . Dividir a carga em um mol de elétrons pela carga em um único elétron forneceu uma estimativa mais precisa do número de Avogadro.

Definição SI de 1971

Em 1971, o Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) decidiu considerar a quantidade de substância como uma dimensão independente de medição , com o mol como sua unidade base no Sistema Internacional de Unidades (SI). Especificamente, a toupeira foi definida como uma quantidade de uma substância que contém tantas entidades elementares quanto átomos em 0,012 quilogramas de carbono-12 .

Por esta definição, a regra comum de que "um grama de matéria contém N 0 núcleons" era exata para o carbono-12, mas ligeiramente inexata para outros elementos e isótopos. Por outro lado, um mol de qualquer substância continha exatamente tantas moléculas quanto um mol de qualquer outra substância.

Como consequência desta definição, no sistema SI a constante de Avogadro N A tinha a dimensionalidade recíproca da quantidade de substância ao invés de um número puro, e tinha o valor aproximado6,02 × 10 23 com unidades de mol −1 . Por esta definição, o valor de N A inerentemente teve que ser determinado experimentalmente.

O BIPM também chamou N A de " constante de Avogadro ", mas o termo "número de Avogadro" continuou a ser usado especialmente em trabalhos introdutórios.

Redefinição de SI de 2019

Em 2017, o BIPM decidiu alterar as definições de mol e quantidade de substância. A toupeira foi redefinida como sendo a quantidade de substância que contém exatamente6.022 140 76 × 10 23 entidades elementares. Uma consequência dessa mudança é que a massa de um mol de 12 átomos de C não é mais exatamente 0,012 kg. Por outro lado, o dalton ( também conhecido como unidade de massa atômica universal) permanece inalterado como 1/12 da massa de 12 C. Assim, a constante de massa molar não é mais exatamente 1 g / mol, embora a diferença (4,5 × 10 −10 em termos relativos, em março de 2019) é insignificante para fins práticos.

Conexão com outras constantes

A constante de Avogadro, N A, está relacionada a outras constantes físicas e propriedades.

  • Relaciona a constante molar de gás R e a constante de Boltzmann k B , que no SI (desde 20 de maio de 2019) é definida como exatamente1.380 649 × 10 −23  J / K :
    = 8,314 462 618 153 24  J⋅K −1 ⋅mol −1
  • Relaciona a constante de Faraday F e a carga elementar e , que no SI (desde 20 de maio de 2019) é definida exatamente como1,602 176 634 × 10 −19  coulombs :
    = 96 485 .332 123 310 0184  C / mol
  • Relaciona a constante de massa molar , M u e a constante de massa atômica m u , atualmente1.660 539 066 60 (50) × 10 −27  kg :
    = 0,999 999 999 65 (30) × 10 −3  kg⋅mol −1

Veja também

Referências

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