Амедео Авогадро

Амедео Авогадро (полное имя Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья-э-ди-Черрето; 9 августа 1776, Турин — 9 июля 1856, Турин) — итальянский учёный, физик и химик, один из основоположников физической химии. Наиболее известен благодаря сформулированному в 1811 году закону, названному его именем (закон Авогадро), который устанавливает связь между объёмом газа и количеством вещества. В честь Авогадро названа фундаментальная физическая постоянная — число Авогадро, равное количеству структурных единиц (атомов, молекул, ионов) в одном моле вещества.

Биография

Ранние годы и образование

Амедео Авогадро родился в аристократической семье в Турине, который в то время входил в состав Сардинского королевства. Его отец, Филиппо Авогадро, был известным юристом и государственным служащим. Семья Авогадро принадлежала к древнему дворянскому роду, что предопределило карьерный путь Амедео. Следуя семейной традиции, он получил юридическое образование. В 1796 году он получил степень доктора канонического права, а в 1801 году начал частную юридическую практику.

Однако, несмотря на успешную юридическую карьеру, Авогадро проявлял глубокий интерес к естественным наукам, особенно к физике и математике. В начале 1800-х годов он начал самостоятельно изучать труды ведущих учёных того времени, включая работы Антуана Лавуазье, Джона Дальтона и Жозефа Луи Гей-Люссака. В 1803 году он опубликовал свою первую научную работу, посвящённую электричеству.

Научная карьера

В 1806 году Авогадро получил должность преподавателя физики в Королевском колледже Турина. В 1809 году он перешёл в Коллеж Верчелли, где преподавал физику и математику. В 1820 году, после основания кафедры физики в Туринском университете, Авогадро был назначен её первым профессором. Однако в 1822 году, в связи с политическими потрясениями в Сардинском королевстве, университет был временно закрыт, и Авогадро потерял должность. Он вернулся к преподаванию только в 1834 году, когда университет был восстановлен, и оставался на своём посту до 1850 года.

Основные научные труды Авогадро были опубликованы в период с 1811 по 1841 годы. Помимо знаменитого закона, он внёс вклад в изучение теплового расширения тел, электрохимии и электрических явлений. Однако при жизни его работы не получили широкого признания. Только после смерти Авогадро, благодаря трудам Станислао Канниццаро, его идеи были оценены по достоинству и стали основой современной атомно-молекулярной теории.

Личная жизнь

Авогадро был женат на Фелисите Мацце, у них было восемь детей. Он вёл скромный образ жизни, избегал публичности и полностью посвящал себя науке и преподаванию. Умер Амедео Авогадро 9 июля 1856 года в Турине.

Закон Авогадро

Формулировка

В 1811 году в статье «Очерк о способе определения относительных масс элементарных молекул тел и пропорций, в которых они входят в соединения» Авогадро сформулировал гипотезу, которая впоследствии стала законом:

В равных объёмах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул.

Этот закон позволил объяснить результаты опытов Гей-Люссака по объёмным отношениям газов, участвующих в химических реакциях. Например, два объёма водорода и один объём кислорода дают два объёма водяного пара. Закон Авогадро объяснил это тем, что молекулы водорода и кислорода двухатомны, а в реакции образуются молекулы воды.

Следствия из закона

Из закона Авогадро вытекают несколько важных следствий:

1. Молярный объём газа: при нормальных условиях (0 °C, 101,325 кПа) один моль любого газа занимает объём, приблизительно равный 22,4 литра.
2. Относительная плотность газов: отношение плотности одного газа к плотности другого газа при одинаковых условиях равно отношению их молярных масс.
3. Определение молекулярной массы: зная плотность газа по водороду или воздуху, можно вычислить его молекулярную массу.

Признание

Закон Авогадро не был принят научным сообществом сразу. Основное возражение заключалось в том, что многие простые газы (водород, кислород, азот) состоят из двухатомных молекул, что противоречило господствовавшей в начале XIX века атомистической теории Дальтона, которая предполагала, что простые вещества состоят из одиночных атомов. Лишь в 1860 году на Международном съезде химиков в Карлсруэ итальянский химик Станислао Канниццаро убедительно доказал справедливость гипотезы Авогадро, после чего она была признана законом.

Число Авогадро

Определение

Число Авогадро (обозначается \( N_A \)) — это число структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов) в одном моле любого вещества. Оно является одной из фундаментальных физических констант и лежит в основе молярной массы и количества вещества.

Значение

Современное значение числа Авогадро, принятое в 2019 году с переопределением Международной системы единиц (СИ), составляет: \[ N_A = 6,02214076 \times 10^{23} \ \text{моль}^{-1} \] Это точное значение, которое не измеряется, а задаётся определением моля.

История определения

Впервые попытку оценить число молекул в единице объёма газа предпринял австрийский физик Йозеф Лошмидт в 1865 году. Он вычислил количество молекул в 1 см³ газа при нормальных условиях — эта величина получила название постоянная Лошмидта (около \( 2,69 \times 10^{19} \) молекул/см³). Позднее, на основе закона Авогадро, было вычислено число молекул в моле. Название «число Авогадро» предложил французский физик Жан Перрен в начале XX века, который экспериментально определил его значение, изучая броуновское движение.

Роль в науке

Число Авогадро связывает макроскопический мир (количество вещества в молях) с микроскопическим (число частиц). Оно используется в химии, физике, биологии и материаловедении для расчёта количества атомов, молекул или ионов в образце. Например, зная число Авогадро, можно вычислить массу одного атома или молекулы.

Научное наследие

Вклад в химию и физику

Авогадро считается одним из пионеров физической химии. Его работы заложили основы для:

• Развития атомно-молекулярного учения.
• Определения молекулярных масс газов и паров.
• Классификации химических соединений.
• Понимания природы газов и их поведения.

Память

Имя Авогадро увековечено в названиях:

• Закона Авогадро.
• Числа Авогадро.
• Кратера на Луне (диаметр 130 км, назван в 1970 году).
• Минерала авогадрита (KBF₄), открытого в 1926 году.
• Улицы в Турине, названной его именем.

В 1956 году, к 100-летию со дня смерти учёного, в Италии была выпущена памятная почтовая марка. В 2011 году, к 200-летию опубликования закона Авогадро, ЮНЕСКО объявило год Авогадро.

Критика и исторический контекст

При жизни Авогадро его гипотеза подвергалась критике со стороны таких авторитетных учёных, как Йёнс Якоб Берцелиус и Джон Дальтон. Основные возражения касались:

• Двухатомности газов: Дальтон считал, что простые вещества состоят из одиночных атомов, и отрицал возможность существования молекул из одинаковых атомов.
• Отсутствия экспериментальных доказательств: в начале XIX века не было методов прямого измерения числа молекул.
• Конкурирующих теорий: существовали альтернативные гипотезы, например, теория эквивалентов, которая не требовала введения понятия молекулы.

Лишь после работ Канниццаро и развития кинетической теории газов (Людвиг Больцман, Джеймс Клерк Максвелл) закон Авогадро получил всеобщее признание. Сегодня он является одним из фундаментальных законов химии и физики.

Источники

1. Авогадро, Амедео // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона. — СПб., 1890—1907.
2. Канниццаро, С. Очерк о способе определения относительных масс элементарных молекул тел и пропорций, в которых они входят в соединения. — 1858.
3. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. и др. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1.
4. Физическая энциклопедия / Гл. ред. Прохоров А. М. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3.
5. Morselli, M. Amedeo Avogadro: A Scientific Biography. — Springer, 1984.