Constante d'Avogadro - Avogadro constant

La constante d'Avogadro ( N A ou L ) est le facteur de proportionnalité qui relie le nombre de particules constitutives (généralement des molécules , des atomes ou des ions ) dans un échantillon avec la quantité de substance dans cet échantillon. Son unité SI est la mole réciproque , et elle est définie exactement comme N A  = 6,022 140 76 × 10 23  mol -1 . Il porte le nom du scientifique italien Amedeo Avogadro . Bien que cela s'appelle la constante (ou le nombre) d'Avogadro, ce n'est pas le chimiste qui a déterminé sa valeur. Stanislao Cannizzaro a expliqué ce nombre quatre ans après la mort d'Avogadro lors du congrès de Karlsruhe en 1860.

La valeur numérique de la constante d'Avogadro exprimée en mole réciproque, un nombre sans dimension, est appelée le nombre d'Avogadro , parfois noté N ou N 0 , qui est ainsi le nombre de particules qui sont contenues dans une mole, exactement6,022 140 76 × 10 23 .

La valeur de la constante d'Avogadro a été choisie de sorte que la masse d'une mole d'un composé chimique , en grammes , soit numériquement égale (à toutes fins pratiques) à la masse moyenne d'une molécule du composé en daltons (unités de masse atomique universelles) ; un dalton étant1/12de la masse d'un atome de carbone 12 , ce qui correspond approximativement à la masse d'un nucléon ( proton ou neutron ). Par exemple, la masse moyenne d'une molécule d' eau est d'environ 18,0153 daltons et une mole d'eau ( molécules N ) est d'environ 18,0153 grammes. Ainsi, la constante d'Avogadro N A est le facteur de proportionnalité qui relie la masse molaire d'une substance à la masse moyenne d'une molécule, et le nombre d'Avogadro est également le nombre approximatif de nucléons dans un gramme de matière ordinaire .

La constante d'Avogadro relie également le volume molaire d'une substance au volume moyen occupé nominalement par l'une de ses particules, lorsque les deux sont exprimés dans les mêmes unités de volume. Par exemple, puisque le volume molaire d'eau dans des conditions ordinaires est d'environ 18 mL/ mol , le volume occupé par une molécule d'eau est d'environ18/6.022× 10 23  mL, soit environ 30  Å 3 ( angströms cubes ). Pour une substance cristalline , il s'agit de la même manière de son volume molaire (en mol/mL), du volume de la cellule unitaire répétitive des cristaux (en mL) et du nombre de molécules dans cette cellule.

Le nombre (ou constante) d'Avogadro a été défini de différentes manières au cours de sa longue histoire. Sa valeur approximative a été déterminée pour la première fois, indirectement, par Josef Loschmidt en 1865. (Le nombre d'Avogadro est étroitement lié à la constante de Loschmidt , et les deux concepts sont parfois confondus.) Il a été initialement défini par Jean Perrin comme le nombre d'atomes dans 16 grammes d' oxygène . Il a ensuite été redéfini lors de la 14e conférence du Bureau international des poids et mesures (BIPM) comme le nombre d'atomes dans 12 grammes de l'isotope carbone 12 ( 12 C). Dans chaque cas, la mole a été définie comme la quantité d'une substance qui contenait le même nombre d'atomes que ces échantillons de référence. En particulier, lorsque le carbone 12 était la référence, une mole de carbone 12 correspondait exactement à 12 grammes de l'élément.

Ces définitions signifiaient que la valeur du nombre d'Avogadro dépendait de la valeur déterminée expérimentalement de la masse (en grammes) d'un atome de ces éléments, et qu'il n'était donc connu que d'un nombre limité de chiffres décimaux. Cependant, lors de sa 26e Conférence, le BIPM a adopté une approche différente : à compter du 20 mai 2019, il a défini le nombre d'Avogadro comme la valeur exacte N =6,022 140 76 × 10 23 , et redéfini la mole comme la quantité d'une substance considérée qui contient N particules constitutives de la substance. Selon la nouvelle définition, la masse d'une mole de toute substance (y compris l'hydrogène, le carbone 12 et l'oxygène 16) est N fois la masse moyenne de l'une de ses particules constituantes, une quantité physique dont la valeur précise doit être déterminée expérimentalement. pour chaque substance.

Histoire

Origine du concept

Jean Perrin en 1926

La constante d'Avogadro est nommée d'après le scientifique italien Amedeo Avogadro (1776-1856), qui, en 1811, a proposé pour la première fois que le volume d'un gaz (à une pression et une température données) est proportionnel au nombre d' atomes ou de molécules quel que soit le nature du gaz.

Le nom du nombre d'Avogadro a été inventé en 1909 par le physicien Jean Perrin , qui l'a défini comme le nombre de molécules dans exactement 32 grammes d' oxygène . Le but de cette définition était de faire en sorte que la masse d'une mole d'une substance, en grammes, soit numériquement égale à la masse d'une molécule par rapport à la masse de l'atome d'hydrogène ; qui, en raison de la loi des proportions définies , était l'unité naturelle de la masse atomique et était supposée être 1/16 de la masse atomique de l'oxygène.

Premières mesures

Josef Loschmidt

La valeur du nombre d'Avogadro (pas encore connue sous ce nom) a d'abord été obtenue indirectement par Josef Loschmidt en 1865, en estimant le nombre de particules dans un volume de gaz donné. Cette valeur, la densité numérique n 0 de particules dans un gaz parfait , est maintenant appelée constante de Loschmidt en son honneur, et est liée à la constante d'Avogadro, N A , par

p 0 est la pression , R est la constante des gaz et T 0 est la température absolue . En raison de ce travail, le symbole L est parfois utilisé pour la constante d'Avogadro, et, dans la littérature allemande , ce nom peut être utilisé pour les deux constantes, distinguées uniquement par les unités de mesure . (Cependant, N A ne doit pas être confondu avec la constante de Loschmidt entièrement différente dans la littérature de langue anglaise.)

Perrin lui-même a déterminé le nombre d'Avogadro par plusieurs méthodes expérimentales différentes. Il a reçu le prix Nobel de physique en 1926 , en grande partie pour ce travail.

La charge électrique par mole d'électrons est une constante appelée constante de Faraday et est connue depuis 1834, lorsque Michael Faraday a publié ses travaux sur l'électrolyse . En 1910, Robert Millikan obtient la première mesure de la charge sur un électron . La division de la charge d'une mole d'électrons par la charge d'un seul électron a fourni une estimation plus précise du nombre d'Avogadro.

Définition SI de 1971

En 1971, le Bureau international des poids et mesures (BIPM) a décidé de considérer la quantité de substance comme une dimension indépendante de la mesure , avec la taupe comme unité de base dans le Système international d'unités (SI). Plus précisément, la mole a été définie comme une quantité d'une substance qui contient autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 0,012 kilogramme de carbone-12 .

Par cette définition, la règle empirique courante selon laquelle « un gramme de matière contient des nucléons N 0 » était exacte pour le carbone 12, mais légèrement inexacte pour les autres éléments et isotopes. D'un autre côté, une mole de n'importe quelle substance contenait exactement autant de molécules qu'une mole de n'importe quelle autre substance.

En conséquence de cette définition, dans le système SI, la constante d'Avogadro N A avait la dimensionnalité réciproque de la quantité de substance plutôt que d'un nombre pur, et avait la valeur approximative6,02 × 10 23 avec des unités de mol −1 . Par cette définition, la valeur de N A devait intrinsèquement être déterminée expérimentalement.

Le BIPM a également nommé N A la « constante d' Avogadro », mais le terme « nombre d'Avogadro » a continué à être utilisé notamment dans les travaux d'introduction.

Redéfinition SI de 2019

En 2017, le BIPM a décidé de modifier les définitions de mole et de quantité de substance. La taupe a été redéfinie comme étant la quantité de substance contenant exactement6,022 140 76 × 10 23 entités élémentaires. Une conséquence de ce changement est que la masse d'une mole de 12 atomes de carbone n'est plus exactement de 0,012 kg. D'autre part, le dalton ( alias unité de masse atomique universelle) reste inchangé à 1/12 de la masse de 12 C. Ainsi, la constante de masse molaire n'est plus exactement 1 g/mol, bien que la différence (4,5 × 10 −10 en termes relatifs, en mars 2019) est insignifiant à des fins pratiques.

Connexion à d'autres constantes

La constante d'Avogadro, N A est liée à d'autres constantes et propriétés physiques.

  • Il relie la constante molaire des gaz R et la constante de Boltzmann k B , qui dans le SI (depuis le 20 mai 2019) est définie comme étant exactement1.380 649 × 10 −23  J/K :
    = 8,314 462 618 153 24  J⋅K -1 mol -1
  • Il met en relation la constante de Faraday F et la charge élémentaire e , qui dans le SI (depuis le 20 mai 2019) est définie comme exactement1,602 176 634 × 10 −19  coulombs :
    = 96 485 .332 123 310 0184  C/mol
  • Il relie la constante de masse molaire , M u et la constante de masse atomique m u , actuellement1.660 539 066 60 (50) × 10 −27  kg :
    = 0,999 999 999 65 (30) × 10 -3  kg⋅mol -1

Voir également

Les références

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Liens externes