Hằng số Avogadro

Hằng số Avogadro (ký hiệu là "N"A hoặc "L") là một hằng số tỉ lệ thuận liên hệ số hạt (thường là nguyên tử, phân tử hoặc ion) trong một mẫu với lượng chất trong mẫu đó. Trong hệ SI, hằng số Avogadro có đơn vị là nghịch đảo của mol và được xác định là "N"A = 6,022 140 76 × 1023 mol−1. Nó được đặt tên theo nhà khoa học người Ý Amedeo Avogadro.
Giá trị đại số của hằng số Avogadro là một đại lượng không thứ nguyên, được gọi là số Avogadro (ký hiệu là "N" hoặc "N"0) và bằng số hạt trong 1 mol chất (đơn vị đo lượng chất trong hệ đo lường quốc tế) hay bằng đúng 6,022 140 76 × 1023.
Giá trị của hằng số Avogadro được chọn sao cho khối lượng của một mol hợp chất (đơn vị gam) bằng khối lượng trung bình của một phân tử hợp chất đó về mặt số học (đơn vị dalton – đơn vị khối lượng nguyên tử); một dalton bằng khối lượng của một nguyên tử cacbon-12 và gần bằng khối lượng của một nucleon (proton hoặc neutron). Chẳng hạn, khối lượng trung bình của một phân tử nước là khoảng 18,0153 dalton và một mol nước ("N" phân tử) nặng khoảng 18,0153 gam. Do đó, hằng số Avogadro "N"A là đại lượng tỉ lệ thuận giữa khối lượng mol của một chất và khối lượng trung bình của một phân tử, đồng thời số Avogadro cũng gần bằng số nucleon trong một gam vật chất.
Hằng số Avogadro còn có trong liên hệ giữa thể tích mol của một chất với thể tích trung bình do một trong những hạt cấu thành chất đó chiếm dụng về mặt lý thuyết khi cả hai đại lượng trên được đo cùng một đơn vị thể tích. Chẳng hạn, vì thể tích mol của nước ở điều kiện thường là khoảng 18 ml/mol nên thể tích mà một phân tử nước chiếm dụng là khoảng × 10−23 ml, hay khoảng 30 Å3 (ångström khối). Đối với tinh thể, nó liên hệ thể tích mol của tinh thể đó (đo bằng ml/mol), thể tích của ô cơ sở lặp lại (đơn vị ml) và số phân tử trong ô cơ sở đó.
Có nhiều cách định nghĩa khác nhau về hằng số Avogadro trong lịch sử. Josef Loschmidt lần đầu tiên xác định giá trị gần đúng của nó vào năm 1865. Sau này, Jean Perrin định nghĩa nó là số nguyên tử trong 16 gam oxy. Tại hội nghị lần thứ 14 của Văn phòng Cân đo Quốc tế (BIPM), tái định nghĩa hằng số Avogadro là số nguyên tử trong 12 gam đồng vị cacbon-12 (12C). Trong mỗi trường hợp trên, mol được định nghĩa là đại lượng chỉ lượng chất chứa cùng số lượng nguyên tử với các mẫu tham khảo. Đặc biệt, đối với cacbon-12, một mol cacbon-12 đúng bằng 12 gam nguyên tố đó.
Các khái niệm trên cho thấy giá trị của số Avogadro phụ thuộc vào giá trị khối lượng (đo bằng gam) của một nguyên tử thuộc các nguyên tố trên thông qua thực nghiệm, nên trước đây người ta chỉ biết đến số Avogadro dưới dạng một số thập phân hữu hạn. Tuy vậy, tại hội nghị lần thứ 26, BIPM đã công bố định nghĩa mới về số Avogadro, mol và lượng chất. Theo đó, từ ngày 20 tháng 5 năm 2019, số Avogadro là số "N" = 6,022 140 76 × 1023 và mol là lượng chất được xét chứa "N" hạt thành phần của chất đó. Với khái niệm mới, khối lượng của một mol chất bất kỳ (gồm hydro, cacbon-12 và oxy-16) bằng "N" lần khối lượng trung bình của một hạt được xét trong chất đó − một đại lượng vật lý mà giá trị chính xác của nó phải xác định bằng thực nghiệm.
Lịch sử.
Nguồn gốc.
Hằng số Avogadro được đặt tên theo nhà khoa học người Ý Amedeo Avogadro (1776−1856). Năm 1811, ông lần đầu tiên cho rằng thể tích của chất khí (tại áp suất và nhiệt độ xác định) tỉ lệ thuận với số nguyên tử hoặc phân tử bất kể tính chất của chất khí đó.
Nhà vật lý Jean Perrin đặt ra thuật ngữ "số Avogadro" vào năm 1909. Ông định nghĩa nó là số phân tử trong đúng 32 gam oxy. Mục đích của định nghĩa này là để khối lượng một mol chất (đơn vị gam) bằng (về mặt số học) với khối lượng của một phân tử so với khối lượng của nguyên tử hydro. Vì theo định luật thành phần không đổi, khối lượng của nguyên tử hydro là đơn vị tự nhiên của nguyên tử khối và bằng 1/16 nguyên tử khối của oxy.
Những phép đo đầu tiên.
Josef Loschmidt (1821−1895) tìm ra giá trị của số Avogadro một cách gián tiếp vào năm 1865 bằng cách xác định số hạt trong một lượng khí lý tưởng nhất định. Giá trị này về sau mang tên hằng số Loschmidt ("n"0) và có liên hệ với hằng số Avogadro, "N"A, theo công thứcː
trong đó "p"0 là áp suất, "R" là hằng số khí và "T"0 là nhiệt độ tuyệt đối. Vì vậy, ký hiệu "L" thỉnh thoảng được dùng cho hằng số Avogadro. Tại Đức, tên gọi này có thể dùng chung cho cả hai hằng số, chỉ có thể phân biệt qua đơn vị đo.
Perrin cũng xác định số Avogadro qua các phương pháp thí nghiệm. Nhờ vào đóng góp này mà ông được trao Giải Nobel Vật lý năm 1926.
Điện tích trên một mol electron là một hằng số được gọi là hằng số Faraday và được biết đến từ năm 1834 khi Michael Faraday công bố định luật về điện phân của ông. Năm 1910, Robert Millikan lần đầu tiên đo được điện tích của một electron. Nếu lấy điện tích của một mol electron chia cho điện tích của một electron thì được kết quả là giá trị ước tính chính xác hơn của số Avogadro.
Định nghĩa trong hệ SI năm 1971.
Năm 1971, Văn phòng Cân đo Quốc tế (BIPM) quyết định rằng: lượng chất là một đại lượng đo độc lập và mol là đơn vị cơ bản trong hệ đo lường quốc tế (SI). Cụ thể, mol được định nghĩa là lượng chất chứa số hạt đơn vị bằng với số nguyên tử trong 0,012 kilôgam cacbon-12.
Với định nghĩa trên, phát biểu "một gam vật chất chứa "N"0 nucleon" là đúng với cacbon-12 và gần đúng với các nguyên tử và đồng vị khác. Mặt khác, một mol chất bất kỳ chứa số phân tử bằng với số phân tử trong một mol chất bất kỳ khác.
Từ định nghĩa trên ta nhận được một hệ quả, trong hệ SI, hằng số Avogadro "N"A có tính thứ nguyên với nghịch đảo của lượng chất và có giá trị xấp xỉ bằng (đơn vị mol−1). Với định nghĩa này, giá trị của "N"A do đó phải được xác định bằng thực nghiệm.
BIPM cũng đặt tên cho "N"A là ""hằng số" Avogadro", nhưng một số tài liệu vẫn tiếp tục sử dụng thuật ngữ "số Avogadro".
Định nghĩa lại trong hệ SI năm 2019.
Năm 2017, BIPM quyết định thay đổi khái niệm về mol và lượng chất. Theo định nghĩa mới, mol là lượng chất chứa đúng 6,022 140 76 × 1023 hạt đơn vị. Hệ quả của thay đổi trên là khối lượng của một mol 12C không còn bằng đúng 0,012 kg. Mặt khác, dalton (đơn vị khối lượng nguyên tử) vẫn được giữ nguyên khái niệm, tức bằng 1/12 khối lượng 12C. Do đó, hằng số khối lượng mol không còn bằng đúng 1 g/mol, tuy nhiên người ta thường bỏ qua sai số 3,5 × 10−10 trong tính toán thông thường.
Liên hệ với các hằng số khác.
Hằng số Avogadro, "N"A có mối liên hệ với các tính chất và hằng số vật lý với nhau.