Incluso Avogadro no sabía el número de Avogadro
LA HISTORIA TEMPRANA de la química tiene muchas historias interesantes. Solo considere los problemas que los científicos tuvieron hace 200 años cuando intentaron descubrir algunas de las ideas más básicas de la química. Estaba claro que había diferentes sustancias, por ejemplo, el agua es diferente al carbón. Pero no estaba tan claro de qué estaban hechas estas sustancias. Puede tomar algo como nitrógeno gaseoso (N2) y oxígeno gaseoso (O2) y combinarlos para formar otro gas (en este caso NO2). Por lo tanto, parecía razonable suponer que el material (gas molecular) estaba hecho de material más pequeño (átomos). Pero la evidencia no es tan fácil de ver. La principal dificultad es que los humanos no pueden ver moléculas o átomos. Todas las ideas científicas deben basarse en evidencia indirecta.
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Avogadro desarrolló la siguiente idea:
Ley de Avogadro: si tiene dos gases a la misma temperatura y presión, ocuparán el mismo volumen solo si contienen el mismo número de moléculas.
Si está pensando que esto es solo una versión de la Ley del Gas Ideal, está en lo correcto, pero pasemos a un ejemplo útil. Suponga que toma agua (que es H2O) y pasa una corriente eléctrica a través de ella, llamada electrólisis. Esto puede romper las moléculas de agua en hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso (que podría recolectar). Si tuviera estos dos gases a la misma temperatura y presión, el gas hidrógeno ocuparía el doble del volumen en comparación con el gas oxígeno. ¿Por qué? Bueno, cuando rompes la molécula de agua, obtienes el doble de hidrógeno que oxígeno. Sí, el hidrógeno no solo flota como un solo átomo. En cambio, forma un enlace con otro hidrógeno para formar H2, pero el oxígeno hace lo mismo (O2).
Al final, sabría que el agua está hecha de hidrógeno y oxígeno y que hay el doble de hidrógeno que oxígeno. Esa es una pieza bastante grande para todo el rompecabezas de elementos y necesitas una idea como la Ley de Avogadro para resolverlo.
el número de Avogadro
¿Pero qué hay de este número de Avogadro? ¿Por qué es importante y por qué Amedeo no sabía lo que era? Comencemos con una definición. Si tengo 12 gramos de carbono-12 (no cualquier otro isótopo de carbono), tendría exactamente el número de átomos de Avogadro. Podemos escribir este número como (aproximadamente):
Entonces llamaríamos a este número de átomos de carbono, un mol (como 12 huevos es una docena).
¿Por qué es importante? El número de Avogadro es como un puente. Puentea la química y la física atómica. En química medimos cosas en función de sus propiedades a granel. Cosas como masa (masa total), presión, volumen, temperatura. Sin embargo, cuando consideramos estas cosas desde una perspectiva atómica, observamos los átomos individuales y el momento, la velocidad de estas partículas. El número de Avogadro conecta estas dos ideas y nos permite explorar cosas a nivel atómico midiendo cantidades de nivel macroscópico. Tiene mucha importancia.
Pero ¿por qué Avogadro no sabía este número? Porque no se le ocurrió la idea directamente. Los químicos nombraron el número después de Avogadro para honrar sus contribuciones a la química.
Determinar un valor para el número de Avogadro
Si tuviera un cartón con una docena de huevos, podría abrir el paquete y contar el número de huevos para descubrir que una docena es igual a doce. Realmente no se puede hacer lo mismo con un mol de carbono. Los átomos de carbono son demasiado pequeños para ver y hay demasiados para contar. Tenemos que encontrar otra forma de obtener un valor para el número de Avogadro. Hay bastantes maneras de determinar este número mágico, pero permítanme analizar un método simple.
Imagen: Rhett Allain
Comience con dos piezas de cobre colocadas en una solución de sulfato de cobre. Cuando ejecuta una corriente eléctrica a través del sistema, el cobre se elimina de una placa y se deposita en la otra placa. Esto significa que una de las placas gana masa y la otra pierde masa (debe ser en la misma cantidad).
Cuando el átomo de cobre se retira de una placa, actúa como portador de carga en el circuito completo (batería, cables, cobre, solución). Si mido la corriente en este circuito y registro el tiempo, puedo usar la definición de corriente para encontrar la transferencia total de carga (que sería la transferencia de iones de cobre).
Pongamos todo esto junto.
- Ejecute la corriente a través del cobre y el sulfato de cobre.
- Los iones de cobre positivos se transfieren de una placa a la otra haciendo un cambio en la masa (que puedo medir).
- Puedo medir la corriente y el tiempo y calcular la transferencia total de carga de una placa a otra.
- Como un ion de cobre tiene una carga positiva de 1 e (carga de un electrón), puedo obtener la cantidad de iones transferidos.
- Sabiendo que 1 mol de cobre es 63.546 gramos, debería poder establecer una relación entre el cambio de masa y el número de moles, lo que me dará el número de Avogadro.
En mi experimento preliminar, tuve una corriente eléctrica de 0,42 amperios durante 10 minutos. Esto da un cambio total a cargo de 252 Coulombs. Dividiendo esto por la carga de un ion (1.6 x 10-19 C) obtengo 5.575 x 1021 iones. El cambio en la masa de una placa es de 0.344 gramos. Eso es todo lo que necesito. Ahora puedo escribir:
Ese no es un valor terrible para el número de Avogadro. Realmente no lo es. Si toma el valor aceptado de 6.022 x 1023, mi estimación es inferior en menos de un factor de 2. Llamo a eso lo suficientemente cerca. La idea funciona incluso si mi método fue un poco descuidado. Aún así, mi valor es mejor que ningún valor.
Visualizando un topo
Tradicionalmente, el 23 de octubre es el Día del Topo, ya sabes, porque el 10/23 es como el 1023. El mayor problema con el topo es que nunca hay algo en lo que puedas ver los objetos individuales, así como un lunar de estos objetos. En una publicación anterior, calculé cómo sería un mol de granos de sal. Permítanme decir que un lunar de sal es ENORME. De hecho, si pones este cubo de sal en Miami, puedes verlo desde Tampa. Así es como se vería.
Eso solo demuestra que 10 al poder de 23 de cualquier cosa es un montón de cosas.