Закон Авогадро. Состав молекул

В твер­дых телах, по срав­не­нию с жид­ко­стя­ми и тем более га­за­ми, ча­сти­цы ве­ще­ства на­хо­дят­ся в тес­ной вза­и­мо­свя­зи, на неболь­ших рас­сто­я­ни­ях. В га­зо­об­раз­ных же ве­ще­ствах рас­сто­я­ния между мо­ле­ку­ла­ми на­столь­ко ве­ли­ки, что прак­ти­че­ски ис­клю­ча­ет вза­и­мо­дей­ствие между ними.

Рис. 1. Мо­де­ли стро­е­ния ве­ще­ства в раз­ных аг­ре­гат­ных со­сто­я­ни­ях

При от­сут­ствии вза­и­мо­дей­ствия между мо­ле­ку­ла­ми их ин­ди­ви­ду­аль­ность не про­яв­ля­ет­ся. Зна­чит, можно счи­тать, что между мо­ле­ку­ла­ми в любых газах рас­сто­я­ния оди­на­ко­вые. Но при усло­вии, что эти газы на­хо­дят­ся в оди­на­ко­вых усло­ви­ях – при оди­на­ко­вых дав­ле­нии и тем­пе­ра­ту­ре.

2. Предположение Авогадро

Раз рас­сто­я­ния между мо­ле­ку­ла­ми газов равны, зна­чит, рав­ные объ­е­мы газов со­дер­жат рав­ное число мо­ле­кул. Такое пред­по­ло­же­ние вы­ска­зал в 1811 г. ита­льян­ский уче­ный Аме­део Аво­га­д­ро. Впо­след­ствии его пред­по­ло­же­ние было до­ка­за­но и на­зва­но за­ко­ном Аво­га­д­ро.

3. Модели молекул некоторых газообразных веществ

Свою ги­по­те­зу Аво­га­д­ро ис­поль­зо­вал для объ­яс­не­ния ре­зуль­та­тов опы­тов с га­зо­об­раз­ны­ми ве­ще­ства­ми. В про­цес­се рас­суж­де­ний он смог сде­лать важ­ные вы­во­ды о со­ста­ве мо­ле­кул неко­то­рых ве­ществ.

Рас­смот­рим ре­зуль­та­ты экс­пе­ри­мен­тов, на ос­но­ва­нии ко­то­рых Аво­га­д­ро смог смо­де­ли­ро­вать мо­ле­ку­лы неко­то­рых ве­ществ.

Вы уже зна­е­те, что при про­пус­ка­нии через воду элек­три­че­ско­го тока, вода раз­ла­га­ет­ся на два га­зо­об­раз­ных ве­ще­ства  - во­до­род и кис­ло­род.

Опыт по раз­ло­же­нию воды про­ве­дем в элек­тро­ли­зе­ре. При про­пус­ка­нии элек­три­че­ско­го тока через воду на элек­тро­дах нач­нут вы­де­лять­ся газы, ко­то­рые вы­тес­нят воду из про­би­рок. Газы по­лу­чат­ся чи­сты­ми, по­то­му что воз­ду­ха в про­бир­ках, за­пол­нен­ных водой, нет. При­чем объем вы­де­лив­ше­го­ся во­до­ро­да будет в 2 раза боль­ше, чем объем вы­де­лив­ше­го­ся кис­ло­ро­да.

Какой вывод сде­лал из этого Аво­га­д­ро? Если объем во­до­ро­да в два раза боль­ше объ­е­ма кис­ло­ро­да, зна­чит, мо­ле­кул во­до­ро­да об­ра­зо­ва­лось тоже в 2 раза боль­ше. Сле­до­ва­тель­но, в мо­ле­ку­ле воды на два атома во­до­ро­да при­хо­дит­ся один атом кис­ло­ро­да.

Рас­смот­рим ре­зуль­та­ты дру­гих опы­тов, ко­то­рые поз­во­ля­ют сде­лать пред­по­ло­же­ние о стро­е­нии мо­ле­кул ве­ществ. Из­вест­но, что при раз­ло­же­нии 2 л ам­ми­а­ка об­ра­зу­ет­ся 1 л азота и 3 л во­до­ро­да (Рис. 2).

Рис. 2. Со­от­но­ше­ние объ­е­мов газов, участ­ву­ю­щих в ре­ак­ции

От­сю­да можно сде­лать вывод, что в мо­ле­ку­ле ам­ми­а­ка на один атом азота при­хо­дит­ся три атома во­до­ро­да. Но по­че­му тогда для ре­ак­ции по­тре­бо­ва­лось не 1л ам­ми­а­ка, а 2л?

Если вос­поль­зо­вать­ся мо­де­ля­ми мо­ле­кул во­до­ро­да и ам­ми­а­ка, ко­то­рые пред­ло­жил Д. Даль­тон, то по­лу­чил ре­зуль­тат, про­ти­во­ре­ча­щий экс­пе­ри­мен­ту, т.к. из 1 атома азота и трех ато­мов во­до­ро­да по­лу­чит­ся толь­ко 1 мо­ле­ку­ла ам­ми­а­ка. Таким об­ра­зом, по за­ко­ну Аво­га­д­ро объем раз­ло­жив­ше­го­ся ам­ми­а­ка в этом слу­чае будет равен 1 л.

Рис. 3. Объ­яс­не­ние ре­зуль­та­тов экс­пе­ри­мен­та с по­зи­ций тео­рии Д. Даль­то­на

Если же пред­по­ло­жить, что каж­дая мо­ле­ку­ла во­до­ро­да и азота со­сто­ит из двух ато­мов, то у мо­де­ли не будет про­ти­во­ре­чия с экс­пе­ри­мен­таль­ным ре­зуль­та­том. В этом слу­чае  одна мо­ле­ку­ла азота и три мо­ле­ку­лы во­до­ро­да об­ра­зу­ют­ся из двух мо­ле­кул ам­ми­а­ка.

Рис. 4. Мо­дель ре­ак­ции раз­ло­же­ния ам­ми­а­ка

Рас­смот­рим ре­зуль­та­ты еще од­но­го опыта. Из­вест­но, что при вза­и­мо­дей­ствии 1 л кис­ло­ро­да с 2 л во­до­ро­да об­ра­зо­ва­лось 2 л паров воды (т.к. ре­ак­цию про­во­дят при тем­пе­ра­ту­ре боль­ше 100 С). Какой вывод можно сде­лать о со­ста­ве мо­ле­кул кис­ло­ро­да, во­до­ро­да и воды? Такое со­от­но­ше­ние можно объ­яс­нить, если пред­по­ло­жить, что мо­ле­ку­лы во­до­ро­да и кис­ло­ро­да со­сто­ят из двух ато­мов:

Рис. 5. Мо­дель ре­ак­ции между во­до­ро­дом и кис­ло­ро­дом

Из двух мо­ле­кул во­до­ро­да и 1 мо­ле­ку­лы кис­ло­ро­да об­ра­зу­ет­ся 2 мо­ле­ку­лы воды.