Transcript: Structura substanţei. Numarul Avogadro. Molul.

În prima lecție de termodinamică vom discuta despre structura substanței și apoi vom prezenta numărul avocadro și noțiunea de mold.
Structura discretă a substanței a fost postulată în 1809 de către John Dalton prin ipoteza atomică,
care spune că, în primul rând, fiecare substanță pură se divide în particule foarte mici, identice și indivizibile numite atomi.
O substanță pură este o substanță care are un singur element, spre exemplu fier sau hidrogen sau oxigen,
și o astfel de substanță pură poate fi divizată până la elemente foarte mici, microscopice, care sunt identice și indivizibile.
Bineînțeles, noi știm acum, datorită fizicii atomice și cuantice, că aceasta este o realitate,
dar acum 200 de ani nu se cunoștea structura microscopică a substanței, așa că această idee era originală la acel timp.
A doua proprietate introdusă prin această ipoteză atomică relativ la atomii ce formează substanța
este că masa și mărimea atomilor e o caracteristică a substanței.
Asta înseamnă că fiecare substanță pură, precum fierul sau hidrogenul,
va avea un singur tip de atom microscopic și masa și mărimea acestui atom, al unui element,
vor fi caracteristice substanței.
Masa fierului va fi diferită de masa atomului de hidrogen, diferită de masa atomului de oxigen.
Ultima idee introdusă în ipoteză atomică se referă la ce se întâmplă când combinăm substanțe pure.
Și anume că combinarea substanțelor pure duce la formarea unor substanțe compuse
care are loc prin combinarea acestor atomi, formându-se molecule.
Ceea ce, din nou, știm că este adevărat.
Spre exemplu, dacă combinăm substanță pură un gaz de hidrogen cu un gaz de oxigen pur,
formăm o substanță compusă numită apă, care are formula chimică hidrogen doi oxigen,
elementul indivizibil al substanței apă,
fiind o moleculă ce se formează prin combinarea atomilor celor două substanțe pure.
Această ipoteză a permis înțelegerea unor fenomene,
precum mișcarea brauniană, care se mai numește și agitația termică.
În 1828, Braun, un biolog al vremii respective,
a observat la microscop mișcarea particolulor fine de polen aflate în suspensie într-un lichid
și a concluzionat că toate lichidele și gazele se află într-o mișcare continuă, chaotică și spontană,
a care intensitate crește cu temperatura substanței.
Această mișcare, după cum am spus, se mai numește și agitația termică
a atomilor sau moleculelor dintr-o substanță, dintr-un lichid sau gaz.
Ce înseamnă concret această mișcare brauniană se poate vedea dintr-un experiment de genul acesta.
Deci, ce vedeți în imagine este înregistrarea mișcării unei astfel de molecule vizibile cu ochiul liber,
precum o particulă vizibilă cu ochiul liber, precum particula de polen,
și se înregistrează mișcarea ei într-un lichid.
Și, după cum se vede, ea pornește dintr-un anumit punct și evoluează prin mișcări chaotice și spontane
în volumul lichidului și, la un moment dat, ajunge în starea finală reprezentată prin acest punct.
Într-adevăr, se poate observa că această mișcare este continuă, este chaotică, nu pare a avea o direcție preferențială
și spontană, nu trebuie să împinge molecula sau particula de polen cu anumită forță pentru ca mișcarea să aibă loc.
Se observă, de asemenea, că intensitatea acestei mișcări este proporțională cu temperatura lichidului în care se află în suspensie
și, de asemenea, cu văscozitatea sau densitatea lui.
Această mișcare browniană a fost ușor de înțeles în cadrul ipotezei atomici și anume a faptului că lichidul în care se mișcă această substanță
este, de fapt, o colecție de foarte multe elemente invizibile numite atomi cu care particula de polen se ciocnește în timpul mișcării ei.
Un alt fenomen care a fost ușor de înțeles în contextul ipotezei atomice și, în particular, apoi și a mișcării browniene
este difuzia unei substanțe în altă substanță care are la bază tot agitația termică a celor două substanțe care difuzează.
În chimie a fost dezvoltată de către Avogadro o așa-numită ipoteză Avogadro care este legată atât de ipoteza atomică cât și de observațiile experimentale legate de proprietățile reacțiilor chimice.
Această ipoteză spune că două gaze aflate la volum egal, presiune egală și temperatură egală vor avea același număr de atomi sau molecule.
Același număr de atom dacă e o substanță pură, același număr de molecule dacă e o substanță compusă.
Această ipoteză Avogadro a putut fi dezvoltată în măsurarea cantității de substanță în reacții chimice,
ceea ce vedem în așa-numitul număr Avogadro care este legat de noțiunea de mole.
Pentru a prezenta aceste două noțiuni să introducem întâi așa-numita unitate atomică de masă.
Ea este definită ca a 12-a parte din masa carbonului 12.
Evident, spre exemplu, asta înseamnă că unitate atomică de masă este egală cu masa celui mai simplu atom și anume cel de hidrogen.
Inițial, de fapt, unitate atomică de masă a fost definită ca masa atomului de hidrogen,
dar apoi a fost schimbată în această definiție care se leagă de masa carbonului 12
datorită faptului că e mai ușor de măsurat experimental această valoare decât această valoare.
În practică, unitate atomică de masă, bineînțeles, este o masă și este egală cu 1.67 x 10-27 kg.
Noțiunea de notație științifică a unor numere, precum acest 10-27, a fost explicată în prima lecție de cinematică.
După cum am spus, această unitate atomică de masă este folosită în măsurarea maselor celorlalți atomii sau molecule a diferitelor substanțe.
Deci ea este folosită în așa-numita masa atomică sau moleculară relativă.
Masa atomică relativă se notează cu A și este prin definiție masa atomului unei substanțe pure împărțită la această unitate atomică de masă.
Dacă substanța este compusă, atunci avem de-a face cu masa moleculară relativă notată cu M și definită ca masa moleculei substanței compuse împărțită la unitatea atomică de masă.
Acum suntem pregătiți să introducem molul și să-l explicăm.
Molul este cantitatea de substanță ce conține același număr de atomi sau molecule cât sunt în 12 grame de carbon-12 pur.
Acest număr, deci numărul de atom sau molecule în 12 grame de carbon-12 pur, este așa-numitul număr al lui Avogadro și are valoarea măsurată experimental de 6.023 ori 10 la puterea 23 atomi sau molecule într-un mol.
Deci construim un cadru pentru măsurarea numărului de atom sau molecule într-o substanță, elementul esențial fiind molul.
Haideți să explicăm un pic semnificația acestei definiții.
În primul rând, molul este o unitate de măsură pentru cantitatea de substanță.
Așa cum dacă dorim să spunem câtă apă avem într-un recipient, putem spune că avem ori un kilogram de apă, ori un metru cub de apă, putem spune că avem un mol de apă.
Deci molul este o unitate de măsură pentru cantitatea de substanță, similară cu kilogramul sau metrul cub, dar nu egală cu ele.
Deci molul nu este nici un kilogram și nici un metru cub, dar sunt relaționate.
Precum metru cub nu este egal cu kilogramul, dar nu este același lucru a spune am un kilogram de apă cu am un metru cub de apă, dar bineînțeles putem calcula câte kilograme sunt într-un metru cub de apă.
Haideți să vedem cum se relaționează molul cu kilogramul.
Dar întâi să specificăm încă o dată semnificația numărului avogadru.
Deci acum că am spus un pic mai concret ce este un mol, ce este numărul avogadru?
Deci din nou numărul avogadru este numărul de atomi pentru substanțe pure sau molecule pentru substanțe compuse într-un mol de substanță.
Deci dacă spun că am un mol de apă, atunci voi avea acest număr de molecule în acea cantitate de apă.
Relația dintre mol și gram, adică între mol și masă, este următoarea.
Un mol de substanță S, o notăm cu S substanța, va fi egal cu unitatea atomică relativă a substanței pure exprimată în grame.
Sau dacă e substanță compusă, va fi unitatea moleculară relativă a substanței S exprimată în grame.
Foarte simplu să dăm câteva exemple.
Deci un mol de apă H2O va avea 18 grame.
De ce? Pentru că dacă calculăm masa atomică, masa moleculară relativă a apei, obținem valoarea 18.
De ce? Pentru că ea este formată din 2 atomi de hidrogen plus un atom de oxigen.
Atomul de hidrogen are masa 1, după cum vedem aici.
Deci masa atomului de hidrogen este egală cu unitatea atomică de masă.
Aul pentru hidrogen va fi 1, deci cei 2 atomi de hidrogen vor contribui cu 2.
Deci 2 ori 1 plus masa atomică relativă a oxigenului, care este 16.
Dacă vă uitați în tabelul Mendeleev, veți vedea că oxigenul este 16 O.
În concluzie, masa moleculară relativă a apei va fi 2 ori 1 plus 16, adică 18.
Asta înseamnă că un mol de apă are 18 grame.
La fel cum am arătat aici, un mol de gaz hidrogen, care este un gaz compus format din 2 atomi de hidrogen, va avea 2 grame.
Un mol de metan, CH4, va avea 16 grame.
Carbonul are masa atomică relativă 12, plus de 4 ori hidrogenul, care este 1, obținem 16 grame.
Deci, în concluzie, un mol va avea întotdeauna același număr de atomi sau molecule,
dar diferite greutăți sau diferite mase, mai exact, în funcție de complexitatea moleculei sau atomului de bază.
În practică, se folosește foarte des, în loc de mol, kilomolul, care este o mie de moli,
pentru că, după cum vedem, un mol este legat de gram, deci un kilomol va fi legat de kilogram.