Происхождение "Моль Вещества".

[leviaFun]

Число Авагадро -это число молекул в 1 моле вещества.
По сути проблема была в том, чтобы сосчитать это количество молекул, найти способ.

Но вопрос: Что было эталоном для 1 моля? Ведь должно же было что-то быть основой (кого считать будем?), от чего отталкивались и как получили число 22,4 л/моль не зная величины моля.

[venco]

В википедии же написано.
За моль приняли ровно 12 грамм углерода-12.

[Pphantom]

Насчет ${}^{12}\text{C}$ все, конечно, правильно, но, боюсь, не очень поможет. Давайте зайдем немного с другой стороны.

Все атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. При этом массы протона и нейтрона почти одинаковы, а масса электрона на три порядка меньше, и в итоге масса одного атома с довольно хорошей точностью определяется суммарным количеством протонов и нейтронов, входящих в его состав. Следовательно, если выбрать в качестве единицы массы массу протона, нейтрона или что-то близкое к ним, то в таких единицах массы атомов будут близки к целым числам. Именно близки, но не точно равны - масса ядра не совпадает в точности с суммой масс частиц, из которого оно состоит, а массой электронов мы вообще пренебрегли.

Для определенности выбор такой единицы массы (она называется "атомной единицей массы", а.е.м.) привязали к атому углерода-12, в ядре которого 6 протонов и 6 нейтронов. Масса такого атома по определению равна 12 а.е.м.

Теперь найдем соотношение между атомной единицей массы и граммом. По определению в одном грамме содержится число Авогадро атомных единиц массы. Отсюда уже получается определение моля и т.п.

Так (примерно) дело обстоит сейчас. Однако понятие моля появилось раньше и немного другим образом.

Сначала было замечено, что при химических реакциях между двумя реагентами определенная масса одного реагента всегда реагирует только с определенной массой другого. Если какого-то одного не хватает, то часть другого просто останется среди продуктов реакции. При изучении химических реакций газов выяснилось, что объемы реагентов всегда относятся друг к другу как небольшие целые числа. Поскольку у газов (идеальных) при одинаковых давлении и температуре концентрация постоянна, то отсюда было понято, что соотношение масс реагентов обусловлено в том числе и соотношением масс молекул, которые участвуют в реакциях.

Однако при этом массы отдельных молекул были неизвестны, можно было узнать только относительные массы различных молекул и атомов. Оказалось, что если считать отношения масс к массе атома водорода, то они все близки к целым (см.выше). В итоге оказалось проще договориться, что и количества молекул измеряются в некоторых относительных единицах - молях, сначала подобранных так, чтобы один моль атомарного водорода имел массу 1 грамм, а уже потом - чтобы один моль атомарного углерода-12 весил 12 граммов. Чему при этом на самом деле равно число частиц в моле (оно же число Авогадро), никто не знал, выяснить это с более-менее приличной точностью удалось только в начале XX века.

[Aritaborian]

К сказанному Pphantom добавлю также, что есть идея зафиксировать число Авогадро и тем самым избавиться от такого дремучего анахронизма, как эталон килограмма.

[Pphantom]

Aritaborian в сообщении #974718 писал(а):

К сказанному Pphantom добавлю также, что есть идея зафиксировать число Авогадро и тем самым избавиться от такого дремучего анахронизма, как эталон килограмма.

Да, в 2011 году была даже принята соответствующая резолюция, переход планировался в конце 2014 года. Однако пока не срослось...

[leviaFun]

Pphantom в сообщении #974712 писал(а):

Насчет ${}^{12}\text{C}$ все, конечно, правильно, но, боюсь, не очень поможет. Давайте зайдем немного с другой стороны.

Все атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. При этом массы протона и нейтрона почти одинаковы, а масса электрона на три порядка меньше, и в итоге масса одного атома с довольно хорошей точностью определяется суммарным количеством протонов и нейтронов, входящих в его состав. Следовательно, если выбрать в качестве единицы массы массу протона, нейтрона или что-то близкое к ним, то в таких единицах массы атомов будут близки к целым числам. Именно близки, но не точно равны - масса ядра не совпадает в точности с суммой масс частиц, из которого оно состоит, а массой электронов мы вообще пренебрегли.

Для определенности выбор такой единицы массы (она называется "атомной единицей массы", а.е.м.) привязали к атому углерода-12, в ядре которого 6 протонов и 6 нуклонов. Масса такого атома по определению равна 12 а.е.м.

Теперь найдем соотношение между атомной единицей массы и граммом. По определению в одном грамме содержится число Авогадро атомных единиц массы. Отсюда уже получается определение моля и т.п.

Так (примерно) дело обстоит сейчас. Однако понятие моля появилось раньше и немного другим образом.

Сначала было замечено, что при химических реакциях между двумя реагентами определенная масса одного реагента всегда реагирует только с определенной массой другого. Если какого-то одного не хватает, то часть другого просто останется среди продуктов реакции. При изучении химических реакций газов выяснилось, что объемы реагентов всегда относятся друг к другу как небольшие целые числа. Поскольку у газов (идеальных) при одинаковых давлении и температуре концентрация постоянна, то отсюда было понято, что соотношение масс реагентов обусловлено в том числе и соотношением масс молекул, которые участвуют в реакциях.

Однако при этом массы отдельных молекул были неизвестны, можно было узнать только относительные массы различных молекул и атомов. Оказалось, что если считать отношения масс к массе атома водорода, то они все близки к целым (см.выше). В итоге оказалось проще договориться, что и количества молекул измеряются в некоторых относительных единицах - молях, сначала подобранных так, чтобы один моль атомарного водорода имел массу 1 грамм, а уже потом - чтобы один моль атомарного углерода-12 весил 12 граммов. Чему при этом на самом деле равно число частиц в моле (оно же число Авогадро), никто не знал, выяснить это с более-менее приличной точностью удалось только в начале XX века.

Благодарю!
По поводу отказа от Эталона КГ и перехода к атомам - это большая точность и конкретика, тоже про это слышал.


К теме:
Значит началось всё с того, что за 1 моль атомарного Водорода приняли 1 грамм. А так как атом углерода тяжелее атома водорода в 12 раз, то решили провести подсчет по твердому веществу. Тогда вопросы:

1) Верно ли утверждать, что фактически 1 моль - это 0,5 гр H2 (простого газа) и именно для этой массы получили значение объема 22,4 л/моль при нормальных условиях в уравнении Менделеева-Клапейрона?
2) Как определить массу газа (особенно такого малого количества)?
3) Как для всех остальных элементов периодической таблицы Менделеева посчитали их массу в а.е.м., т.е. как вычислили что Углерод-12 именно в 12 раз тяжелее и т.д., особенно для нестабильных элементов?

[Pphantom]

leviaFun в сообщении #974743 писал(а):

Значит началось всё с того, что за 1 моль атомарного Водорода приняли 1 грамм. А так как атом углерода тяжелее атома водорода в 12 раз, то решили провести подсчет по твердому веществу.

Да, и именно потому, что с углеродом проще работать.

leviaFun в сообщении #974743 писал(а):

1) Верно утверждать, что фактически 1 моль - это 0,5 гр H2 (простого газа) и именно для этой массы получили значение объема 0,0224 л/моль при нормальных условиях в уравнении Менделеева-Клапейрона (для 500 гр - будет 22,4 л/кмоль) ?

Нет. 1 моль - это число Авогадро молекул, так что 1 моль молекулярного водорода весит 2 грамма.

22.4 литра из закона Авогадро также касаются всех газов, достаточно похожих на идеальный. В общем-то это прямое следствие одного из вариантов уравнения состояния идеального газа $p = n k T$, при стандартном атмосферном давлении и комнатной температуре у всех идеальных газов одинакова концентрация, т.е. количество частиц в единице объема.

leviaFun в сообщении #974743 писал(а):

2) Как определить массу газа (особенно такого малого количества)?

Например, каким-то образом связать его. И совершенно необязательно (даже вредно) делать это с малым количеством вещества.

leviaFun в сообщении #974743 писал(а):

3) Как для всех остальных элементов периодической таблицы Менделеева посчитали их массу в а.е.м., т.е. как вычислили что Углерод-12 именно в 12 раз тяжелее и т.д.,

С трудом. Довольно долго была популярна идея, что если некоторое вещество состоит из таких-то элементов, то в соответствующую молекулу входит по одному атому каждого компонента. Опровергнуть это утверждение смог как раз Авогадро, занимавшийся газовыми реакциями. Затем с помощью реаций, в которых так или иначе участвовали газы, удалось привязать эти данные и к твердым и жидким веществам (это сделал Берцелиус). В некоторых случаях ориентировались на идею, что при похожих химических свойствах соединений у них должны быть похожи формулы молекул. Затем был обнаружен закон Дюлонга и Пти, позволявший по измерениям теплоемкости твердых тел, состоявших из атомов одного элемента, получить относительные атомные веса. Затем использовалось понятие валентности, дававшее возможность понять, сколько атомов какого-либо элемента может входить в молекулу. И т.д. и т.п. Более-менее окончательно все это привел к общему знаменателю только в 1858 году Станислао Канниццаро. Однако кое-какие правки в атомные веса элементов вносил еще даже Менделеев - уже из соображений "укладки" их в Периодический закон.

leviaFun в сообщении #974743 писал(а):

особенно для нестабильных элементов?

Сначала всеми теми же методами, только в более точном исполнении (это уже конец XIX - начало XX века), а потом по данным о результатах распада ядер элементов.

[Mihr]

Pphantom, у Вас механическая опечатка:

Pphantom в сообщении #974712 писал(а):

к атому углерода-12, в ядре которого 6 протонов и 6 нуклонов.

(Выделено мною).

[Pphantom]

Mihr в сообщении #974800 писал(а):

Pphantom, у Вас механическая опечатка:

Ой, конечно, имелись в виду нейтроны. Спасибо, сейчас поправлю.

[Munin]

Droog_Andrey в сообщении #881190 писал(а):

Оттого и проект Авогадро свернули с этими кремниевыми шариками, если помните.

Munin в сообщении #881219 писал(а):

Расскажите поподробнее! Я думал, что он всё ещё жив. (И довольно жаль, если свернули, хорошее начинание.)

Droog_Andrey в сообщении #881423 писал(а):

Ну изначально планировалось подсчитать число атомов в этих сферах и определить единицу массы через массу атома кремния. Но потом оказалось, что слишком много фигни растёт на поверхности (surface layer, SL):

вот в этой статье авторы писал(а):

An unexpected metallic contamination existing on the sphere surface enlarges the uncertainty contribution of the correction parameters above the originally targeted value of $1\times10^{-8}$.

$\dots$

It is expected to reduce the uncertainty contribution due to the SL down to $1\times10^{-8}$.

Но за несколько лет ничего толком не решили. Более того, столкнулись с проблемой нестабильности примесного слоя:

вот в этой статье авторы писал(а):

The results reveal that the oxide layer needs a stabilisation time of several months after the etching process before the etched silicon spheres can be used – in combination with an approved cleaning procedure – as high-accuracy mass standards.

Так что воз и ныне там. Официально проект вроде бы жив, но возлагавшиеся на него в 2007 году надежды не оправдались.

[leviaFun]

Pphantom, благодарю!