Измеряем диаметр атома

«Неужели это возможно в домашних условиях?» — спросите вы. Вполне возможно, только для того, чтобы рассчитать диаметр атома, надо кое-что знать. Например, что атомы многих металлов можно представить в виде маленьких, плотно упакованных шариков. В гаком случае атомы-шарики занимают 74 % всего пространства, а остальные 26 % приходятся на пустоты между ними. Еще надо знать, как связан объем шара (V) с его диаметром (d) — эту формулу можно найти в учебнике или в справочнике по математике: V= πd³/6, где π = 3,14. Наконец, надо знать очень важную для химии величину, которая называется постоянной Авогадро (N_A) — в честь итальянского ученого XIX века Амедео Авогадро (1776–1856). Эта константа показывает, сколько частиц — атомов, ионов или молекул содержится в одном моле вещества. Моль — очень удобная для химиков единица измерения, так как в одном моле любого вещества содержится одинаковое число частиц. Например, 1 моль воды (18 г), или 1 моль сахара (343 г), или 1 моль кислорода (32 г) содержит одинаковое число молекул, равное N_A = 6,02 x 10²³. Ровно столько же атомов содержит 1 моль алюминия (27 г), или 1 моль меди (64 г), или 1 моль серебра (108 г). А 1 моль поваренной соли (58,5 г) содержит по 6,02 x 10²³ положительно заряженных ионов (катионов) натрия и отрицательно заряженных ионов (анионов) хлора. Понятие «моль» (раньше его называли «грамм-молекулой», а еще раньше, во времена Менделеева, — «химическим паем») удобно тем, что им можно пользоваться и не зная численного значения постоянной Авогадро, так как вещества реагируют друг с другом в соответствии с числом молей в них.

О том, как ученые определили это огромное число, мы еще поговорим, а пока вернемся к нашей ложке. Итак, пусть в предыдущем опыте нам повезло, и ложка оказалась из серебра высокой пробы с плотностью 10,5 г/см³. Теперь у нас есть все данные, чтобы определить размер «серебряного атома». В 1 см³ серебра содержится 10,5 г:108 г/моль = 0.097 моль, или 0,097 x 6,02 x 10²³ = 5,84 x 10²² атомов серебра. Если не считать пустоты между атомами, то на долю самих атомов-шариков придется не 1 см³, а немного меньше — 0.74 см³. Значит, объем одного атома равен 0,74 см³/5.84 x 10²²= 1.27 x 10^-23 см³. Осталось только по приведенной выше формуле рассчитать диаметр атома серебра. Он получится очень маленьким: d = 3 x 10^-8 см, или 0,3 нм (нанометр — одна миллиардная часть метра — самая подходящая единица для измерения таких малых величин).

Все атомы имеют очень малые размеры. Цепочка из миллиона атомов серебра, плотно уложенных друг к другу, протянется всего на 0,3 мм. Дня сравнения: если уложить в цепочку миллион маковых зернышек диаметром 1 мм, то такая цепочка протянется на 1 км! Из-за малого размера атомов их невозможно увидеть даже в самый сильный оптический микроскоп. Зато ученые придумали другие приборы, позволяющие получать изображения отдельных атомов.

Примерно такие же размеры, как атом серебра, имеют небольшие молекулы — кислорода, азота, метана, воды; все они содержат несколько небольших атомов. Бывают молекулы, которые значительно больше: они содержат много атомов или атомы больших размеров (например, атомы иода). В следующем разделе мы познакомимся с одним из методов измерения размера молекул. А сейчас — некоторые интересные и полезные сведения об Авогадро и постоянной, названной его именем.

Итальянский химик Авогадро прожил очень долгую по меркам того времени жизнь. Он родился в 1776 году в Турине, в Северной Италии. Получил юридическое образование и в возрасте 20 лет был назначен секретарем префектуры. Это были годы, когда в Италии гремела слава молодого французского полководца Наполеона. Однако Авогадро не привлекала ни военная, ни юридическая карьера. Со временем он стал все больше интересоваться естественными науками — физикой и химией, которые изучил самостоятельно. В 1809 году он начал преподавать физику в городе Верчелли, недалеко от Турина, а в 1820 году был назначен профессором математической физики в Туринском университете. В университете Авогадро проработал до преклонного возраста и покинул его лишь в 1850 году. Умер Авогадро в Турине в 1856 году. О его личной жизни сохранилось очень мало сведений. Прославили же Авогадро две статьи, опубликованные в 1811 и 1814 годах. Вначале они не вызвали интереса и были почти забыты. Сегодня же имя Авогадро знают школьники всех стран, если они изучают физику и химию.

Закон Авогадро звучит очень просто: «Равные объемы газообразных веществ при одинаковом давлении и температуре содержат одно и то же число молекул, так что плотность различных газов служит мерой массы их молекул». Из этого закона следовало, что, измеряя плотность разных газов, можно определять относительные массы, а также состав молекул газообразных соединений. Благодарные потомки назвали число частиц в одном моле вещества постоянной Авогадро, которую обозначили как N_A. Кстати, само слово «моль» — итальянского, вернее, латинского происхождения. В переводе с латыни moles означает «тяжесть, глыба, громада». На современной двухцентовой итальянской монете изображен купол со шпилем «Антонеллиевой громады» (mole Attlonelliana), самой высокой конструкции в Италии (167,5 м); интересно, что это сооружение считается символом Турина, родного города Авогадро. Соответственно, molecula (с уменьшительным суффиксом — сиlа) — «маленькая масса», как корпускула — «маленькое тело» (так во времена Ломоносова называли молекулы). Помимо указанного значения слово moles на латыни означает «дамба, насыпь, укрепленная большими камнями» (вспомним слово «мол» — сооружение в гаванях для защиты судов от морских волн). Тот же корень в латинском слове mola — «жернов» («громадный камень») и в глаголе molo — «молоть». Отсюда и молот с молотком, и моляр — зуб, размалывающий твердую пищу, как жернов на мельнице, и даже вредная моль — насекомое, измельчающее, стирающее вещи в муку.

Постоянная Авогадро — огромное число, с трудом поддающееся воображению; оно, к примеру, в 4 миллиарда раз больше, чем расстояние от Земли до Солнца, выраженное в миллиметрах! Это означает, что атомы и молекулы очень маленькие — раз их так много помещается в сравнительно небольшом количестве вещества. Еще в XIX веке ученым было очевидно, что, поскольку атомы и молекулы очень маленькие и никто их еще не видел, постоянная Авогадро должна быть очень велика. Постепенно физики научились определять размеры молекул и значение постоянной Авогадро — сначала очень грубо, приблизительно, затем все точнее. Прежде всего им было понятно, что обе величины связаны между собой: чем меньше окажутся атомы и молекулы, тем больше получится постоянная Авогадро.

Преподаватели и популяризаторы химии придумали множество эффектных способов, чтобы наглядно показать грандиозность этого числа. Вот некоторые из них.

В пустыне Сахара содержится менее трех молей самых мелких песчинок.

Если объем футбольного мяча увеличить в N_A раз, то в таком мяче поместится Земной шар. Если же в N_A раз увеличить диаметр мяча, то в нем поместится самая большая галактика, содержащая сотни миллиардов звезд. Кстати, число звезд во Вселенной примерно равно постоянной Авогадро.

Если взять 100 г красителя, пометить каким-либо способом все его молекулы, вылить этот краситель в море и подождать, пока он равномерно распределится по всем морям и океанам до самого дна, то, зачерпнув в любом месте Земного шара стакан воды, мы обязательно обнаружим в нем не один десяток «меченых» молекул.

При каждом вдохе человека в его легкие попадает хотя бы несколько молекул кислорода и азота, которые содержались в последнем выдохе Юлия Цезаря (44 год до н. э.).

Если взять моль долларовых бумажек, они покроют все материки двухкилометровым плотным слоем.

В древности на Востоке придумали такую легенду. В сказочном царстве находится огромная гранитная скала. Представим себе, что она имеет форму куба с ребром, равным 1 км. Раз в столетие на скалу садится ворон и чистит об нее клюв. Если предположить, что при этом скала стирается на 0,0001 г, то число лет, за которое от скалы не останется ни одной песчинки, меньше, чем постоянная Авогадро.

Дата добавления: 2015-08-21