Закон Авогадро формулируется следующим образом: при одинаковых условиях температуры и давления равные объемы газов содержат одинаковое число молекул. Этот фундаментальный принцип лежит в основе количественного анализа газовых систем и является краеугольным камнем молекулярно-клеточной теории вещества.
Основные положения закона Авогадро:
Объем газа V прямо пропорционален числу молекул N, при постоянной температуре и давлении:
V ∝ N при T = const, P = const.
Закон Авогадро позволяет связывать макроскопические величины (объем, давление, температура) с микроскопическими характеристиками вещества (число частиц).
Практическое следствие: равные объемы различных газов при одинаковых условиях содержат одинаковое число молекул, независимо от химического состава. Это позволяет определить молярные массы газов экспериментальным путем.
Молярная масса (M) — масса одного моля вещества, выраженная в граммах на моль (г/моль). Молярная масса численно равна относительной атомной или молекулярной массе вещества, но имеет размерность массы. Формула связи массы вещества с количеством вещества:
$$ n = \frac{m}{M}, $$
где n — количество вещества в молях, m — масса вещества, M — молярная масса.
Молярный объем (V_m) — объем одного моля вещества. Для газов при нормальных условиях (0 °C, 1 атм) молярный объем равен приблизительно 22,414 л/моль. Молярный объем газов определяется как:
$$ V_m = \frac{V}{n}. $$
Моль (n) — основная единица количества вещества, содержащая ровно 6,022 × 10²³ частиц (атомов, молекул, ионов), что соответствует числу Авогадро NA. Число частиц в любом образце вещества вычисляется по формуле:
N = n ⋅ NA.
Закон Авогадро обеспечивает фундамент для расчета молярных характеристик газов. При известном объеме газа можно определить количество вещества:
$$ n = \frac{V}{V_m}. $$
Зная количество вещества и молярную массу, вычисляют массу:
m = n ⋅ M.
Для газов, находящихся при любых условиях, используют уравнение состояния идеального газа:
PV = nRT,
где P — давление, V — объем, T — температура в Кельвинах, R — универсальная газовая постоянная. В рамках закона Авогадро при постоянной температуре и давлении молярный объем всех газов одинаков, что позволяет напрямую связывать объем газа с числом молекул и количеством вещества.
$$ n = \frac{m}{M}, \quad V_m = \frac{V}{n}, \quad N = n \cdot N_A, \quad PV = nRT $$
Закон Авогадро и молярные величины образуют единый математико-физический каркас, позволяющий количественно описывать химические системы на уровне как макроскопических объемов и масс, так и числа атомов и молекул. Это делает их фундаментальными инструментами для всех разделов неорганической химии.