Legge di Avogadro
Cosa afferma la legge di Avogadro
Due volumi uguali di gas differenti, nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole.
E' anche conosciuta come legge sulle combinazioni dei gas.
Pertanto, secondo Avogadro i gas erano costituiti da molecole e non da singoli atomi, come credeva Dalton.
Questo significa che le particelle degli elementi gassosi possono essere composti poliatomici.
Esempio. L'ossigeno è un gas composto da una molecola (O2) con due atomi uguali di ossigeno legati tra loro. Lo stesso accade all'azoto (N2) e all'idrogeno allo stato aeriforme (H2). Nella teoria di Dalton, invece, gli elementi gassosi erano considerati erroneamente come composti da singoli atomi (es. O, H, N, ecc.), non ritenendo possibile che due atomi uguali potessero legarsi tra loro in una molecola.
Il chimico e fisico torinese Amedeo Avogadro fece questa ipotesi nel 1811.
Una soluzione al problema della legge di Gay Lussac
L'ipotesi di Avogadro forniva una spiegazione logica ai problemi di compatibilità della legge di Gay Lussac con la teoria atomica di Dalton.
Esempio. In base agli esperimenti di Gay-Lussac la reazione chimica tra due volumi di idrogeno (due molecole) e un volume di ossigeno (una molecola) produce due volumi di acqua (due molecole). Secondo la teoria di Dalton dovrebbe però produrre soltanto un volume d'acqua (una molecola). Considerando l'ossigeno e l'idrogeno come molecole biatomiche (H2 e O2) la reazione chimica trova una spiegazione. $$ 2 H_2 + O_2 = H_2O + H_2O = 2H_2O $$ Dove 2H2 sono due molecole/volumi di idrogeno e O2 è una molecola/volume di ossigeno. L'approccio teorico di Avogadro conferma anche l'evidenza sperimentale che la densità dell'ossigeno (O2) è maggiore del vapore acqueo (H2O) in quanto la massa molecolare è diversa (M=18 per l'acqua e M=32 per l'ossigeno). Un altro problema irrisolto della legge di Gay Lussac.
Pur essendo valida l'ipotesi di Avogadro non venne adottata subito dalla comunità scientifica dell'epoca.
Soltanto alla metà del XIX secolo venne accolta, quando gli esperimenti del chimico italiano Stanislao Cannizzaro confermarono l'ipotesi teorica di Avogadro.
Perché l'ipotesi di Avogadro non venne subito adottata? All'inizio del XIX secolo era diffusa la teoria di Berzelius, secondo la quale le combinazioni chimiche erano causate da attrazioni elettrostatiche tra atomi positivi e negativi. Secondo questa teoria (errata) non potevano formarsi composti di atomi dello stesso elemento perché si sarebbero respinti, in quanto tutti positivi o tutti negativi. Questa teoria venne confutata da Stanislao Cannizzaro nel 1860.
Il numero di Avogadro
Avogadro indica anche il numero preciso delle molecole presenti in un volume di una sostanza.
Una mole di una sostanza contiene 6·1023 molecole. Il numero di molecole è costante per qualsiasi elemento chimico ed è detto numero di Avogadro.
Ovviamente la mole (mol) cambia a seconda dell'elemento chimico che si considera.
Il numero di molecole resta comunque lo stesso.
Esempio. Una mole di idrogeno (1 grammo) e una mole di ossigeno (16 grammi) contengono lo stesso numero di molecole, ossia 6·1023 molecole, a parità di pressione e di temperatura.
Poiché una sostanza allo stato aeriforme lasciata libera occupa l'intero volume del recipiente che lo contiene, si può anche affermare che
In un medesimo volume due sostanze gassose diverse hanno lo stesso numero di molecole (6·1023 molecole) a parità di pressione e temperatura.
Pertanto, il numero di molecole di una sostanza non dipende dalla natura delle molecole, bensì dalle condizioni ambientali (temperatura e pressione).
Esempio. Un litro di idrogeno (1 litro H) e un litro di ossigeno (1 litro O) contengono lo stesso numero di molecole, ossia 6·1023 molecole, a parità di pressione e di temperatura. Anche se il peso molecolare è diverso (M=1 per l'idrogeno e M=16 per l'ossigeno).
Gli esperimenti di Cannizzaro
Nella metà del XIX secolo il chimico italiano Stanislao Cannizzaro misurò il peso dei composti puri gassosi in un medesimo volume a parità di condizioni ambientali (pressione e temperatura).
Sapendo che, secondo l'ipotesi di Avogadro, in uno stesso volume i gas hanno lo stesso numero di molecole, dedusse che il rapporto tra i pesi dei volumi dei gas doveva essere pari al rapporto tra i pesi molecolari dei gas.
$$ \frac{peso \: volume \: gas \: 1}{ peso \: volume \: gas \: 2 } = \frac{massa \: molecolare \: gas \: 1}{ massa \: molecolare \: gas \: 2 } $$
Poiché era già noto il peso atomico degli elementi chimici, analizzando l'insieme dei dati Cannizzaro dedusse che l'idrogeno era una molecola biatomica composta da due atomi di idrogeno H2.
Allo stesso modo Cannizzaro dedusse la composizione atomica delle molecole degli altri gas (es. ossigeno, azoto, ecc.).
Nota. Gli esperimenti di Cannizzaro confermarono la validità della legge di Avogadro che venne finalmente adottata dalla comunità scientifica.
E così via.
