Atomy i cząsteczki - prawo Avogadro

Określenie mas atomowych, stworzenie wzorów związków chemicznych, powstanie i rozwój układu okresowego, a tak naprawdę powstanie chemii, mają swój początek w prawie Avogadra, które brzmi: W tych samych warunkach fizycznych tj. w takiej samej temperaturze i pod takim samym ciśnieniem, w równych objętościach różnych gazów znajduje się taka sama liczba cząsteczek. Odkrycie tego prawa, i jego zastosowanie do różnych problemów chemicznych, oparte na wynikach eksperymentów J. L. Gay-Lussaca to modelowe przedstawienie czysto logicznego myślenia. Opierając się na tym odkryciu A. Avogadro poprawnie określił wzory chemiczne wody, amoniaku, tlenku azotu(I) i tlenku azotu(II). Prawo Avogadra wynikło z nowej i rewolucyjnej hipotezy, że w skład wielu elementarnych gazów, takich jak wodór czy azot, wchodzą cząsteczki złożone z dwóch lub więcej atomów. Początkowo hipoteza ta wydawała się zbyt nieprawdopodobna aby mogła zostać zaakceptowana co spowodowało powstanie wielu „systemów”, które zahamowały rozwój chemii. Wreszcie dzięki geniuszowi Stanislao Cannizzaro, który pracował nad oznaczaniem mas cząsteczkowych, a stosując zasadę Avogadra, wprowadził rozróżnienie między atomem i cząsteczką.

Amadeo Avogadro, lub też posługując się pełnym nazwiskiem Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna e di Cerreto, urodził się w Turynie we Włoszech 9 sierpnia 1776 r., jako syn hrabiego Filippo i Anny Vercellone Avogadro. Brak jest doniesień o okresie jego dzieciństwa i czasach nauki. Wiadomym jest, że jego rodzina uczestniczyła od XI wieku w życiu politycznym prowincji Vercelli. Od pokoleń jego przodkowie zajmowali się prawem kościelnym. Amadeo również miał zostać prawnikiem kontynuując tradycję rodzinną. W 1792 roku uzyskał stopień licencjata prawa, a trzy lata później tytuł doktora prawa kościelnego, i przez kolejne cztery lata pełnił funkcję prawnika w kilku urzędach państwowych. Pod koniec tego okresu zdecydował się na porzucenie kariery prawniczej i kolejnych pięć lat spędził na studiowaniu fizyki i matematyki. W tym okresie, mając 27 lat, opublikował, wraz z bratem Felice, swój pierwszy referat dotyczący właściwości przepływu prądu elektrycznego przez roztwory soli. Niedługo potem pojawiły się kolejne artykuły dotyczące tego samego tematu. Skutkiem tych publikacji było przyjęcie go w poczet członków Królewskiej Akademii Nauk w Turynie w roku 1804. W krótkim czasie po przyjęciu do Akademii został mianowany wykładowcą w kolegium królewskim w Vercelli, a od roku 1809 do 1820 był profesorem tej uczelni. To właśnie tam powstało, w 1811 roku, jego słynne prawo. Po 14 latach spędzonych w Vercelli przeniósł się do Turynu, gdzie objął stanowisko profesora matematyki i fizyki. Z powodu niepokojów politycznych i związanych z nimi sankcji nałożonych na Uniwersytet jego stanowisko w Turynie zostało zlikwidowane w roku 1822. Został emerytowanym profesorem z niewielką pensją. W roku 1832 zmiany polityczne spowodowały przywrócenie stanowisk profesorskich. Jednak A. Avogadro nie został od razu powołany na zajmowane poprzednio stanowisko, a zamiast niego zatrudniono znanego matematyka Augustina-Louisa Cauchy’ego. Po zaledwie roku spędzonym w Turynie Cauchy przeniósł się do Pragi, a w następnym roku A. Avogadro wrócił na swoje dawne stanowisko na Uniwersytecie. Pełnił tę funkcję aż do przejścia na emeryturę w wieku 74 lat, w roku 1850. Żył jeszcze sześć lat, zmarł w Turynie w 1856 roku, w wieku 80 lat.

Pomijając jego pierwszą publikację napisaną wspólnie z bratem Felice, cały jego dalszy dorobek został stworzony samodzielnie. Nie brał udziału w spotkaniach, prowadząc raczej samotniczy tryb życia, przez co z nikim nie konsultował swoich pomysłów naukowych. Jego odizolowanie wynikało z obojętności wobec spraw świata, a nie z lęku przed nim. Chociaż nie dożył czasów pełnego uznania swojego odkrycia, to w pewnym stopniu był rozpoznawany w środowisku naukowym. Jednocześnie wydaje się, że był zupełnie nieświadomy szacunku z jakim odnoszono się do jego odkryć i nigdy nie wykorzystywał swoich osiągnięć naukowych do uzyskania jakiś profitów czy to naukowych czy politycznych. Nie zawierał znajomości z wpływowymi ludźmi swojej epoki i sprawiał wrażenie osoby pozbawionej osobistych ambicji. Na tej podstawie można by wysnuć wniosek, że był odludkiem, ale takie stwierdzenie jest błędne. Ożenił się i miał sześcioro dzieci, dwóch synów i cztery córki. Tworzył ciepłe osobiste relacje i nie tylko poważnie podchodził do swoich obowiązków jako nauczyciela, ale również skutecznie przekazywał wiedzę swoim studentom. Wykazywał duże zainteresowanie losem innych, posuwając się do oświadczenia, że zrezygnuje z profesury aby jego protegowany Felice Chiò mógł uzyskać zatrudnienie. Chociaż publikował niewiele, to pozostawił po sobie 75 tomów rękopisów, każdy około 700 stronicowy, dotyczących astronomii, chemii i fizyki. Krótko mówiąc był typem wiecznego studenta, znajdującego spełnienie w rodzinie i małym kręgu przyjaciół, nie zwracającego uwagi na otaczający świat, oddany spokojnemu życiu wypełnionym kontemplacją i nauczaniem.

Istotne jest zrozumienie dwojakiej natury prawa Avogadra. Mamy tutaj stwierdzenie, że jednakowe objętości gazów, w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem, zawierają tę samą liczbę cząstek. Z drugiej strony cząstki gazu mogą składać się z więcej niż jednego atomu, jak na przykład cząsteczka azotu, która jest zbudowana z dwóch atomów tego pierwiastka. Jest to fakt tak silnie zakorzeniony we współczesnej nauce, że nikt nad tym się nie zastanawia. Natomiast w czasach A. Avogadro i późniejszych hipoteza ta była szeroko kwestionowana. Odrzucenie tej hipotezy wiązało się z rozpowszechnioną ówcześnie teorią reakcji chemicznej, opracowaną przez Jönsa Jacoba Berzeliusa, która zakładała, że poszczególne atomy mają ładunek elektryczny. Takie podejście wskazywało, że obdarzone ładunkiem atomy muszą się odpychać. J. J. Berzelius był jednym z najbardziej wpływowych chemików tamtych czasów. Z kolei A. Avogadro był nieznany szerszemu ogółowi uczonych, a jego idee, aż do czasów S. Cannizzaro, były równie niepewne i niepotwierdzone jak każde inne.

W reakcji pomiędzy gazami, takiej jak reakcja wodoru z chlorem prowadzącej do wytworzenia kwasu chlorowodorowego, okazuje się, że jedna objętość wodoru łącząc się z jedną objętością chloru tworzy dwie objętości gazowego chlorowodoru. Zakładamy, rozpatrując tę reakcje, że gazy w niej uczestniczące są dwuatomowe. W cząsteczkach atomy przyciągają się dzięki czemu ich połączenie pozostaje trwałe. W ten sposób jasnym jest, że przy powstawaniu HCl z wodoru i chloru muszą powstać dwie objętości tego gazu. W reakcji gazowych wodoru i tlenu, wynik eksperymentu pokazuje, że dwie objętości wodoru muszą połączyć się z jedną objętością tlenu aby utworzyć cząsteczkę wody. W związku z tym zakładając, że wodór i tlen są zbudowane z cząsteczek dwuatomowych to wytworzenie dwóch objętości pary wodnej jednoznacznie wskazuje, że woda ma wzór H₂O. W następnym kroku musimy sprawdzić czy ten pogląd jest zgodny ze stosunkami wagowymi substratów i produktów reakcji. Załóżmy, że ustalamy standardową objętość gazu taką, że gdy wypełnimy ją wodorem w standardowej temperaturze i pod określonym ciśnieniem, to masa wodoru w tej objętości wyniesie 2 g. W tych samych warunkach stwierdzamy, że masa chloru wynosi nieco ponad 71 gram. Eksperyment pokazuje, że masa produktu reakcji zamkniętego w pojemniku wynosi 36,5 grama. Teraz jeżeli przyjmiemy, że masa atomu wodoru wynosi 1, to masa chloru 35,5, a tym samym masa produktu, kwasu chlorowodorowego, jest równa 36,5 grama. Objętość tlenu, równa standardowej objętości wybranej dla wodoru waży 32 gramy, odpowiednio H₂O powinna mieć masę 18, co jest zgodne z doświadczeniem. Gdyby przeprowadzić kolejne eksperymenty tego rodzaju z tlenkami azotu, to wyniki jednoznacznie potwierdziłyby postawioną przez A. Avogadro hipotezę. Dodatkowo masa atomowa azotu wyznaczona na tej podstawie wynosi 14.