Амедео Авогадро

21

Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья эдди Черрето родился 9 августа 1776 года в Турине — столице итайянской провинции. Пьемонт в семье служащого судебного ведомства Филипто Авогадро. Амедео был третий из всему детей. Предки его с XII века состояли на службе католической церкови адвокатами, и по традиции того времени их профессии и должности передавались по наследству. Когда пришла пора выбирать профессию, Амедео также занялся юридическими. В этой науке он быстро преуспел и уже в двадцать лет получило степень доктора церковного законоведения.

Юридическая практика не увлекла Амедео, его интересы были дальней от юридических. В юношеские годы он nedолго посещал так называемую школа геометрии и экспериментальной физики. Она-то и пробудила в нем любовь к этим наукам. Но, не получив достаточно систематических знаний, он вынужден был занять самообразование. Когда ему уже исполнили 25 лет, он стал все свободное время посвящать изучению физико-математических наук. Трудолюбие и настоящие принесли свои плоды: в 1803 и 1804 годах он, совместно со своим братом Феллце, представил в Туринскую академию наук две работы, просвещенные теории электрических и электрохимических явлений, за что и был избран в 1804 году членом-корреспондентом этой академии. В первой работе под названием «Аналитическая заметка об электричестве» он объяснал поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле, в частности, явление поляризации диэлектриков. Высказанные им идеи получили затем более полное развитие в работах других ученых.

22

В 1806 году Авогадро получил место репетитора в Туринском лице, а затем, в 1809 году, переводится преподавателем физики и математики в лице города Верчелли, в котором он проработал около десяти лет. В этот период он знакомится с огромным количеством научной литературы, делая многочисленные выписки из прочтанных книг и журналных статей. Эти выписки, которые он не прекращал встини до конца своих дней, составили 75 томов примерно по 700 страниц в каждой!
Содержание этих томов свидетельствует об энциклопедичности интересов Авогадро, о колосальной работе, которое он проделал, «переввалифицировану» из юриста в физика.

В сентября 1819 года Авогадро избирается членом Туринской академии наук. К этому времени он уже прибрел известность в кругу своих коллег работами в области молекулярной теории, электричеса и химии. В 1820 году королевским указам Авогадро назначается первым профессором новой кафедры высшей физики (телер бы мы сказали — математический физики) в Туринский университет.

Интересны взгляды Авогадро на преподавание физики, высказанные им при занятии этой должности. Итальянская наука в это время была еще очень слабо развита. Стремясь к тому, чтобы помочь своей родине сравнять по уровню развития естественных наук с другими европейскими странами, Авогадро наметил общирный план действия. Основная его идея заключалась в необходимости сочетания преподавания с научной деятельности. Для этого надо организовать при кафедре физики два кабинета — один для учебных занятий, другой для проверки научных открытий и проведения оригинальных исследований. Это особенно важное для тех студентов, которые решат посвятить себя преподавательской деятельности в области физико-математических наук. Научный кабинет доля

жен быть укомплектован современными приборами и соответствующим штатом сотрудников. Весьма важное также, чтобы на приобретение новых прибораров регулировно отпускались необходимые суммы, которые руководитель кафедры мог бы тратить по своему усмотрению, представляя лишь письменный отчет о произведенных расходах. Кроме того, необходимо научный журнал, в котором местные физики могли бы публикаровать свои исследования.

Эти программы идея не существует было осуществиться из-за военных и политических событий в Италии начала двадцать годов. В 1822 году, после студенческих волнений, Туринский университет был на целый год закрыт властями, а ряд его новых кафедров, в том числе и кафедра высшей физики,LINKидированы. Тем не менее, в 1923 году Авогадро получает почетный титул заслуженного профессора высшей физики и назначется старшим инспектором в палату по контролю за государственными расходами (должность финансово-юридического исследования, весы далея от науки. Вспомним, тем не менее, что Исаак Ньюотон долгие годы был директором монетного двора!). Несмотря на новые обязаности, Авогадро продолжал заниматься научными исследованиями.

В 1832 году Туринский университет вновь получил кафедру высшей физики, но ее предложили не Авогадро, а известному французскому математику Огюстену Луи Коши, покинувшем родину в 1830 году. Только спустя два года, после отъезда Коши, Авогадро смог занять эту кафедру, где и проработал до 1850 года. В этом году он ушел из университета, передав кафедру своему ученнику Феллце Кью.

Свою семейную жизнь Авогадро устроил довольно поздно, когда ему было уже за тридцать. Работая в Верчелли, он познакомился с будущей jenой Анной Марней Мацьеди Джузеппе, dochерью потариуса,

23

которая была моложе его на 18 лет.
От этого брака он имел восемь детей—двонх сыновей и шесть дочерей. Никто из них не унаследовал его профессии.

Современники в своих воспоминаниях рисунот Авогадро как человека очень сыновей и шесть дочерей. Они отмечают его доброжелательность, искренность в обращении с другими людьми. «Высокообразованный без педагогизма, мудрый без человека, презирающий роскошь, не заботящейся о богатстве, не стремяющейся к почетям, безразличный к собственным заслугам и собственной извесности, скромный, умененный, доброжелательный» — так характеризует Авогадро один из его современников. По своему безразличию к почетям он представлял редкое искусение среди ученых того времени.

После ухода из университета Авогадро неокоторое время занимал должность старшего инспектора Kontrolной палаты, а также состояние членом Высшей статистической комиссии, Высшего совета народного образования и представлением Комиссии мер и весов. Несмотря на почтенный возраст, он продолжал публикавать свои исследования в трудах Туринской академии наук. Посленяя его работа вышла из печати за три года до смерти, когда Авогадро исполлилось 77 лет. Он умер в Турине 9 июля 1856 года и похоренен в семейном склеpe в Верчелли. На следующий год после смерти Авогадро в знак признания его заслуг перед научкой в Туринском университете был установлен его бронзовый бост.

Чем же обогатил научку, в частности физику и химию, за свою долгу жизни этот замечательный человек?

Нет ничего удивительного в том, что Авогадро начал свою научную деятельности именно с изучения электрических явлений. Электричество и магнетизм давно уже привлекали внимание ученых. Этот интерес особенно

Бронзовый бост Авогадро, установленный в Туринском университете.

усилился после того, как Волта в 1800 году изобрел первый источник электрического тока (вольтов столь), а также в связи с дискусцией между Гальвани и Волта о природа электричества. Эти вопросы находились на переднем крае научки того времени, и естественно, что молодой Авогадро решил попробовать свои силы именно здесь. Работы Авогадро, посвященные разным проблемам электричества, появлялись вплоть до 1846 года. Большое внимание уделял он также исследованием в области электрохимии, пытаясь найти связь между электрическими и химическими явлениями, что приело его к созданию своего электрохимического теории. В этом отношении его исследование соприкасались с работами знаменитых химików Дэви и Берцеллиуса. Но в истории физики Авогадро вошел как открыватель одного из важнейших законов молекулярной физики.

Почти до самого конца XVIII века химия не знала никаких количественных законов. Первым таким законом стал закон сохранения массы

24

участвуоших в реакции веществ, открытий М. В. Ломоносовым в 1756 году и независимо от него Лавузье в 1774 году. В начале XIX века были открыты еще два закона — закон постоянства состава и закон кратных отношений. Первый из них утверждал, что каким бы путем ни было получено данное химическое соединение, состав его всегда один и тот же. Иными словами, при образования данного сложного вещества элементы, из которых оно состоит, всегда соединяются друг с другом так, что их массы находится в строго определенном отношении. Например, в воде относение масс водорода и кислорода всегда равно 1:8.

Второй закон указывает, что в различных химических соединениях, образованных одними и теми же элементы, массы этих элементов относится друг к другу как небольшие целые числа. Например, в различных окисах азота (N₂O, NO, N₂O₃, N₂O₅)

Титульный лист «Избранных трудов» Авогадро, изданных в 1911 году.

Для объяснения этих законов знаменитый английский химик Дальтон выдвинул гипотезу о том, что все процессы вещества (элементы) состоит из простых atoms, а сложные — из «сложных atoms», которые при химических реакциях могут распадаться на atoms простых веществ. До этого в химии не существовало четкого разграничения понятий «atom» и «молекула». Оба эти понятия были слиты воедино в термин «частица», которая рассматривалась как бесструктурая единица вещества. Дальтон составил первый табличу относительных atomsных масс элементов, прияватом массу водорода за единицу. (Как показал позднее Авогадро, эта таблица была неверной, так как Дальтон считал, что газообразный водород участвует в реакциях в виде одноатомного вещества (H), а в действительности реакции происходит с участием молекулярного водорода (H₂). По этой же причине оказались неправильными представления Дальтона о составе молекул.)

В 1808 году французский ученый Гей-Люссак, изучая реакции между газами, установил, что объем втупайоших в реакцию газов и газообразных продуктов реакции относится как небольшие целые числа. (Конецно, при этом все объемы должны быть изменены при одинаковых давлениях и температурах). Например, в реакции образования водного пара объемы водорода, кислорода и продуктов реакции относится как 1:1:2, т. е.

В реакции образования хлористого водорода объемы водорода, хлорз и продуктов реакции относится как 1:1:2, т. е.

1 + 1 = 2
объем водорода
объем хлора
объем хлористого водорода

25

Согласно представлениям Дальтона указанные реакции должны выглудеть так:

$$2\text{H} + \text{O} = \text{H}_2\text{O}, \quad \text{H} + \text{Cl} = \text{HCl}.$$

При этом должны быть образоваться по одному объему паров воды и хлористого водорода. Так что согласовать опытные данные Гей-Люссака с теорией Дальтона было невозможно.

В такой ситуации и появилась в 1811 году статья Авогадро «Очерк метода определения относительных масс элементов молекул тел и пропорций, согласно которым они входят в соедининия». Излагая основные представления молекулярной теории, Авогадро показал, что она не только не противоречит данным, полученным Гей-Люссаком, но направив, прекрасно согласуется с ним и открывает возможность точно определения atomных масс, состава молекул и характера происходящих химических реакций. Для этого прежде всего необходимо предположить, что молекулы водорода, кислорода, хлора и неокторых других простых веществ состоит не из одного, а из двух atomов.

В этой же работе Авогадро пришел к следующему важному заключению: «…число… молекул всегда одно и то же в одинаковых объемах любых газов». (Разумеется, что объемы изменены при одинаковых давлениях и температурах.)

Далее он писал, что теперь «имеется средство очень легкого определения относительных масс молекул тел, которые можно получить в газообразном состоянии, и относительно числа молекул в соедининиях».

В самом деле, относение масс молекул таково же, как и относение плотности газов при одинаковых давлениях и температурах. Если у нас есть два разных газа, массы которых равны $M_1$ и $M_2$, а объемы, измененные при одинаковых температурах и давлениях, соответственно

$$V_1 \text{ и } V_2,$$

то, следуя Авогадро, мы можем написать такое соответствие:

$$\frac{M_1}{M_2} = \frac{m_1 N_1}{m_2 N_2},$$

(1)

где $m_1$ и $m_2$ — массы молекул первого и второго газов, а $N_1$ и $N_2$ — число таких молекул в объемах $V_1$ и $V_2$. Разделив в этом выражении числители обихедей на $V_1$, а значенатели на $V_2$, получим:

$$\frac{\frac{M_1}{V_1}}{\frac{M_2}{V_2}} = \frac{m_1 \frac{N_1}{V_1}}{m_2 \frac{N_2}{V_2}}.$$

(2)

Но $M_1/V_1$ и $M_2/V_2$ — плотности газов $\rho_1$ и $\rho_2$, а $N_1/V_1$ и $N_2/V_2$ — числа молекул в единице объема. Согласно Авогадро $\frac{N_1}{V_1} = \frac{N_2}{V_2}$. При этом соответствие (2) принимает следующий вид:

$$\frac{\rho_1}{\rho_2} = \frac{m_1}{m_2}.$$

Авогадро приводит такой пример: плотности кислорода и водорода равны 1,10359 и 0,07321 (за единицу принята плотность атмосферного воздуха). Следовательно, относение масс молекул кислорода и водорода принимает $\frac{1,10359}{0,07321} \approx \frac{15}{1}$.

Из опытов Гей-Люссака следует, что для образования двух каких-либо одинаковых объемов водяного пара необходимо два таких же объема водорода и один объем кислорода. Значит, на каждую молекул кислорода приходится по две молекулы водорода. Если бы молекулы водорода и кислорода состояли из одного атома, то мы имели бы реакцию $2\text{H} + \text{O} = \text{H}_2\text{O}$, в результате которой из двух объемов водорода и одного объема кислорода получился бы один объем воды. Но это противоречит результаты опытов Гей-Люссака. Следовательно, приходится предположить

26

что в каждом элементарном акте реакции возникает по две молекулы воды (2H₂O), а молекулы кислорода и водорода содержат по два атома (O₂ и H₂). Так мы приходим к правильной формуле реакции:

$$2H_2 + O_2 = 2H_2O.$$

Эта хорошего нам знакомая формула впервые была получена Авогадро.

В 1814 году появляется второй статья Авогадро «Очерк об относительных массах молекул простых тел, или предполагаемых плотностях их газа, и о конституции некоторых из их соедининий». Здесь четко формулируется закон Авогадро: «…равные объемы газообразных веществ при одинаковых давлениях и температуре отвечают равному числу молекул, так что плотности различных газов представляют собой меру масс молекул соответствующих газов». Далее в статье рассматривается приложения этого закона для определения состава молекул многочисленных неорганических веществ.

Так как молярная масса (масса одного моля вещества) пропорциональна массе отдельной молекулы, то закон Авогадро можно формулировать как утверждение, что моль любого вещества в газообразном состоянии при одинаковых температуре и давлениях занимает один и тот же объем. Как показали эксперименты, при нормальных условиях ($p=1\text{ amm}, t=0^\circ\text{C}$) он равен 22,414 л. Число молекул в грамм-молекULE любого вещества одинаково. Оно получило название числа Авогадро. Его принято обозначать буквой $N_A$. По современным данным

$$N_A = 6,022094 \cdot 10^{23} \text{ mol}^{-1}.$$

Это число — одна из важнейших универсальных постоянных современной физики и химии. Она использует при определении ряда других универсальных постоянных, например, постоянной Больцмана, постоянной Фарадея и т.п.

Число Авогадро можно определить многоими независными друг от друга методами. Прекрасное совпадение полученных при этом значений является убедительным доказательством реального молекул и справедливости молекулярно-кинитической теории.

В 1821 году в статье «Новые сообщения о теории определенных пропорций в соединениях и об определении масс молекул тел» Авогадро поделил итог своей почты десятилетней работы в области молекулярной теории и распространил свой метод определения состава молекул на цельный ряд организаческих веществ. В этой же статье он показал, что другие химики, прежде всего Дальтон, Дэви и Берцелуус, не знакомые с его работами, продолжают придерживаться неверных взглядов на природу многих химических соединений и характер пропускания между ними реакций.

Эта работа интересна еще в одном отношении: в ней впервые встречается имя Ампера, по выражению Авогадро, «одного из самых искусных физков наших дней», в связи с его исследованием в области молекулярной теории. Эту сторону деятельности Ампера обычно не упоминают, поскольку егоаслужи в области электронная математики затмевают все остальные работы. Тем не менее, Ампер работал и в области молекулярной физики и неависимо от Авогадро (но несколько позже) приSEL к некоторым из идеи, высказанных Авогадро. В 1814 году Ампер опубликовал письмо к химку Бертолле, в котором формулировал положение, по существу совпадающее с законом Авогадро. Здесь же он указывает, что соответствующая работа Авогадро стала ему известна уже после написания письма к Бертолле.

Чтобы закончить расссказ о работах Авогадро в области молекулярной теории, отметим, что в 1837—1841 года он издал четЫреxtомное сочинение «Физика весомых тел, или практиат об общей конституции тел».