در شیمی، اندازه گیری دقیق و دقیق مقدار ماده تقریباً در هر کار بسیار مهم است، به همین دلیل است که موضوع مهمی در سطح A است.

اندازه گیری کلید تجزیه و تحلیل مواد است و همچنین در سنتز مواد نیز به همان اندازه مهم است. انواع مختلفی از اندازه گیری ها، واحدها و مفاهیم در تعیین مقدار ماده استفاده می شود. اینها شامل جرم، حجم، چگالی، وزن اتمی، مول و عدد آووگادرو است.

استاندارد اندازه گیری

شیمی به اندازه‌گیری‌هایی نیاز دارد تا اعتبارسنجی از طریق بررسی همتایان امکان‌پذیر شود. داده های کمی تسهیل می کند تکرارپذیری آزمایش‌ها و تکرارپذیری نتایج.

برخلاف ریاضیات محض و فیزیک نظری، شیمی در رویکرد خود بسیار تجربی است. در حالی که برخی از تقریب ها و خطاها در اندازه گیری ها اجتناب ناپذیر است، آنها را می توان در محدوده معقولی از درجات خطا قرار داد.

با این حال، بدون مجموعه استاندارد اندازه‌گیری، تکرار آزمایش‌ها و تکرارپذیری نتایج اگر غیرممکن نباشد، بسیار دشوار خواهد بود. خوشبختانه، شیمیدانان و دانشمندان دیگر یک استاندارد بین المللی برای اندازه گیری ابداع کرده اند: سیستم متریک.

همچنین به عنوان سیستم بین المللی واحدها (SI) شناخته می شود، سیستم متریک مقدار ماده را در پایه ده بیان می کند. این یک راه راحت تر برای تبدیل واحدها به واحدهای کوچکتر یا بزرگتر است. همچنین از ناهنجاری و پیچیدگی تبدیل واحدها در سیستم شاهنشاهی جلوگیری می کند. به عنوان مثال، کیلوگرم را می توان به راحتی با ضرب عدد در 1000 به گرم تبدیل کرد. برعکس، برای تبدیل گرم به کیلوگرم، فقط باید عدد را بر 1000 تقسیم کنید.

از سوی دیگر، در سیستم امپراتوری، هیچ عدد پایه مشخصی برای همه انواع مختلف اندازه‌گیری وجود ندارد. به عنوان مثال، تبدیل پوند به اونس کمی سخت است: باید یک پوند را در 16 ضرب کنید. اگر بخواهید پوند را به کیلوگرم تبدیل کنید، که شامل ضرب واحد پوند در 0.45359237 می شود، سخت تر می شود.

برای سطح شیمی A، از این سه واحد اندازه گیری مهم در تعیین میزان استفاده می شود مقدار ماده:

• کیلوگرم (و مشتقات آن) برای جرم: این تقریباً معادل جرم 1000 سانتی متر مکعب آب خالص در دمای اتاق و در یک فشار اتمسفر تعریف می شود. تعریف فنی تر و دقیق تر شامل ثابت پلانک و سرعت نور

• لیتر (و مشتقات آن) برای حجم: واحد SI حجم در واقع متر مکعب است که یک واحد مشتق شده است. این تقریباً معادل 1 کیلوگرم آب خالص در دمای اتاق و در یک فشار اتمسفر است. لیتر و میلی لیتر بیشتر در محیط های آزمایشگاهی هنگام اندازه گیری مایعات با استفاده از سیلندرهای مدرج و سایر ظروف شیشه ای مدرج استفاده می شود.

• تراکم: چگالی صرفاً نسبت بین جرم در واحد حجم است. بنابراین، یک واحد مشتق شده است. برای تعیین مقدار ماده در یک فضای معین بسیار مفید است. همچنین پیش بینی خوبی برای امتزاج پذیری و شناوری است. به عنوان مثال، هیدروکربن ها چگالی کمتری نسبت به آب دارند، به همین دلیل است که نفت روی آب شناور می شود.

شماره آووگادرو

Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro یک اشراف ایتالیایی (کنت Quaregna و Cerreto – اما این چیزی است که احتمالاً نیازی نیست برای امتحان شیمی سطح A خود به خاطر بسپارید) و دانشمندی بود که اکنون به دلیل این ثابت که به افتخار او نامگذاری شده است به طور گسترده شناخته شده است. شماره آووگادرو، که 6.02214154 x 10 است²³ ذرات در هر مول، از روی شمارش ایتالیایی نامگذاری شده است – اما نه به این دلیل که او کسی بود که آن را مشتق کرد.

آووگادرو به خاطر سهم مهمش در تئوری مولکولی شناخته می شود، سهمی که امروزه به آن معروف است قانون آووگرادرو. این قانون بیان می کند که تعداد مولکول ها در گازهای هم حجم تحت فشار و دمای یکسان برابر است.

آووگادرو در سال 1856 درگذشت، اما بیش از نیم قرن طول کشید تا از عبارت عدد آووگادرو استفاده شود. در واقع، این فیزیکدان فرانسوی ژان باپتیس پرین بود که این اصطلاح را در سال 1909 ابداع کرد. او اولین تخمین این عدد را بر اساس تحقیقات خود در مورد حرکت براونی.

تکنیک های مختلفی در طول دهه ها برای استخراج عدد آووگادرو توسعه یافته است. تعیین دقیق عدد مستلزم دقت بالایی از نظر اندازه‌گیری یک مقدار خالص از یک عنصر یا ترکیب در مقیاس اتمی و ماکروسکوپی است. برای بدست آوردن تناسب صحیح باید از همان واحد اندازه گیری استفاده شود. از آنجا می توان عدد را محاسبه کرد.

اندازه گیری های میلیکان

فیزیکدان آمریکایی، رابرت میلیکان، اولین کسی بود که ثابت آووگادرو را در کارش در تعیین بار الکترون اندازه گیری کرد. در معروف او آزمایش قطرات روغنمیلیکان توانست به طور دقیق بار یک الکترون را اندازه گیری کند که جایزه نوبل را در سال 1923 برای او به ارمغان آورد.

با این حال، بار یک مول الکترون قبل از اندازه گیری میلیکان شناخته شده بود. از آن به عنوان واحد شارژ فارادی یا ثابت فارادی، به نام دانشمند انگلیسی مایکل فارادی.

علاوه بر این، جی جی تامسون قبلاً نسبت جرم به بار الکترون را کشف کرده بود، اما مقادیر واقعی جرم و بار ناشناخته بودند. بنابراین، آزمایش های Millikan راه را برای اندازه گیری جرم الکترون ها و سایر ذرات زیراتمی هموار کرد. به نوبه خود، شماره آووگادرو به طور دقیق مشخص شد.

روشهای محاسباتی

بهترین تخمین فعلی ما از عدد آووگادرو بر اساس مقدار فارادی و بار اندازه گیری شده یک الکترون است:

• فارادی = 96485.3383 کولن بر مول الکترون
• شارژ الکترون = 1.60217653 x 10^-19 کولن در هر الکترون

به سادگی با تقسیم بار یک مول الکترون (ثابت فارادی) بر بار یک الکترون، عدد آووگادرو را به دست خواهید آورد.

هر دو مقدار ثابت فارادی و بار الکترون به صورت تجربی تعیین می شوند. مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) از جمله مؤسساتی است که استانداردهای اندازه گیری شیمی را تعیین می کند، که همچنین دقیق ترین و به روزترین اندازه گیری مقادیری مانند بار الکترون را ارائه می دهد.

برای تعیین عدد آووگادرو از تکنیک های پراش اشعه ایکس نیز استفاده می شود. در اینجا، چگالی یک نمونه فوق خالص از یک ماده در مقیاس ماکروسکوپی اندازه گیری می شود. سپس، چگالی همان نمونه در مقیاس میکروسکوپی با استفاده از پراش اشعه ایکس بر اساس ساختار کریستالی ماده اندازه گیری می شود.

مولاریته ماده

عدد آووگادرو مستقیماً با جرم مولی یک ماده یا محلول مرتبط است. به ویژه در محاسبه غلظت یک ماده مفید است. مولاریته تعداد مول ها در یک لیتر محلول است و در محاسبه مقدار واکنش دهنده های مورد نیاز برای تولید مقدار مشخصی محصول بسیار مهم است.

یک مول از هر ماده از نظر تعداد ذرات آن ماده که می تواند اتم یا مولکول باشد با عدد آووگادرو برابر است. این یک روش دقیق برای پیش‌بینی واکنش‌های شیمیایی بر اساس معادله متعادل است. قانون مولاریته در همه انواع محلول ها اعم از مایع، گاز و یا حتی جامد قابل اجرا است.

به دنبال منابع بیشتری در سطح A شیمی هستید؟ راهنمای بازبینی و سایر مقالات ما را بررسی کنید.