La constante de Avogadro , comúnmente denotada como N A [1] o L [2], es una constante definitoria del SI con un valor exacto de6.022 140 76 × 10 23 mol −1 ( moles recíprocos ). [3] [4] Se define como el número de partículas constituyentes (generalmente moléculas , átomos , iones o pares de iones) por mol ( unidad SI ) y se utiliza como factor de normalización en la cantidad de sustancia en una muestra. En el análisis dimensional SI de unidades de medida, la dimensión de la constante de Avogadro es el recíproco de la cantidad de sustancia, denotada N −1 . El número de Avogadro , a veces denotado N 0 , [5] [6] es el valor numérico de la constante de Avogadro (es decir, sin unidad), es decir, el número adimensional 6.022 140 76 × 10 23 ; el valor elegido en función del número de átomos en 12 gramos de carbono-12 en consonancia con la definición histórica de un mol. [1] [7] La constante recibe su nombre en honor al físico y químico italiano Amedeo Avogadro (1776–1856).
La constante de Avogadro N A es también el factor que convierte la masa promedio ( ) de una partícula, en gramos , a la masa molar ( ) de la sustancia, en gramos por mol (g/mol). [8] Es decir, .
La constante N A también relaciona el volumen molar (el volumen por mol) de una sustancia con el volumen medio nominalmente ocupado por una de sus partículas, cuando ambos se expresan en las mismas unidades de volumen. Por ejemplo, dado que el volumen molar del agua en condiciones ordinarias es de aproximadamente 18 mL /mol , el volumen ocupado por una molécula de agua es de aproximadamente 18/(6,022 × 1023 ) mL, o aproximadamente0,030 nm 3 ( nanómetros cúbicos ). Para una sustancia cristalina , N 0 relaciona el volumen de un cristal con un mol de celdas unitarias repetidas con el volumen de una sola celda (ambos en las mismas unidades).
La constante de Avogadro se derivó históricamente de la antigua definición del mol como la cantidad de sustancia en 12 gramos de carbono-12 ( 12 C); o, equivalentemente, el número de daltons en un gramo, donde el dalton se define como 1/12 de la masa de un átomo de 12 C. [9] Según esta antigua definición, el valor numérico de la constante de Avogadro en mol −1 (el número de Avogadro) era una constante física que debía determinarse experimentalmente.
La redefinición del mol en 2019, como la cantidad de sustancia que contiene exactamente6.022 140 76 × 10 23 partículas, [7] significaba que la masa de 1 mol de una sustancia es ahora exactamente el producto del número de Avogadro y la masa media de sus partículas. El dalton, sin embargo, todavía se define como 1/12 de la masa de un átomo de 12 C, que debe determinarse experimentalmente y se conoce solo con precisión finita . Los experimentos anteriores que apuntaban a determinar la constante de Avogadro ahora se reinterpretan como mediciones del valor en gramos del dalton.
Según la antigua definición de mol, el valor numérico de un mol de una sustancia, expresado en gramos, era exactamente igual a la masa media de una partícula en daltons. Con la nueva definición, esta equivalencia numérica ya no es exacta, pues se ve afectada por la incertidumbre del valor del dalton en unidades del SI. Sin embargo, sigue siendo aplicable a todos los efectos prácticos. Por ejemplo, la masa media de una molécula de agua es de unos 18,0153 daltons, y la de un mol de agua es de unos 18,0153 gramos. Asimismo, el número de Avogadro es el número aproximado de nucleones ( protones y neutrones ) en un gramo de materia ordinaria .
En la literatura más antigua, el número de Avogadro también se denotaba como N , [10] [11] aunque eso entra en conflicto con el símbolo del número de partículas en la mecánica estadística .
La constante de Avogadro debe su nombre al científico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856), quien, en 1811, propuso por primera vez que el volumen de un gas (a una presión y temperatura determinadas) es proporcional al número de átomos o moléculas, independientemente de la naturaleza del gas. [12]
La hipótesis de Avogadro fue popularizada cuatro años después de su muerte por Stanislao Cannizzaro , quien defendió el trabajo de Avogadro en el Congreso de Karlsruhe en 1860. [13]
El nombre de número de Avogadro fue acuñado en 1909 por el físico Jean Perrin , quien lo definió como el número de moléculas en exactamente 32 gramos de gas oxígeno . [14] El objetivo de esta definición era hacer que la masa de un mol de una sustancia, en gramos, fuera numéricamente igual a la masa de una molécula en relación con la masa del átomo de hidrógeno; que, debido a la ley de proporciones definidas , era la unidad natural de masa atómica, y se suponía que era 1/16 de la masa atómica del oxígeno.
El valor del número de Avogadro (aún no conocido con ese nombre) fue obtenido por primera vez indirectamente por Josef Loschmidt en 1865, al estimar el número de partículas en un volumen dado de gas. [15] Este valor, la densidad numérica n 0 de partículas en un gas ideal , ahora se llama constante de Loschmidt en su honor, y está relacionada con la constante de Avogadro, N A , por
donde p 0 es la presión , R es la constante de los gases y T 0 es la temperatura absoluta . Debido a este trabajo, a veces se utiliza el símbolo L para la constante de Avogadro, [16] y, en la literatura alemana , ese nombre puede usarse para ambas constantes, distinguiéndolas solo por las unidades de medida . [17] (Sin embargo, N A no debe confundirse con la constante de Loschmidt, completamente diferente, en la literatura en idioma inglés).
El propio Perrin determinó el número de Avogadro mediante varios métodos experimentales diferentes. En 1926 recibió el Premio Nobel de Física , en gran medida por este trabajo. [18]
La carga eléctrica por mol de electrones es una constante llamada constante de Faraday y se conoce desde 1834, cuando Michael Faraday publicó sus trabajos sobre electrólisis . En 1910, Robert Millikan con la ayuda de Harvey Fletcher obtuvo la primera medida de la carga de un electrón . Dividiendo la carga de un mol de electrones por la carga de un solo electrón se obtuvo una estimación más precisa del número de Avogadro. [19]
En 1971, en su 14ª conferencia, la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) decidió considerar la cantidad de sustancia como una dimensión independiente de medida , con el mol como su unidad base en el Sistema Internacional de Unidades (SI). [16] En concreto, el mol se definió como una cantidad de una sustancia que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 12 gramos ( 0,012 kilogramos ) de carbono-12 ( 12 C). [9] Así, en particular, un mol de carbono-12 era exactamente 12 gramos del elemento.
Según esta definición, un mol de cualquier sustancia contenía exactamente tantas entidades elementales como un mol de cualquier otra sustancia. Sin embargo, este número N 0 era una constante física que debía determinarse experimentalmente, ya que dependía de la masa (en gramos) de un átomo de 12 C y, por lo tanto, solo se conocía hasta un número limitado de dígitos decimales. [16] La regla empírica común de que "un gramo de materia contiene N 0 nucleones" era exacta para el carbono-12, pero ligeramente inexacta para otros elementos e isótopos.
En la misma conferencia, el BIPM también denominó a N A (el factor que convertía los moles en número de partículas) como " constante de Avogadro ". Sin embargo, el término "número de Avogadro" siguió utilizándose, especialmente en trabajos introductorios. [20] Como consecuencia de esta definición, N A no era un número puro, sino que tenía la dimensión métrica del recíproco de la cantidad de sustancia (mol −1 ).
En su 26ª Conferencia, el BIPM adoptó un enfoque diferente: a partir del 20 de mayo de 2019, definió la constante de Avogadro N A como el valor exacto6.022 140 76 × 10 23 mol −1 , redefiniendo así el mol exactamente como6.022 140 76 × 10 23 partículas constituyentes de la sustancia en cuestión. [21] [7] Una consecuencia de este cambio es que la masa de un mol de 12 átomos de C ya no es exactamente 0,012 kg. Por otro lado, el dalton ( también conocido como unidad de masa atómica universal) permanece inalterado como 1/12 de la masa de 12 C. [22] [23] Por lo tanto, la constante de masa molar permanece muy cerca, pero ya no exactamente igual a 1 g/mol, aunque la diferencia (4,5 × 10 −10 en términos relativos, a marzo de 2019) es insignificante para todos los fines prácticos. [7] [1]
La constante de Avogadro N A está relacionada con otras constantes y propiedades físicas.
