La constante de Avogadro , comúnmente denominada N A [1] o L , [2] es una constante que define el 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 o iones ) por mol ( unidad SI ) y se utiliza como factor de normalización en la cantidad de sustancia en una muestra. En la práctica, su valor suele aproximarse a 6,02×10 23 mol -1 o 6,022×10 23 mol -1 . [5] La constante lleva el nombre del físico y químico 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). [6]
La constante N A también relaciona el volumen molar (el volumen por mol) de una sustancia con el volumen promedio nominalmente ocupado por una de sus partículas, cuando ambos se expresan en las mismas unidades de volumen. Por ejemplo, dado que el volumen molar de agua en condiciones ordinarias es aproximadamente 18 ml /mol , el volumen ocupado por una molécula de agua es 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 (ambas en las mismas unidades).
En el análisis dimensional SI de unidades de medida, la dimensión de la constante de Avogadro es el recíproco de la cantidad de sustancia . El número de Avogadro , a veces denominado N 0 , [7] [8] es el valor numérico de la constante de Avogadro (es decir, sin unidades), es decir, el número adimensional 6.022 140 76 × 10 23 . [1] [9]
La constante de Avogadro se derivó históricamente de la antigua definición de mol como la cantidad de sustancia en 12 gramos de carbono-12 ( 12 C); o, de manera equivalente, el número de daltons en un gramo, donde el dalton se define como 1 ⁄ 12 de la masa de un átomo de 12 C. [10] Según esta antigua definición, el valor numérico de la constante de Avogadro en mol -1 (el número de Avogadro) era una constante física que tenía que determinarse experimentalmente.
La redefinición del mol en 2019, como la cantidad de sustancia que contiene exactamente6,022 140 76 × 10 23 partículas, [9] significaba que la masa de 1 mol de una sustancia ahora es exactamente el producto del número de Avogadro y la masa promedio de sus partículas. Sin embargo, el dalton todavía se define como 1 ⁄ 12 de la masa de un átomo de 12 C, que debe determinarse experimentalmente y sólo se conoce con una precisión finita . Los experimentos anteriores que tenían como objetivo 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 la masa de un mol de una sustancia, expresado en gramos, era exactamente igual a la masa promedio de una molécula (o átomo) de la sustancia en daltons. Con la nueva definición, esta equivalencia numérica deja de ser exacta, y queda afectada por la incertidumbre del valor del dalton; pero todavía es válido para todos los propósitos prácticos. Por ejemplo, la masa promedio de una molécula de agua es de aproximadamente 18,0153 daltons y la de un mol de agua es de aproximadamente 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 por N , [11] [12] aunque eso entra en conflicto con el símbolo del número de partículas en la mecánica estadística .
La constante de Avogadro lleva el nombre del 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. [13]
La hipótesis de Avogadro fue popularizada por Stanislao Cannizzaro , quien defendió el trabajo de Avogadro en el Congreso de Karlsruhe en 1860, cuatro años después de su muerte. [14]
El nombre de número de Avogadro fue acuñado en 1909 por el físico Jean Perrin , quien lo definió como el número de moléculas que hay exactamente en 32 gramos de oxígeno gaseoso. [15] 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 con respecto a 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, estimando el número de partículas en un volumen dado de gas. [16] 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 del gas y T 0 es la temperatura absoluta . Debido a este trabajo, el símbolo L se usa a veces para la constante de Avogadro [17] y, en la literatura alemana , ese nombre puede usarse para ambas constantes, distinguiéndose únicamente por las unidades de medida . [18] (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. Fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1926 , en gran parte por este trabajo. [19]
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 . Dividir la carga de un mol de electrones por la carga de un solo electrón proporcionó una estimación más precisa del número de Avogadro. [20]
En 1971, en su 14ª conferencia, la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) decidió considerar la cantidad de sustancia como una dimensión de medida independiente , con el mol como su unidad base en el Sistema Internacional de Unidades (SI). [17] Específicamente, 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). [10] 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 moléculas como un mol de cualquier otra sustancia. Sin embargo, este número N 0 (aproximadamente 6,022×10 23 ) 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, sólo era conocida por un número limitado de personas. número de dígitos decimales. [17] La regla general 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 nombró a N A (el factor que convertía los moles en número de partículas) la " constante de Avogadro ". Sin embargo, el término "número de Avogadro" siguió utilizándose, especialmente en los trabajos introductorios. [21] 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 exactamente6.022 140 76 × 10 23 partículas constituyentes de la sustancia considerada. [22] [9] 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 sin cambios como 1 ⁄ 12 de la masa de 12 C. [23] [24] Por lo tanto, la constante de masa molar permanece muy cercana pero ya no es exactamente igual a 1 g/mol, aunque la diferencia (4,5 × 10 −10 en términos relativos, a marzo de 2019) es insignificante a todos los efectos prácticos. [9] [1]
La constante de Avogadro N A está relacionada con otras constantes y propiedades físicas.
