قانون أفوجادرو

قانون أفوجادرو (يُشار إليه أحيانًا بفرضية أفوجادرو أو مبدأ أفوجادرو ) أو فرضية أفوجادرو-أمبير هو قانون تجريبي للغازات يربط حجم الغاز بكمية المادة الموجودة فيه. ^{[ 1 ]} يُعد هذا القانون حالة خاصة من قانون الغاز المثالي . ويُمكن صياغته بصيغة حديثة: " تحتوي الأحجام المتساوية من جميع الغازات، عند نفس درجة الحرارة والضغط ، على نفس عدد الجزيئات ". ^{[ 1 ]} بالنسبة لكتلة معينة من غاز مثالي ، يتناسب حجم الغاز وكميته (عدد مولاته) تناسبًا طرديًا إذا كانت درجة الحرارة والضغط ثابتين.

سُمّي هذا القانون نسبةً إلى أميديو أفوجادرو الذي افترض عام 1811 ^{[ 2 ] [ 3 ]} أن عينتين من غاز مثالي، لهما نفس الحجم ونفس درجة الحرارة والضغط، تحتويان على نفس عدد الجزيئات . فعلى سبيل المثال، يحتوي حجمان متساويان من غازي الهيدروجين والنيتروجين على نفس عدد الجزيئات عندما يكونان عند نفس درجة الحرارة والضغط، ويُظهران سلوك الغاز المثالي . عمليًا، تُظهر الغازات الحقيقية انحرافات طفيفة عن السلوك المثالي ، وبالتالي فإن القانون ينطبق تقريبًا فقط، ولكنه يظل تقريبًا مفيدًا للعلماء.

يمكن صياغة القانون على النحو التالي:

${\displaystyle V\propto n}$

أو

${\displaystyle {\frac {V}{n}}=k}$

أين

• V هو حجم الغاز؛
• n هي كمية المادة في الغاز (مقاسة بالمولات )؛
• k ثابت لدرجة حرارة وضغط معينين.

يصف هذا القانون كيف أن الأحجام المتساوية من جميع الغازات ، في ظل نفس ظروف درجة الحرارة والضغط ، تحتوي على نفس عدد الجزيئات . ولمقارنة نفس المادة في ظل مجموعتين مختلفتين من الظروف، يمكن التعبير عن القانون بشكل مفيد كما يلي:

${\displaystyle {\frac {V_{1}}{n_{1}}}={\frac {V_{2}}{n_{2}}}}$

تُظهر المعادلة أنه كلما زاد عدد مولات الغاز، زاد حجمه بنسبة مماثلة. وبالمثل، إذا انخفض عدد مولات الغاز، انخفض حجمه أيضًا. وبالتالي، فإن عدد الجزيئات أو الذرات في حجم محدد من الغاز المثالي لا يعتمد على حجمها أو الكتلة المولية للغاز.

صِيغت فرضية أفوجادرو (كما عُرفت في الأصل) على غرار قوانين الغازات التجريبية السابقة، مثل قانون بويل (1662)، وقانون شارل (1787) ، وقانون جاي-لوساك (1808). نُشرت هذه الفرضية لأول مرة على يد أميديو أفوجادرو عام 1811، ^{[ 4 ]} وقد وفّقت بين نظرية دالتون الذرية وفكرة جوزيف لويس جاي-لوساك "المتناقضة" التي تنص على أن بعض الغازات تتكون من مواد أساسية مختلفة (جزيئات) بنسب صحيحة. ^{[ 5 ]} وفي عام 1814، وبشكل مستقل عن أفوجادرو، نشر أندريه ماري أمبير القانون نفسه بنتائج مماثلة. ^{[ 6 ]} ولأن أمبير كان أكثر شهرة في فرنسا، فقد كانت الفرضية تُشار إليها هناك عادةً باسم فرضية أمبير ، ^{[ ملاحظة 1 ]} ولاحقًا أيضًا باسم فرضية أفوجادرو-أمبير ^{[ ملاحظة 2 ]} أو حتى فرضية أمبير-أفوغادرو . ^{[ 7 ]}

أثبتت الدراسات التجريبية التي أجراها تشارلز فريدريك جيرهاردت وأوغست لوران في الكيمياء العضوية أن قانون أفوجادرو يفسر سبب تساوي حجم جزيئات الغاز عند تساوي كمياتها. ومع ذلك، أظهرت تجارب مماثلة أجريت على بعض المواد غير العضوية استثناءات ظاهرة لهذا القانون. وقد حُلّ هذا التناقض الظاهري أخيرًا على يد ستانيسلاو كانيزارو ، كما أُعلن في مؤتمر كارلسروه عام 1860، بعد أربع سنوات من وفاة أفوجادرو. وأوضح أن هذه الاستثناءات تعود إلى تفكك الجزيئات عند درجات حرارة معينة، وأن قانون أفوجادرو لا يحدد الكتل الجزيئية فحسب، بل الكتل الذرية أيضًا.

عند درجة الحرارة والضغط القياسيين (100 كيلو باسكال و273.15 كلفن )، يمكننا استخدام قانون أفوجادرو لإيجاد الحجم المولي للغاز المثالي:  

${\displaystyle V_{\text{m}}={\frac {V}{n}}={\frac {RT}{P}}\approx {\frac {\mathrm {8.3145\ {\frac {J}{mol\cdot K}}\times 273.15\ K} }{\mathrm {100\ kPa} }}\approx \mathrm {22.711\ L/mol} }$

وبالمثل، عند الضغط الجوي القياسي (101.325  كيلو باسكال) ودرجة حرارة 0 درجة مئوية (273.15 كلفن): 

${\displaystyle V_{\text{m}}={\frac {V}{n}}={\frac {RT}{P}}\approx {\frac {\mathrm {8.3145\ {\frac {J}{mol\cdot K}}\times 273.15\ K} }{\mathrm {101.325\ kPa} }}\approx \mathrm {22.414\ L/mol} }$

• قائمة القوانين التي تحمل أسماء أشخاص