Amadeo Avogadro

(1776-1856)

Tanulmány testek elemi molekulái relatív tömegének egy meghatározási módjáról és az arányokról, amelyekben ezek a molekulák a vegyületeket felépítik

Journal de Physique, 1811 [from William Cecil Dampier-Whetham & Margaret Dampier-Whetham, eds., Cambridge Readings in the Literature of Science (Cambridge, UK: Cambridge, 1924) (translation: Alembic Club Reprint No. 4)]

(A cikk az eredeti közlemény rövidített változata.)



I.

Gay-Lussac úr egy érdekes tanulmányában megmutatta, hogy a gázok mindig egyszerû térfogatarányokban egyesülnek, és amikor az egyesülés terméke gáz, annak térfogata igen egyszerûen függ alkotói térfogatától. Úgy tûnik mármost, hogy a vegyületekben szereplõ anyagok kvantitatív aránya csak a kombinálódó molekulák számarányától, valamint a keletkezõ  összetett molekulák számától függ. A gázalakú anyagok térfogatai, beláthatóan, igen egyszerû kapcsolatban állanak az õket alkotó egyszerû vagy összetett molekulák számával. Az elsõ, ezzel kapcsolatban felvetõdõ és szemmel láthatóan az egyetlen elfogadható hipotézis, miszerint az egész molekulák* száma bármely gázban azonos térfogatban mindig azonos és mindig arányos a térfogattal. Ha ugyanis azt tételeznénk fel, hogy a molekulák száma egy adott térfogatban különbözõ gázok esetén különbözõ, aligha állíthatnánk, hogy a molekulák távolságát szabályozó törvény minden esetben olyan egyszerû arányokat ad, mint amelyeket az imént vázolt tények a térfogat és a molekulák számának összefüggésérõl elénk tárnak.

Ebbõl a hipotézisbõl kiindulva látható, hogy igen kényelmes meghatározási mód adódik gázállapotú anyagok molekulái relatív tömegének meghatározására, valamint ezen molekulák vegyületekbeni relatív számának megállapítására, mivel a molekulák tömegének aránya azonos hõmérsékleten és nyomáson megegyezik a különbözõ gázok sûrûségének arányával, és valamely vegyület molekuláinak relatív száma egybõl adódik az alkotó gázok térfogatarányából. Az 1,1359 és a 0,07321 számok például az oxigén- és a hidrogéngáz sûrûségét fejezik ki, levegõre, mint egységre vonatkoztatva, a két szám aránya következésképpen megadja a két gáz tömegének arányát azonos térfogatban. Elméletünk szerint ez az arány egyben a molekulák tömegének arányát is kifejezi. Így az oxigénmolekulák tömege mintegy 15-szöröse a hidrogénmolekulák tömegének, vagy pontosabban az arány 15,074 : 1. Hasonlóan a nitrogénmolekula tömege 0,96913 : 0,07321, azaz 13 : 1 arányban áll a hidrogénéhez, így 13-szorosa, pontosabban 13,238-szorosa. Másrészrõl, miután tudjuk, hogy a hidrogén és oxigén térfogatainak aránya a víz képzõdéskor 2 : 1, következik, hogy a víz minden molekulája 1 molekula oxigén és 2 molekula hidrogén egyesülésével keletkezik. Hasonlóan okoskodva, azokból a térfogatarányokból kiindulva, amelyeket Gay-Lussac úr állapított meg az ammónia, a nitrogén-oxid, a nitrózus gáz és a salétromsav elemeibõl való képzõdésekor, az ammónia egy molekula nitrogén és három molekula hidrogén egyesülésébõl származik, a nitrogén-oxid egy molekula oxigén és két molekula nitrogén, a nitrózus gáz egy molekula nitrogén és egy molekula oxigén, a salétromsav egy molekula nitrogén és két molekula oxigén egyesülésekor keletkezik.

II.

Van egy megfigyelés, amely összetett anyagok esetében elsõ pillanatban ellene szól hipotézisünk elfogadásának. Úgy tûnik, hogy valamely, két vagy több elemi molekulából felépülõ molekula tömegének meg kellene egyeznie ezen molekulák tömegének összegével. Ha egy vegyületben, példaképpen, az elsõ alkotó anyag egy molekulája egy második alkotó anyag két vagy több molekulájával egyesül, az összetett molekulák számának meg kellene egyeznie az elsõ anyag molekuláinak számával. Ennek megfelelõen, elméletünk szerint, ha egy gáz egy, a saját térfogatának kétszeres, vagy többszörös térfogatában jelen levõ másik gázzal egyesül, a kapott vegyületnek, ha gáznemû, az elsõ gáz térfogatával megegyezõ térfogatban kell keletkeznie. Nos, általában nem ez a helyzet. Mint azt Gay-Lussac úr megmutatta, a víz térfogata gázállapotban például kétszer akkora, mint az õt felépítõ oxigén térfogata, vagy ami ugyanaz: egyenlõ a hidrogénével, ahelyett, hogy az oxigénével egyezne. Az ilyen jellegû tények megmagyarázására természetesen adódik azonban egy magyarázat, amelyik egyezésben van elméletünkkel. Azt tételezzük fel nevezetesen, hogy bármely egyszerû gázban (tehát amelyben a molekulák olyan távolságra vannak, hogy nem tudnak egymásra kölcsönösen hatást gyakorolni) az alkotó molekulák nem magányos elemi molekulákból állnak, hanem azokat bizonyos számú ilyen molekula alkotja, amelyeket vonzás egyesít egyetlenné. Továbbá, ha egy másik anyag molekulái egyesülnek az elôbbivel, valamely összetett molekulát eredményezve, a keletkezett egész molekula szét fog esni két vagy több részre (vagy egész molekulára), amely fele-, negyedannyi stb. számú elemi molekulát tartalmaz (mely az elsõ anyag alkotó molekuláját fogja alkotni) vegyülve a második anyag fele, negyed stb. számú alkotó molekulájával ahhoz képest, amennyinek az elsõ anyag egy alkotó molekulájával kombinálódnia kellene (vagy ami ugyanaz, amennyinek a második anyag feleannyi, negyedannyi molekulájával kellene vegyülnie). Így a vegyület egész molekuláinak száma kétszerese, négyszerese stb. lesz annak, mint aminek akkor kellene lennie, ha a molekula nem hasadt volna fel és pontosan annyi, amennyi ahhoz szükséges, hogy a keletkezõ gáz térfogatát megmagyarázza.

Így például a víz teljes molekulája 1/2 molekula oxigénbõl és egy molekula hidrogénbõl áll, vagy ami ugyanaz, két fél molekula hidrogénbõl.

Áttekintve az általánosan ismert, különbözõ összetett gázokat, csak a térfogat megduplázódására találtam példát. A térfogat itt az egyik összetevõ egységnyi térfogata, amely a másiknak egy vagy több térfogatával vegyül. Ezt víz esetében már láttuk. Hasonlóan tudjuk, hogy az ammóniagáz térfogata kétszerese az õt felépítõ nitrogénének. Gay-Lussac úr megmutatta, hogy a nitrogén-oxid térfogata megegyezik a részét képezõ nitrogénével, következésképpen kétszerese az oxigénének. Végezetül a nitrózus gáz, amelyik azonos térfogatú oxigénbõl és nitrogénbõl áll, olyan térfogatú, amelyik megegyezik a két alkotó gázéval, ami azt jelenti, hogy kétszerese mindegyiknek. Ezért minden ilyen esetben a molekuláknak két részre kell szétesniük, de lehetséges, hogy más esetekben négyszeres, nyolcszoros stb. szétesésnek kell végbemennie. Az összetett molekulák szétesésének lehetõségét a priori fel lehetett volna tételezni; máskülönben a több alkotóból álló testek viszonylag nagy számú molekulából álló egész molekulái feltûnõen nagy tömegûek lennének az egyszerû anyagok molekuláihoz képest. Elképzelhetjük tehát, hogy a természetnek van valami módja arra, hogy visszahozza amazokat az utóbbiak nagyságrendjébe, és a tények éppen ilyen létezések mellett szólnak. Emellett van egy másik szempont is, amely arra indíthat bennünket, hogy feltételezzük a szétesést. Mi módon lehetne másképpen két azonos térfogatú gázalakú anyag valóságos egyesülését elképzelni kondenzáció nélkül, mint ahogyan az a nitrózus gáz képzõdésénél megtörténik. Feltéve, hogy a molekulák olyan távolságban maradnak egymástól, hogy a kölcsönös vonzás a két gáz molekulái között nem lép fel, nem tudjuk elképzelni, hogy új vonzás lépjen fel egy gáz molekulái és egy másik gáz molekulái között. Ha azonban a molekulák szétesésének hipotézisére támaszkodunk, könnyû belátni, hogy egy kombináció ténylegesen két különbözõ molekulát eggyé redukál, és a gázok egyike teljes térfogat-kontrakciójának kellene következnie, ha minden összetett molekula nem hasadna fel két ugyanolyan természetû molekulává. ...

III.

Dalton önkényes feltételezésekre támaszkodva, nevezetesen a vegyületek molekuláinak legvalószínûbb relatív számait keresve jutott el az egyszerû anyagok molekulatömegei közötti állandó arányokhoz. A mi elméletünk, feltéve, hogy jól megalapozott, abba a helyzetbe hoz minket, hogy pontos adatok alapján erõsíthessük meg vagy javíthassuk ki Dalton eredményeit és mindenekfelett abba, hogy a gázalakú vegyületek térfogatai alapján adjuk meg a vegyületmolekulák tömegét, ami részben a molekulák e fizikus által egyáltalán nem várt szétesésétõl függ.

Dalton feltételezi, hogy a víz hidrogénnek és oxigénnek, molekulának molekulával történõ egyesülése révén jön létre. Ebbõl és a két alkotó súlyának arányaiból annak kell következnie, hogy az oxigén a hidrogénhez közelítõleg úgy aránylik, mint 7 1/2 az 1-hez, vagy ahogy Dalton értékelte, mint 6 az 1-hez. Ez az arány a mi elméletünk szerint, mint látjuk kétszer akkora, nevezetesen 15 az 1-hez. A víz molekulájának durván 15+2=17 tömegûnek kellene lennie (a hidrogénét egységnek véve), ha nem esne szét a molekula kétfelé. A szétesés eredményeképpen azonban a tömeg felére, tehát 8 1/2 értékre, pontosabban 8,537-re csökken, ami megkapható a vízgõz sûrûségének, 0,625-nek (Gay-Lussac) a hidrogén 0,0732-es sûrûségével való osztásával is. Ez a tömeg éppen a víz-összetétel eltérõ értékeinek különbségével különbözik a Dalton által vélt 7-tõl. Ebben a tekintetben Dalton eredményei tehát közelítõen helyesek, két egymást kompenzáló hibának az oxigénmolekula hibás tömegének és a molekulaszétesés elhanyagolásának következtében. Dalton felteszi, hogy a nitrózus gázban a nitrogén és oxigén kombinációja "molekula a molekulához" jellegû. Mint láttuk, elméletünk szerint ez valóban így van. Így Dalton ugyanazt a hidrogénre mint egységre vonatkoztatott molekulatömeget találta volna a nitrogénre, mint mi, ha nem indult volna ki eltérõ oxigénértékbõl és ha a nitrózus gáz elemeinek mennyiségére pontosan ugyanazokat a súlyszerinti értékeket vette volna. Miután azonban úgy gondolta, hogy az oxigénmolekula fele az általunk találtnak, kénytelen volt feltenni, hogy a nitrogén is fele az általunk megadott értéknek, nevezetesen 5 a 13 helyett. Ami magát a nitrózus gáz molekuláját illeti, a molekula szétesésének elhanyagolása ismét a mienkhez közelítõ eredményhez vezetett. Õ 6+5=11 értéket adott meg, miközben mi (15+13)/2=14-et, vagy pontosabban (15,974+13,238)/2=14,156-ot, amit a nitrózus gáz Dalton által meghatározott, 1,03636 értékû sûrûségének 0,07321-gyel való osztásával is megkapunk. Dalton feltehetõen ugyanúgy határozta meg a nitrózus oxid és a salétromsav molekuláinak relatív számát, mint ahogy a tények elénk tárták, és az elsõ esetben ugyanaz a körülmény javította a molekula nagyságára vonatkozó eredményét. Õ 6+2x5=16 értéket vett fel, miközben a mi módszerünk szerint annak (15,074+2x13,238)/2=20,775-nek kell lennie, olyan értéknek, amelyet úgy is megkaphatunk, ha a nitrózus oxid Gay-Lussac-féle sûrûségét, 1,52092-t, a hidrogén sûrûségével elosztjuk.

Ammónia esetén Dalton feltevései a vegyületben lévõ molekulák relatív számáról elméletünk szerint teljesen hibásak. Úgy gondolta, hogy a nitrogén és a hidrogén molekula-molekula arányban egyesül, miközben látjuk, hogy egy nitrogén három molekula hidrogénnel egyesül. Szerinte az ammóniamolekula 5+1=6 lenne, szerintünk (13+3)/2=8, pontosabban 8,119, ami az ammóniagáz sûrûségébõl is levezethetõ. A molekulák szétesése, amit Dalton számításai nem vesznek figyelembe, ebben az esetben részben korrigálja az õ más alapfeltevéseibõl következõ hibát.

Az összes eddig tárgyalt vegyület az egyik komponens egy molekulájának és a másik komponens egy vagy több molekulájának egyesülésével keletkezett. A nitrózus sav esetében az eddig említettektõl eltérõ vegyületrõl van szó, ugyanis mindkét molekula relatív száma eltér az egységtõl. Gay-Lussac kísérleteibõl ... úgy tûnik, ez a sav 1 térfogatrész oxigénbõl és 3 térfogatrész nitrózus gázból, vagy ami ugyanaz, 3 rész nitrogénbõl és 5 oxigénbõl keletkezik, hiszen elméletünkbõl következik, hogy ennek a molekulának 3 molekula nitrogént és 5 molekula oxigént kellene tartalmaznia, ha a molekulaszétesést nem vesszük számításba. A kombinációnak ez a módja az elõzõ egyszerûbb alakra is visszavezethetõ, ha úgy tekintjük, hogy a molekula 1 molekula oxigén és 3 molekula nitrózus gáz egyesülésével keletkezik, amelyek az oxigén és a nitrogén egy-egy fél molekulájából állnak, így a nitrózus savba belépõ oxigénmolekulák szétesése már figyelembe van véve. Feltéve, hogy nincs további szétesés, a nitrózus sav molekulatömege 57,542 lenne, a hidrogént egységnek tekintve, és a nitrózus gáz sûrûsége 4,21267 a levegõ egységnyi sûrûségére vonatkoztatva. Valószínû azonban, hogy legalább még egy szétesés, azaz a sûrûségnek felére csökkenése történik. Várjuk meg, amíg ezt a sûrûséget kísérletileg meghatározzák.

Szepesváry Pálné fordítása
 

* A "molekula" kifejezést Avogadro természetesen nem a mai értelemben használta. Az "egész molekula" egy vegyület molekuláját,  az "alkotó molekula" egy elem molekuláját jelöli; az "elemi molekula" atomot jelöl.


ChemoNet, 1997
Vissza
http://www.kfki.hu/chemonet/