Amedeo Avogadro

21

Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna Eddie Cerreto sinh ngày 9 tháng 8 năm 1776 tại Turin, thủ phủ của tỉnh Ý. Piedmont trong gia đình sĩ quan tư pháp Filipto Avogadro. Amedeo là con thứ ba trong số tất cả trẻ em. Từ thế kỷ 12, tổ tiên của ông đã là luật sư phục vụ Giáo hội Công giáo, và theo truyền thống thời đó, nghề nghiệp và chức vụ của họ đều được kế thừa. Đến lúc phải chọn nghề, Amedeo cũng theo học luật. Ông nhanh chóng thành công trong lĩnh vực khoa học này và ở tuổi hai mươi đã nhận được bằng Tiến sĩ Luật học của Giáo hội.

Amedeo không quan tâm đến việc hành nghề luật; lợi ích của anh ta không hề hợp pháp. Khi còn trẻ, ông đã theo học một thời gian ngắn tại trường được gọi là trường hình học và vật lý thực nghiệm. Chính cô là người đã khơi dậy trong anh tình yêu dành cho những ngành khoa học này. Tuy nhiên, do chưa nhận được đủ kiến ​​\u200b\u200bthức có hệ thống nên anh buộc phải tự học. Khi đã 25 tuổi, anh bắt đầu dành toàn bộ thời gian rảnh rỗi cho việc nghiên cứu khoa học vật lý và toán học. Sự chăm chỉ và chủ nghĩa hiện thực đã mang lại kết quả: vào năm 1803 và 1804, ông cùng với anh trai Fellze trình bày hai tác phẩm, những lý thuyết khai sáng về hiện tượng điện và điện hóa, cho Viện Hàn lâm Khoa học Turin, nơi ông được bầu vào năm 1804 với tư cách là thành viên tương ứng của học viện này. Trong tác phẩm đầu tiên của mình, mang tên “Ghi chú phân tích về điện”, ông đã giải thích hành vi của chất dẫn điện và chất điện môi trong điện trường, đặc biệt là hiện tượng phân cực của chất điện môi. Những ý tưởng ông bày tỏ sau đó được phát triển đầy đủ hơn trong công trình của các nhà khoa học khác.

22

Năm 1806, Avogadro nhận được vị trí gia sư ở thành phố Turin, và sau đó, vào năm 1809, ông được chuyển làm giáo viên vật lý và toán học ở thành phố Vercelli, nơi ông đã làm việc khoảng mười năm. Trong giai đoạn này, anh làm quen với một lượng lớn tài liệu khoa học, trích dẫn nhiều đoạn từ sách và bài báo mà anh đọc. Những đoạn trích này, mà ông không ngừng đọc cho đến cuối ngày, lên tới 75 tập, mỗi tập khoảng 700 trang!
Nội dung của những tập sách này chứng tỏ mối quan tâm bách khoa toàn thư của Avogadro, công trình khổng lồ mà ông đã thực hiện, “tái cấp tiêu chuẩn” từ một luật sư trở thành một nhà vật lý.

Vào tháng 9 năm 1819, Avogadro được bầu làm thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Turin. Vào thời điểm này, ông đã nổi tiếng với các đồng nghiệp nhờ công việc của mình trong lĩnh vực lý thuyết phân tử, điện và hóa học. Năm 1820, theo sắc lệnh của hoàng gia, Avogadro được bổ nhiệm làm giáo sư đầu tiên của khoa vật lý cao cấp mới (chúng ta gọi là vật lý toán học) tại Đại học Turin.

Quan điểm của Avogadro về việc giảng dạy vật lý được ông bày tỏ khi đảm nhận quan điểm này thật thú vị. Khoa học Ý vào thời điểm này vẫn còn rất kém phát triển. Trong nỗ lực giúp quê hương cân bằng trình độ phát triển của khoa học tự nhiên với các nước châu Âu khác, Avogadro đã vạch ra một kế hoạch hành động rộng lớn. Ý tưởng chính của ông là nhu cầu kết hợp giảng dạy với hoạt động khoa học. Để làm được điều này, cần tổ chức hai phòng học ở khoa vật lý - một phòng dành cho các buổi đào tạo, một dành cho việc thử nghiệm các khám phá khoa học và tiến hành nghiên cứu ban đầu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với những sinh viên quyết định cống hiến hết mình cho việc giảng dạy trong lĩnh vực khoa học vật lý và toán học. Văn phòng khoa học chia sẻ

vợ được trang bị thiết bị hiện đại và đội ngũ nhân viên phù hợp. Điều rất quan trọng nữa là phải quy định số tiền cần thiết cho việc mua thiết bị mới mà người đứng đầu bộ phận có thể tùy ý chi tiêu, chỉ nộp báo cáo bằng văn bản về các chi phí phát sinh. Ngoài ra, cần có một tạp chí khoa học để các nhà vật lý địa phương có thể công bố nghiên cứu của họ.

Những ý tưởng chương trình này đã không được thực hiện do các sự kiện quân sự và chính trị ở Ý vào đầu những năm 20. Năm 1822, sau tình trạng bất ổn của sinh viên, Đại học Turin đã bị chính quyền đóng cửa suốt một năm và một số khoa mới của trường, bao gồm cả khoa vật lý cao cấp, đã được LIÊN KẾT. Tuy nhiên, vào năm 1923, Avogadro nhận được danh hiệu giáo sư danh dự về vật lý cao cấp và được bổ nhiệm làm thanh tra cao cấp trong phòng kiểm soát chi tiêu công (một vị trí nghiên cứu tài chính và pháp lý, không thuộc phạm vi khoa học. Tuy nhiên, chúng ta hãy nhớ rằng Isaac Newton đã là giám đốc xưởng đúc tiền trong nhiều năm!). Bất chấp trách nhiệm mới của mình, Avogadro vẫn tiếp tục tham gia nghiên cứu khoa học.

Năm 1832, Đại học Turin một lần nữa nhận được chức chủ tịch khoa vật lý cao cấp, nhưng nó không được trao cho Avogadro mà cho nhà toán học nổi tiếng người Pháp Augustin Louis Cauchy, người đã rời quê hương vào năm 1830. Chỉ hai năm sau, sau khi Cauchy ra đi, Avogadro mới có thể đảm nhận chiếc ghế này, nơi ông làm việc cho đến năm 1850. Năm nay, ông rời trường đại học, chuyển khoa cho sinh viên của mình là Feltsa Kew.

Avogadro sắp xếp cuộc sống gia đình khá muộn, khi anh đã ngoài ba mươi. Khi làm việc ở Vercelli, anh gặp người vợ tương lai Anna Marnea Maciedi Giuseppe, con gái của Potarius,

23

người trẻ hơn anh 18 tuổi.
Từ cuộc hôn nhân này, ông có tám người con - hai trai và sáu gái. Không ai trong số họ kế thừa nghề nghiệp của ông.

Những người đương thời trong hồi ký của họ miêu tả Avogadro là một người đàn ông có rất nhiều con trai và sáu con gái. Họ ghi nhận sự thân thiện và chân thành của anh ấy khi đối xử với người khác. “Có trình độ học vấn cao mà không có sư phạm, khôn ngoan mà không có người, coi thường sự sang trọng, không quan tâm đến của cải, không phấn đấu cho danh dự, thờ ơ với công lao và danh tiếng của bản thân, khiêm tốn, hiểu biết, nhân từ” - đây là cách một trong những người cùng thời với ông mô tả về Avogadro. Với thái độ thờ ơ với danh dự, ông đại diện cho một sự cám dỗ hiếm có trong giới khoa học thời bấy giờ.

Sau khi rời trường đại học, Avogadro giữ chức vụ thanh tra cấp cao của Phòng Kiểm soát trong một thời gian ngắn, đồng thời là thành viên của Ủy ban Thống kê Cấp cao, Hội đồng Giáo dục Công cộng cấp cao và đại diện của Ủy ban Trọng lượng và Đo lường. Dù tuổi đã cao nhưng ông vẫn tiếp tục công bố nghiên cứu của mình trong kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Turin. Tác phẩm cuối cùng của ông được xuất bản ba năm trước khi ông qua đời, khi Avogadro tròn 77 tuổi. Ông qua đời ở Turin vào ngày 9 tháng 7 năm 1856 và được chôn cất trong hầm mộ của gia đình ở Vercelli. Một năm sau cái chết của Avogadro, để ghi nhận những đóng góp của ông cho khoa học, bức tượng đồng của ông đã được lắp đặt tại Đại học Turin.

Người đàn ông tuyệt vời này đã làm phong phú thêm khoa học, đặc biệt là vật lý và hóa học, trong suốt cuộc đời của mình như thế nào?

Không có gì đáng ngạc nhiên khi Avogadro bắt đầu sự nghiệp khoa học của mình bằng việc nghiên cứu các hiện tượng điện. Điện và từ từ lâu đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học. Sự quan tâm này đặc biệt

Tượng Avogadro bằng đồng, được lắp đặt tại Đại học Turin.

trở nên mạnh mẽ hơn sau khi Volta phát minh ra nguồn dòng điện (voltaic) đầu tiên vào năm 1800, và cũng liên quan đến cuộc tranh luận giữa Galvani và Volta về bản chất của điện. Những câu hỏi này được đặt lên hàng đầu trong khoa học vào thời điểm đó và thật tự nhiên khi chàng trai trẻ Avogadro quyết định thử sức mình ở đây. Các công trình của Avogadro tập trung vào nhiều vấn đề khác nhau về điện, xuất hiện cho đến năm 1846. Ông cũng rất chú trọng nghiên cứu trong lĩnh vực điện hóa học, cố gắng tìm ra mối liên hệ giữa các hiện tượng điện và hóa học, từ đó ông đã tạo ra lý thuyết điện hóa của mình. Về vấn đề này, nghiên cứu của ông đã tiếp xúc với công trình của các nhà hóa học nổi tiếng Davy và Bercellius. Nhưng Avogadro đã đi vào lịch sử vật lý với tư cách là người phát hiện ra một trong những định luật quan trọng nhất của vật lý phân tử.

Hầu như cho đến cuối thế kỷ 18, hóa học vẫn chưa biết đến định luật định lượng nào. Định luật đầu tiên như vậy là định luật bảo toàn khối lượng

24

các chất tham gia phản ứng, phát hiện của M.V. Lomonosov vào năm 1756 và độc lập bởi Lavuzier vào năm 1774. Vào đầu thế kỷ 19, hai định luật nữa đã được phát hiện - định luật về thành phần không đổi và định luật nhiều tỷ lệ. Người đầu tiên lập luận rằng cho dù thu được một hợp chất hóa học nhất định bằng cách nào thì thành phần của nó luôn giống nhau. Nói cách khác, trong quá trình hình thành một chất phức tạp nhất định, các phần tử chứa nó luôn được kết hợp với nhau sao cho khối lượng của chúng theo một tỷ lệ xác định chặt chẽ. Ví dụ, trong nước tỷ lệ khối lượng của hydro và oxy luôn là 1:8.

Định luật thứ hai phát biểu rằng trong các hợp chất hóa học khác nhau được tạo thành bởi cùng một nguyên tố, khối lượng của các nguyên tố này liên hệ với nhau dưới dạng số nguyên nhỏ. Ví dụ, trong các oxit nitơ khác nhau (N₂O, NO, N₂O₃, N₂O₅)

Trang tiêu đề của Tác phẩm chọn lọc của Avogadro, xuất bản năm 1911.

Để giải thích những định luật này, nhà hóa học nổi tiếng người Anh Dalton đã đưa ra giả thuyết rằng tất cả các quá trình của vật chất (nguyên tố) đều bao gồm các nguyên tử đơn giản và phức tạp - gồm các “nguyên tử phức tạp”, mà trong các phản ứng hóa học có thể phân hủy thành nguyên tử của các chất đơn giản. Trước đó, không có sự phân biệt rõ ràng giữa các khái niệm “nguyên tử” và “phân tử” trong hóa học. Cả hai khái niệm này đều được hợp nhất thành thuật ngữ “hạt”, được coi là một đơn vị vật chất không có cấu trúc. Dalton đã biên soạn bảng đầu tiên về khối lượng nguyên tử tương đối của các nguyên tố, lấy khối lượng hydro trên một đơn vị. (Như Avogadro sau này đã chỉ ra, bảng này không chính xác, vì Dalton tin rằng khí hydro tham gia vào các phản ứng ở dạng chất đơn nguyên tử (H), nhưng trên thực tế, các phản ứng xảy ra với sự tham gia của hydro phân tử (H₂). Vì lý do tương tự, ý tưởng của Dalton về thành phần của các phân tử hóa ra là không chính xác.)

Năm 1808, nhà khoa học người Pháp Gay-Lussac, nghiên cứu phản ứng giữa các chất khí, đã xác định rằng thể tích chất khí tham gia phản ứng và các sản phẩm phản ứng ở dạng khí có liên hệ với nhau dưới dạng số nguyên nhỏ. (Tất nhiên, tất cả các thể tích phải được thay đổi ở cùng áp suất và nhiệt độ). Ví dụ, trong phản ứng tạo thành hơi nước, thể tích của hydro, oxy và sản phẩm phản ứng theo tỷ lệ 1:1:2, tức là.

Trong phản ứng tạo thành hydro clorua, thể tích hydro, clo và sản phẩm phản ứng theo tỷ lệ 1:1:2, tức là.

1 + 1 = 2
khối lượng hydro
lượng clo
khối lượng hydro clorua

25

Theo ý tưởng của Dalton, những phản ứng này sẽ như sau:

$$2\text{H} + \text{O} = \text{H}_2\text{O}, \quad \text{H} + \text{Cl} = \text{HCl}.$$

Trong trường hợp này, một thể tích hơi nước và hydro clorua sẽ được hình thành. Vì vậy không thể dung hòa dữ liệu thực nghiệm của Gay-Lussac với lý thuyết của Dalton.

Chính trong tình huống đó, bài báo của Avogadro “Tiểu luận về phương pháp xác định khối lượng tương đối của các nguyên tố trong phân tử của vật thể và tỷ lệ theo đó chúng có trong các hợp chất” xuất hiện vào năm 1811. Nêu ra các khái niệm cơ bản của lý thuyết phân tử, Avogadro đã chỉ ra rằng nó không những không mâu thuẫn với dữ liệu thu được của Gay-Lussac mà còn hoàn toàn phù hợp với nó và mở ra khả năng xác định chính xác khối lượng nguyên tử, thành phần của phân tử và bản chất của các phản ứng hóa học xảy ra. Để làm được điều này, trước hết cần giả sử rằng các phân tử hydro, oxy, clo và một số chất đơn giản khác không phải bao gồm một mà là hai nguyên tử.

Trong cùng tác phẩm đó, Avogadro đã đi đến kết luận quan trọng sau: “… số lượng… phân tử luôn bằng nhau trong những thể tích bằng nhau của bất kỳ loại khí nào”. (Tất nhiên, thể tích được thay đổi ở cùng áp suất và nhiệt độ.)

Ông còn viết thêm rằng hiện nay có “một phương pháp xác định rất dễ dàng khối lượng tương đối của các phân tử của vật thể có thể thu được ở trạng thái khí và liên quan đến số lượng phân tử trong các hợp chất”.

Trên thực tế, tỷ lệ khối lượng của các phân tử giống như tỷ lệ mật độ của các chất khí ở cùng áp suất và nhiệt độ. Nếu chúng ta có hai loại khí khác nhau có khối lượng lần lượt là $M_1$ và $M_2$ và thể tích của chúng thay đổi tương ứng ở cùng nhiệt độ và áp suất

$$V_1 \text{ и } V_2,$$

sau đó, theo Avogadro, chúng ta có thể viết thư từ sau:

$$\frac{M_1}{M_2} = \frac{m_1 N_1}{m_2 N_2},$$

(1)

trong đó $m_1$ và $m_2$ là khối lượng phân tử của khí thứ nhất và khí thứ hai, còn $N_1$ và $N_2$ là số lượng phân tử như vậy tính theo thể tích $V_1$ và $V_2$. Chia các tử số trong biểu thức này cho $V_1$ và các mẫu số cho $V_2$, ta được:

$$\frac{\frac{M_1}{V_1}}{\frac{M_2}{V_2}} = \frac{m_1 \frac{N_1}{V_1}}{m_2 \frac{N_2}{V_2}}.$$

(2)

Nhưng $M_1/V_1$ và $M_2/V_2$ là mật độ của khí $\rho_1$ và $\rho_2$, còn $N_1/V_1$ và $N_2/V_2$ là số lượng phân tử trên một đơn vị thể tích. Theo Avogadro $\frac{N_1}{V_1} = \frac{N_2}{V_2}$. Trong trường hợp này, thư từ (2) có dạng sau:

$$\frac{\rho_1}{\rho_2} = \frac{m_1}{m_2}.$$

Avogadro đưa ra ví dụ sau: mật độ của oxy và hydro là 1,10359 và 0,07321 (mật độ của không khí trong khí quyển được lấy làm một). Do đó, tỷ số khối lượng của phân tử oxy và hydro là $\frac{1,10359}{0,07321} \approx \frac{15}{1}$.

Từ các thí nghiệm của Gay-Lussac, người ta suy ra rằng để hình thành hai thể tích hơi nước giống nhau bất kỳ thì cần có hai thể tích hydro và một thể tích oxy giống nhau. Điều này có nghĩa là cứ mỗi phân tử oxy thì có hai phân tử hydro. Nếu các phân tử hydro và oxy bao gồm một nguyên tử, thì chúng ta sẽ có phản ứng $2\text{H} + \text{O} = \text{H}_2\text{O}$, kết quả là hai thể tích hydro và một thể tích oxy sẽ tạo ra một thể tích nước. Nhưng điều này mâu thuẫn với kết quả thí nghiệm của Gay-Lussac. Vì vậy, chúng ta phải giả sử

26

rằng trong mỗi phản ứng cơ bản xảy ra hai phân tử nước (2H₂O) xuất hiện và các phân tử oxy và hydro chứa hai nguyên tử (O₂ và H₂). Vì vậy, chúng tôi đi đến công thức phản ứng đúng:

$$2H_2 + O_2 = 2H_2O.$$

Công thức nổi tiếng này lần đầu tiên được Avogadro thu được.

Năm 1814, bài báo thứ hai của Avogadro xuất hiện, “Tiểu luận về khối lượng tương đối của các phân tử của các vật thể đơn giản, hoặc mật độ ước tính của các chất khí của chúng, và về cấu tạo của một số hợp chất của chúng”. Ở đây định luật Avogadro được phát biểu rõ ràng: “… những thể tích bằng nhau của các chất khí ở áp suất và nhiệt độ bằng nhau tương ứng với một số lượng phân tử bằng nhau, do đó mật độ của các loại khí khác nhau đại diện cho thước đo khối lượng của các phân tử của các loại khí tương ứng.” Phần còn lại của bài viết thảo luận về việc áp dụng định luật này để xác định thành phần phân tử của nhiều chất vô cơ.

Vì khối lượng mol (khối lượng của một mol một chất) tỷ lệ thuận với khối lượng của một phân tử riêng lẻ, định luật Avogadro có thể được xây dựng dưới dạng phát biểu rằng một mol của bất kỳ chất nào ở trạng thái khí ở cùng nhiệt độ và áp suất sẽ chiếm cùng một thể tích. Như thí nghiệm đã chỉ ra, ở điều kiện bình thường ($p=1\text{ amm}, t=0^\circ\text{C}$) nó bằng 22,414 lít. Số lượng phân tử trong một gam-phân tửULE của bất kỳ chất nào đều như nhau. Nó được gọi là số Avogadro. Nó thường được biểu thị bằng chữ cái $N_A$. Theo số liệu hiện đại

$$N_A = 6,022094 \cdot 10^{23} \text{ mol}^{-1}.$$

Con số này là một trong những hằng số phổ quát quan trọng nhất của vật lý và hóa học hiện đại. Nó được sử dụng để xác định một số hằng số phổ quát khác, ví dụ, hằng số Boltzmann, hằng số Faraday, v.v.

Số Avogadro có thể được xác định bằng nhiều phương pháp độc lập. Sự trùng hợp tuyệt vời của các giá trị thu được là bằng chứng thuyết phục về các phân tử thực và giá trị của lý thuyết động học phân tử.

Năm 1821, trong bài báo “Truyền thông mới về lý thuyết về các tỷ lệ nhất định trong các hợp chất và về việc xác định khối lượng phân tử của các vật thể”, Avogadro đã chia sẻ kết quả của mười năm làm việc trong lĩnh vực lý thuyết phân tử và mở rộng phương pháp xác định thành phần của phân tử cho toàn bộ các chất hữu cơ. Trong cùng một bài báo, ông chỉ ra rằng các nhà hóa học khác, chủ yếu là Dalton, Davy và Berzeluus, những người không quen thuộc với công trình của ông, vẫn tiếp tục có quan điểm sai lầm về bản chất của nhiều hợp chất hóa học và bản chất của các phản ứng giữa chúng.

Công trình này thú vị ở một khía cạnh khác: lần đầu tiên cái tên Ampere xuất hiện, theo cách nói của Avogadro, “một trong những nhà vật lý khéo léo nhất của thời đại chúng ta,” liên quan đến nghiên cứu của ông trong lĩnh vực lý thuyết phân tử. Mặt này trong công việc của Ampere thường không được đề cập đến, vì các dịch vụ của ông trong lĩnh vực toán học điện tử đã làm lu mờ tất cả các công trình khác. Tuy nhiên, Ampère cũng làm việc trong lĩnh vực vật lý phân tử và độc lập với Avogadro (nhưng muộn hơn một chút) khi ông tiếp cận một số ý tưởng do Avogadro thể hiện. Năm 1814, Ampère xuất bản một bức thư gửi nhà hóa học Berholla, trong đó ông đưa ra một quan điểm về cơ bản trùng khớp với định luật Avogadro. Ở đây, ông chỉ ra rằng tác phẩm tương ứng của Avogadro đã được ông biết đến sau khi viết một bức thư cho Bertolla.

Để kết thúc câu chuyện về công trình của Avogadro trong lĩnh vực lý thuyết phân tử, chúng ta lưu ý rằng vào năm 1837-1841 ông đã xuất bản một tác phẩm gồm bốn tập, “Vật lý của các cơ thể có thể, hay Practiata về cấu tạo chung của các cơ thể”.