Định luật Avogadro (Avogadro’s Law)

Nói cách khác, nếu ta có hai chất khí khác nhau (hoặc cùng loại) ở cùng nhiệt độ và áp suất, thì thể tích của chúng sẽ tỉ lệ với số mol của chúng.

Công thức toán học biểu diễn định luật Avogadro là:

$V \propto n$

trong đó:

• $V$ là thể tích của chất khí.
• $n$ là số mol của chất khí.

Hệ quả của mối quan hệ tỉ lệ thuận này là tỉ số giữa thể tích và số mol là một hằng số, với điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi. Điều này có thể được biểu diễn bằng phương trình:

$\frac{V_1}{n_1} = \frac{V_2}{n_2}$

trong đó:

• $V_1$ và $n_1$ lần lượt là thể tích và số mol của chất khí thứ nhất.
• $V_2$ và $n_2$ lần lượt là thể tích và số mol của chất khí thứ hai.

Ý nghĩa của Định luật Avogadro

• Định luật Avogadro cho phép chúng ta so sánh số lượng phân tử của các chất khí khác nhau dựa trên thể tích của chúng. Ví dụ, nếu hai chất khí có cùng thể tích ở cùng nhiệt độ và áp suất, thì chúng chứa cùng số phân tử.
• Định luật này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khối lượng mol của các chất khí.
• Nó là cơ sở cho khái niệm về thể tích mol của chất khí (thể tích chiếm bởi một mol chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn). Ở điều kiện tiêu chuẩn (0°C và 1 atm), một mol của bất kỳ chất khí nào cũng chiếm một thể tích xấp xỉ 22.4 lít. Giá trị này được gọi là thể tích mol tiêu chuẩn.

Ứng dụng của Định luật Avogadro

• Trong hóa học: Định luật Avogadro được sử dụng để tính toán thể tích, số mol hoặc khối lượng của chất khí trong các phản ứng hóa học.
• Trong vật lý: Định luật này giúp giải thích các hiện tượng liên quan đến khí, chẳng hạn như sự giãn nở nhiệt của khí.
• Trong công nghiệp: Định luật Avogadro có ứng dụng trong sản xuất và lưu trữ khí.

Lưu ý: Định luật Avogadro chỉ áp dụng chính xác cho khí lý tưởng. Đối với khí thực, định luật này chỉ là một xấp xỉ, đặc biệt là ở áp suất cao và nhiệt độ thấp, khi các phân tử khí tương tác mạnh với nhau.

Mối liên hệ với các định luật khí khác

Định luật Avogadro có thể được kết hợp với các định luật khí khác để tạo thành phương trình trạng thái khí lý tưởng:

$PV = nRT$

Trong đó:

• $P$ là áp suất của khí.
• $V$ là thể tích của khí.
• $n$ là số mol của khí.
• $R$ là hằng số khí lý tưởng.
• $T$ là nhiệt độ tuyệt đối của khí (đơn vị Kelvin).

Phương trình này mô tả mối quan hệ giữa áp suất, thể tích, nhiệt độ và số mol của một khí lý tưởng. Nó kết hợp định luật Boyle ($PV = \text{hằng số}$ ở nhiệt độ không đổi), định luật Charles ($\frac{V}{T} = \text{hằng số}$ ở áp suất không đổi), định luật Gay-Lussac ($\frac{P}{T} = \text{hằng số}$ ở thể tích không đổi) và định luật Avogadro.

Sự phát triển của Định luật Avogadro

Năm 1811, Amedeo Avogadro đưa ra giả thuyết của mình để giải thích tại sao thể tích bằng nhau của các khí khác nhau, ở cùng nhiệt độ và áp suất, lại chứa cùng số hạt. Vào thời điểm đó, giả thuyết này gây tranh cãi và không được chấp nhận rộng rãi. Mãi đến sau này, khi Stanislao Cannizzaro trình bày công trình của Avogadro tại Hội nghị Karlsruhe năm 1860, giả thuyết này mới được cộng đồng khoa học công nhận và trở thành định luật.

Ví dụ minh họa

Giả sử chúng ta có 2 lít khí hydro ($H_2$) ở điều kiện tiêu chuẩn. Nếu chúng ta tăng số mol khí hydro lên gấp đôi, thì thể tích của khí hydro cũng sẽ tăng gấp đôi, tức là 4 lít, vẫn ở điều kiện tiêu chuẩn.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Silberberg, M. S., & Amateis, P. (2018). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change. McGraw-Hill Education.
• Zumdahl, S. S., & Zumdahl, S. A. (2013). Chemistry. Cengage Learning.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao định luật Avogadro chỉ áp dụng cho khí mà không áp dụng cho chất lỏng hoặc chất rắn?

Trả lời: Định luật Avogadro dựa trên giả định rằng các hạt khí cách xa nhau và tương tác yếu. Điều này đúng với khí, nhưng không đúng với chất lỏng và chất rắn, nơi các hạt ở gần nhau và tương tác mạnh. Trong chất lỏng và chất rắn, thể tích bị ảnh hưởng nhiều bởi kích thước và hình dạng của các hạt, chứ không chỉ bởi số lượng hạt.

Làm thế nào để giải thích định luật Avogadro ở cấp độ phân tử?

Trả lời: Ở cùng nhiệt độ và áp suất, các phân tử khí có cùng động năng trung bình. Do đó, chúng chiếm cùng một “không gian” trung bình. Khi số mol khí tăng lên (tức là số phân tử tăng lên), tổng “không gian” chiếm bởi các phân tử cũng tăng lên, dẫn đến sự tăng thể tích.

Nếu ta trộn hai khí khác nhau, liệu định luật Avogadro vẫn áp dụng cho hỗn hợp khí đó không?

Trả lời: Có, định luật Avogadro vẫn áp dụng cho hỗn hợp khí lý tưởng. Tổng thể tích của hỗn hợp khí tỷ lệ với tổng số mol của tất cả các khí trong hỗn hợp, miễn là nhiệt độ và áp suất không đổi.

Sự khác biệt giữa thể tích mol ở điều kiện tiêu chuẩn (STP) và điều kiện tiêu chuẩn (SATP) là gì? Điều này ảnh hưởng đến định luật Avogadro như thế nào?

Trả lời: Điều kiện tiêu chuẩn (STP) là 0°C và 1 atm, trong khi điều kiện tiêu chuẩn môi trường xung quanh (SATP) là 25°C và 1 bar. Thể tích mol ở STP là khoảng 22.4 L, trong khi ở SATP là khoảng 24.8 L. Định luật Avogadro vẫn áp dụng trong cả hai trường hợp, nhưng giá trị của hằng số tỷ lệ (thể tích mol) sẽ khác nhau. Điều quan trọng là phải sử dụng giá trị đúng của thể tích mol tương ứng với điều kiện đang xét.

Làm thế nào để sử dụng định luật Avogadro để xác định khối lượng mol của một chất khí chưa biết?

Trả lời: Bằng cách đo thể tích của một lượng khí đã biết khối lượng ở nhiệt độ và áp suất xác định, ta có thể sử dụng định luật Avogadro kết hợp với phương trình khí lý tưởng ($PV = nRT$) để tính số mol ($n$). Sau đó, khối lượng mol ($M$) có thể được tính bằng công thức $M = \frac{m}{n}$, trong đó $m$ là khối lượng của khí.