Bút chì được gom thành nhóm mười hai chiếc để tính là một tá, còn trứng được gom thành ba mươi quả để tính là một khay. Với những vật khó đếm từng chiếc, việc đếm theo các nhóm có số lượng quy định sẽ thuận tiện hơn nhiều. Tuy nhiên, nguyên tử và phân tử mà các nhà hóa học nghiên cứu quá nhỏ và quá nhiều nên những nhóm mười hai hay ba mươi hạt hoàn toàn không đủ. Vì vậy, hóa học có một đơn vị nhóm riêng lớn đến mức khó tưởng tượng, và số hạt trong nhóm đó chính là “số Avogadro (Avogadro's Number)”.
Nói đơn giản, số Avogadro có nghĩa là “số hạt có trong 1 mol chất”. Giá trị này xấp xỉ 6.02 nhân với 10 lũy thừa 23, viết đầy đủ ra là 602,214,076,000,000,000,000,000 hạt. Nhờ con số này, thế giới nguyên tử không thể nhìn thấy được kết nối với thế giới vật chất có thể đo bằng cân.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu ý nghĩa của số Avogadro, cách hình dung độ lớn của nó, câu chuyện về những nhà khoa học đã tìm ra con số này và định nghĩa mol được thay đổi vào năm 2019.
Nhóm dùng để đếm nguyên tử: mol và số Avogadro
Số Avogadro là gì?
Phản ứng hóa học xảy ra khi các nguyên tử và phân tử kết hợp theo những tỉ lệ số lượng nhất định. Chẳng hạn, hai phân tử hydro kết hợp với một phân tử oxy tạo thành hai phân tử nước. Vì vậy, đối với nhà hóa học, số lượng quan trọng hơn trọng lượng, nhưng vì không thể đếm từng nguyên tử nên họ lấy số hạt bằng số Avogadro làm một nhóm để đếm. Những khái niệm được sử dụng cùng với số này như sau.
- Mol (Mole): Đơn vị đếm một nhóm hạt có số lượng bằng số Avogadro, là một trong bảy đơn vị cơ bản của Hệ đơn vị quốc tế (SI).
- Khối lượng mol (Molar Mass): Khối lượng của 1 mol chất. Đối với carbon, khối lượng này khoảng 12 gam, còn đối với nước là khoảng 18 gam.
- Hằng số Avogadro (Avogadro Constant): Hằng số vật lý được tạo thành bằng cách gắn đơn vị “trên mol” vào số Avogadro, được ký hiệu là NA.
(1) Cầu nối giữa khối lượng và số lượng
Lấy khối lượng của một nguyên tử nhân với số Avogadro sẽ thu được khối lượng của 1 mol. Nhờ vậy, nhà hóa học chỉ cần cân trọng lượng của chất bằng cân trong phòng thí nghiệm là có thể biết trong đó có bao nhiêu nguyên tử.
Con số khổng lồ trong một thìa nước
1 mol nước có khối lượng khoảng 18 gam, tương đương lượng nước hơi nhiều hơn một thìa canh. Ngay cả lượng nước ít ỏi này cũng chứa tới khoảng 6.02 nhân với 10 lũy thừa 23 phân tử nước. Nói ngược lại, thể tích mà một phân tử nước chiếm chỉ khoảng 0.03 nanomet khối.
(1) Nếu mỗi 1 giây đếm một hạt
Hãy tưởng tượng chúng ta đếm số hạt này liên tục, mỗi 1 giây đếm một hạt. Để đếm hết sẽ mất khoảng 1 vạn triệu tỷ cộng với 9 nghìn tỷ năm, dài hơn trên 100 vạn lần so với tuổi của vũ trụ được biết là khoảng 138 trăm triệu năm.
(2) Bất kể là loại khí nào
Dù khác loại, ở cùng nhiệt độ và áp suất, thể tích mà 1 mol khí chiếm gần như bằng nhau. Ở 0 độ C và áp suất 1 atm, dù là oxy hay nitơ, 1 mol đều chiếm khoảng 22.4 lít.
Những người tìm ra số Avogadro
Nhà khoa học người Ý Amedeo Avogadro, người có tên được đặt cho con số này, thực ra không trực tiếp tính ra nó. Vào năm 1811, ông chỉ đưa ra giả thuyết rằng “ở cùng nhiệt độ và áp suất, các chất khí có cùng thể tích chứa cùng số phân tử, bất kể là loại khí nào”.
[Trường hợp 1] Giả thuyết bị lãng quên suốt một thời gian dài
Giả thuyết của Avogadro không được chú ý trong gần nửa thế kỷ. Mãi đến năm 1860, tức 4 năm sau khi ông qua đời, giả thuyết này mới được đánh giá lại khi nhà hóa học người Ý Stanislao Cannizzaro phổ biến rộng rãi giá trị của nó tại hội nghị các nhà hóa học quốc tế tổ chức ở Karlsruhe, Đức.
[Trường hợp 2] Những nhà khoa học đo đạc và đặt tên cho con số
Năm 1865, Josef Loschmidt người Áo lần đầu tiên ước tính số phân tử có trong một thể tích khí nhất định. Năm 1909, Jean Perrin người Pháp đã đo con số này bằng nhiều thí nghiệm, trong đó có việc quan sát chuyển động Brown, tức chuyển động bất quy tắc của các hạt nhỏ trong nước, và đặt tên cho nó là “số Avogadro”. Qua nghiên cứu này, Perrin củng cố bằng chứng rằng nguyên tử thực sự tồn tại và được trao giải Nobel Vật lý năm 1926.
Năm 2019, mol được định nghĩa lại bằng con số
Từ năm 1971, mol được định nghĩa là “lượng chất có số hạt bằng số nguyên tử có trong 12 gam nguyên tử carbon-12”. Với cách này, số Avogadro phải được xác định bằng thực nghiệm nên giá trị luôn có một chút sai số.
(1) Giá trị chính xác không có sai số
Từ ngày 20 tháng 5 năm 2019, Hệ đơn vị quốc tế đã ấn định hằng số Avogadro chính xác bằng 6.02214076 nhân với 10 lũy thừa 23 (trên mol). Giờ đây, 1 mol được định nghĩa bằng số lượng chính xác thay vì trọng lượng; cùng ngày đó, các đơn vị cơ bản khác như kilôgam cũng được định nghĩa lại dựa trên những hằng số bất biến.
(2) Quả cầu tròn nhất thế giới
Trong quá trình xác định giá trị này, một nghiên cứu hợp tác quốc tế đã đóng vai trò lớn khi gia công tinh thể silic-28 có độ tinh khiết cực cao thành hình cầu gần như hoàn hảo rồi đếm số nguyên tử bên trong.
(3) Ngày kỷ niệm của các nhà hóa học
Tại các trường học ở Mỹ và một số nơi khác, người ta còn lấy 6.02 và 10 lũy thừa 23 trong số Avogadro làm cơ sở để kỷ niệm “Ngày Mol (Mole Day)” vào ngày 23 tháng 10, từ 6 giờ 2 phút sáng đến 6 giờ 2 phút chiều.
Số Avogadro là người phiên dịch của hóa học, giúp chuyển những nguyên tử quá nhỏ để đếm thành lượng chất mà chúng ta có thể thao tác. Từ việc xác định lượng thành phần khi bào chế thuốc đến tính toán nguyên liệu cần cho phản ứng, con số này được sử dụng khắp các phòng thí nghiệm và nhà máy.
Hình dung việc quy đổi những hạt không thể nhìn thấy thành số lượng có thể đếm được chính là bước đầu tiên của tư duy hóa học.
