Hukum Avogadro: Isi Padu dan Bilangan Mol Gas

Jika dua sampel gas berada pada suhu dan tekanan yang sama, sampel yang mengandungi lebih banyak zarah memerlukan isi padu yang lebih besar untuk mengekalkan tekanan yang sama. Hubungan ini dirumuskan oleh hukum Avogadro sebagai V berkadar terus dengan n apabila suhu dan tekanan dikekalkan.

Nisbah isi padu kepada bilangan mol kekal

Bagi keadaan suhu dan tekanan yang tidak berubah, hubungan boleh ditulis V/n = pemalar. Jika bilangan mol digandakan dalam keadaan ideal yang sama, isi padu juga berganda. Hubungan ini ialah salah satu komponen yang bergabung membentuk hukum gas ideal.

Isi padu sama membawa bilangan zarah sama dalam model ideal

Satu akibat penting ialah isi padu gas ideal yang sama pada suhu dan tekanan yang sama mengandungi bilangan zarah yang sama, tanpa bergantung pada identiti kimia gas. Jisim sampel masih boleh berbeza kerana zarah gas yang berlainan mempunyai jisim molekul yang berlainan.

Hukum Avogadro dan pemalar Avogadro ialah konsep berbeza

Hukum Avogadro menerangkan hubungan isi padu gas dengan bilangan mol pada suhu dan tekanan tetap. Pemalar Avogadro pula ialah bilangan entiti bagi setiap mol dan nilainya ditetapkan tepat dalam Sistem Unit Antarabangsa. Kedua-duanya berkongsi nama sejarah, tetapi tidak membawa maksud yang sama.

Isi padu molar bergantung pada keadaan rujukan

Isi padu molar ialah isi padu yang diduduki oleh satu mol gas, iaitu V/n. Nilainya bukan pemalar sejagat kerana ia bergantung pada suhu dan tekanan. Bagi gas ideal pada 0 °C (273.15 K) dan tekanan 1 atm (101.325 kPa), isi padu molar ialah kira-kira 22.41 L/mol. Pada 0 °C dan tekanan 1 bar (100 kPa), nilainya kira-kira 22.71 L/mol. Pada 25 °C dan 1 bar, nilainya kira-kira 24.79 L/mol. Perbezaan ini muncul kerana V = nRT/P, jadi isi padu molar berubah apabila suhu atau tekanan berubah.

Contoh pengiraan menggunakan nisbah isi padu

Andaikan 2.0 mol gas ideal menduduki 48 L pada suhu dan tekanan tertentu. Jika gas ditambah pada suhu dan tekanan yang sama sehingga jumlahnya menjadi 3.0 mol, hukum Avogadro menyatakan V1/n1 = V2/n2. Maka V2 = 48 L × (3.0/2.0) = 72 L. Penambahan 1.0 mol menambah 24 L, jadi isi padu molar pada keadaan itu ialah 24 L/mol, dan nilai ini hampir sama dengan isi padu molar pada sekitar 25 °C dan 1 bar.

Hukum Avogadro tidak sama dengan hukum isi padu gabungan Gay-Lussac

Pada awal abad ke-19, Joseph Louis Gay-Lussac memerhatikan bahawa gas yang bertindak balas, apabila diukur pada suhu dan tekanan yang sama, bergabung dalam nisbah isi padu nombor bulat yang kecil. Contohnya, dua isi padu hidrogen bertindak balas dengan satu isi padu oksigen untuk menghasilkan dua isi padu wap air (2H2 + O2 → 2H2O). Itu ialah pemerhatian tentang isi padu yang bertindak balas. Hipotesis Avogadro pula membantu menerangkan sebab di sebaliknya: pada suhu dan tekanan yang sama, isi padu berkadar dengan bilangan zarah, jadi nisbah isi padu 2 : 1 : 2 mencerminkan nisbah bilangan molekul dalam persamaan. Nisbah isi padu 2 : 1 : 2 itu merujuk kepada bahan dalam fasa gas yang diukur pada suhu dan tekanan yang sama, termasuk air sebagai wap air. Jika suhu dan tekanan menyebabkan air memeluwap menjadi cecair, isi padu air itu tidak boleh dibaca terus sebagai isi padu gas, dan nisbah tersebut tidak terpakai kepada pepejal atau cecair.

Daripada hipotesis 1811 kepada penerimaan selepas 1860

Amedeo Avogadro mencadangkan pada 1811 bahawa isi padu gas yang sama, pada suhu dan tekanan yang sama, mengandungi bilangan molekul yang sama, dan bahawa gas seperti hidrogen dan oksigen wujud sebagai molekul yang terdiri daripada dua atom. Cadangan itu tidak diterima secara meluas pada masa itu. Pada Kongres Karlsruhe 1860, Stanislao Cannizzaro menghidupkan semula hujah tersebut dan menunjukkan bahawa ia membolehkan jisim atom dan formula molekul ditentukan dengan lebih konsisten. Bilangan zarah dalam satu mol, yang kini dinamakan pemalar Avogadro, ditentukan secara eksperimen lama selepas Avogadro meninggal dunia.

Gas sebenar boleh menyimpang daripada hubungan ideal

Hubungan berkadar terus ini paling tepat apabila gas menghampiri tingkah laku ideal. Pada tekanan tinggi atau suhu yang cukup rendah sehingga daya antara molekul dan saiz zarah menjadi penting, gas sebenar boleh menyimpang daripada jangkaan model ideal.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?