La loi d'Avogadro est l'une des lois expérimentales des gaz, qui en physique établit une relation entre le volume et le nombre d’atomes ou de molécules qui composent un gaz.
Le nom de la loi a été établi en l'honneur d’Amedeo Avogadro qui, en 1812, a soulevé son hypothèse. L'hypothèse d'Avogadro était que deux échantillons donnés d'un gaz parfait, de même volume occupé et dans les mêmes conditions de température et de pression, contiennent le même nombre de particules.
En réalité, le comportement des gaz réels est légèrement différent de celui des gaz parfaits. Bien que la loi d'Avogadro ne soit valable qu'approximativement, elle reste une approximation utile pour les chimistes.
Le principe d'Avogadro a permis de résoudre les conflits entre Dalton et Gay-Lussac.
En 1983, Émile Clapeyron a formulé la loi des gaz parfaits en combinant les lois de Boyle, de Charles et de Gay-Lussac, ainsi que celle d'Avogadro.
Qu’est-ce que le nombre d’Avogadro ?
Le nombre d'Avogadro (ou la constante d'Avogadro) est une constante physique qui représente le nombre d'atomes ou de molécules dans une mole d'une substance. Il est exprimé avec la lettre majuscule N et avoisine 6,02 x 1023 .
Par exemple, le nombre d'atomes de carbone 12 dans un mol est 6,022 x 1023 et sa masse est d'environ 12 grammes, (12,01070 ± 0,00080 g/mol).
Qu'est-ce que la loi d’Avogadro ?
La loi d'Avogadro est l'une des lois fondamentales des gaz par la compréhension de la chimie. La loi établit que : « tous les cas qui sont dans les mêmes conditions de pression, de volume et de température, ont le même nombre d'entités».
La loi d'Avogadro est aussi connue par la loi d'Avogadro-Ampère, parce qu' elle a été énoncée par Amedeo Avogadro en 18112, mais elle a été proposée indépendamment par André-Marie Ampère en 1814.
A titre d'exemple, si l'on prend des volumes identiques d'azote et d'hydrogène et d'azote à l'état gazeux avec les mêmes conditions de pression et de température, on constate qu'ils contiennent le même nombre de molécules se comportant selon les lois des gaz parfaits.
Formule de la loi d'Avogadro
Cette loi stipule que tous les gaz qui sont dans les mêmes conditions de température et de pression ont la même quantité de substance qui est proportionnelle au volume qu'ils occupent.
Mathématiquement, la formule de la loi d'Avogadro peut être exprimée comme suit :
Où:
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V1 et V2 sont les volumes de deux gaz différents
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n1 et n2 sont les quantités de substance gazeuse (mesurées en moles) des deux gaz.
Comme on peut le voir, les volumes sont directement proportionnels aux moles de gaz de chaque substance.
Le volume occupé est appelé volume molaire standard si le gaz est à température et pression standard.
Les hypothèses d’Avogadro
Amedeo Avogadro, dans son article de 1811, émet plusieurs hypothèses :
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Premièrement, le même volume de gaz contient le même nombre de molécules dans les mêmes conditions de température et de pression.
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Les éléments gazeux, tels que l'hydrogène, l'azote et l'oxygène, sont constitués de molécules diatomiques.
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Les molécules sont minuscules par rapport à l'espace qui les sépare dans les gaz.
Selon Avogadro, dans une réaction chimique, une molécule de réactif doit réagir avec une ou plusieurs molécules d'un autre réactif, donnant naissance à une ou plusieurs molécules du produit. En revanche, une molécule ne peut pas réagir avec un nombre non entier de molécules, déjà que l'unité minimale d'un réactif est la molécule. Il doit donc exister un rapport d'entiers simples entre les molécules des réactifs et entre ces molécules et celles du produit.
Pour cette raison, il doit y avoir une relation directe entre ces volumes de gaz et le nombre de molécules qu'ils contiennent. Pour expliquer cette loi, Avogadro a proposé l'hypothèse que les molécules de la plupart des gaz élémentaires les plus courants (hydrogène, azote, oxygène, chlore, etc.) étaient diatomiques. Par conséquent, par des réactions chimiques, ils peuvent être séparés en deux atomes.
Étant donné que les molécules des différents éléments ont des volumes différents, il faut supposer qu'elles n'occupent pas tout le volume du gaz se touchant.
Applications de la loi d'Avogadro
La loi est importante car elle permet de calculer la quantité d'une substance à partir du nombre de moles de gaz ou de sa masse. Il peut également être utilisé pour convertir entre différentes unités de concentration, telles que la molalité et la molarité .
En outre, la loi d'Avogadro peut être utilisée pour calculer la quantité de gaz dans un récipient à partir du nombre de moles ou de la pression. Il peut également être utilisé pour déterminer la taille des particules en suspension dans un liquide.
La constante des gaz parfaits est le produit du nombre d'Avogadro et de la constante de Boltzmann.
Exemples de la loi d'Avogadro
Voici quelques exemples de la loi d'Avogadro :
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Si la température d'un échantillon de l'élément chimique calcium est augmentée, cet élément se dilatera et aura le même nombre total d'atomes.
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Lorsqu'une montgolfière est gonflée, son volume augmente à mesure que le nombre de moles d'air augmente. Par la suite, à mesure que la température augmente, le nombre de moles diminue car le volume reste constant. Pour cette raison, la densité du fluide diminue et le ballon monte.