La costante avogadro caratterizza. Unità di massa atomica

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Scopri cos'è Il numero di Avogadro nelle preghiere. Studia il rapporto tra la quantità di sostanza delle molecole e il numero di Avogadro, il moto browniano, la costante dei gas e Faraday.

Il numero di molecole in una mole è chiamato numero di Avogadro, che è 6,02 x 10 23 mol -1.

Compito di apprendimento

  • Comprendere la relazione tra il numero di Avogadro e le moli.

Punti chiave

  • Avogadro suggerì che, nel caso di pressione e temperatura uniformi, volumi uguali di gas contengono lo stesso numero di molecole.
  • La costante di Avogadro è un fattore importante, poiché collega altre costanti e proprietà fisiche.
  • Albert Einstein credeva che questo numero potesse essere derivato dalle quantità moto browniano. Fu misurato per la prima volta nel 1908 da Jean Perrin.

Termini

  • La costante dei gas è la costante universale (R) risultante dalla legge dei gas ideali. Viene estratto dalla costante di Boltzmann e dal numero di Avogadro.
  • La costante di Faraday è la quantità di carica elettrica per mole di elettroni.
  • Il moto browniano è lo spostamento casuale degli elementi formati a causa dell'impatto con le singole molecole in un liquido.

Se ti trovi di fronte a un cambiamento nella quantità di una sostanza, è più semplice utilizzare un'unità diversa dal numero di molecole. La mole è l'unità base del sistema internazionale e trasporta una sostanza contenente tanti atomi quanti sono immagazzinati in 12 g di carbonio-12. Questa quantità di sostanza è chiamata numero di Avogadro.

Riuscì a stabilire una relazione tra le masse dello stesso volume di gas diversi (in condizioni della stessa temperatura e pressione). Ciò contribuisce alla relazione dei loro pesi molecolari

Il numero di Avogadro esprime il numero di molecole contenute in un grammo di ossigeno. Non dimenticare che questa è un'indicazione delle caratteristiche quantitative di una sostanza e non una dimensione di misurazione indipendente. Nel 1811 Avogadro intuì che il volume di un gas può essere proporzionale al numero di atomi o molecole, e questo non sarà influenzato dalla natura del gas (il numero è universale).

Jean Perinne vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1926 per aver derivato la costante di Avogadro. Quindi il numero di Avogadro è 6,02 x 10 23 mol -1.

significato scientifico

La costante di Avogadro svolge il ruolo di un importante collegamento nelle osservazioni naturali macro e microscopiche. In un certo senso costruisce un ponte per altre costanti e proprietà fisiche. Ad esempio, stabilisce una relazione tra la costante dei gas (R) e quella di Boltzmann (k):

R = kN A = 8.314472 (15) J mol -1 K -1 .

E anche tra la costante di Faraday (F) e la carica elementare (e):

F = N A e = 96485.3383 (83) C mol -1 .

Calcolo costante

La definizione del numero influisce sul calcolo della massa di un atomo, che si ottiene dividendo la massa di una mole di gas per il numero di Avogadro. Nel 1905, Albert Einstein suggerì di derivarlo in base all'entità del moto browniano. Fu questa l’idea che Jean Perrin sperimentò nel 1908.

Legge di Avogadro

Agli albori dello sviluppo della teoria atomica (), A. Avogadro avanzò un'ipotesi secondo la quale, alla stessa temperatura e pressione, volumi uguali di gas ideali contengono lo stesso numero molecole. Successivamente è stato dimostrato che questa congettura è una conseguenza necessaria di teoria cinetica, ed è ora conosciuta come legge di Avogadro. Può essere formulato come segue: una mole di qualsiasi gas alla stessa temperatura e pressione occupa lo stesso volume, in condizioni normali pari a 22,41383 . Questa quantità è nota come volume molare del gas.

Lo stesso Avogadro non ha stimato il numero di molecole in un dato volume, ma ha capito che si tratta di un valore molto grande. Il primo tentativo di trovare il numero di molecole che occupano un dato volume è stato effettuato nel corso dell'anno J.Loschmidt. Dai calcoli di Loschmidt risulta che per l'aria il numero di molecole per unità di volume è 1,81·10 18 cm −3, che è circa 15 volte inferiore al valore reale. Dopo 8 anni, Maxwell fornì una stima molto più precisa di "circa 19 milioni di milioni di milioni" di molecole per centimetro cubo, ovvero 1,9·10 19 cm −3 . Infatti, 1 cm³ di gas ideale in condizioni normali contiene 2.68675·10 19 molecole. Questa quantità è stata chiamata numero di Loschmidt (o costante). Da allora sono stati sviluppati numerosi metodi indipendenti per determinare il numero di Avogadro. L'ottimo accordo dei valori ottenuti è una prova convincente del numero reale di molecole.

Misurazione costante

Il valore ufficialmente accettato del numero di Avogadro oggi è stato misurato nel 2010. Per questo sono state utilizzate due sfere di silicio-28. Le sfere sono state ottenute presso l'Istituto Leibniz di Cristallografia e lucidate presso l'Australian Centre for High Precision Optics in modo così uniforme che l'altezza delle sporgenze sulla loro superficie non ha superato i 98 nm. Per la loro produzione è stato utilizzato il silicio-28 di elevata purezza, isolato presso l'Istituto di chimica delle sostanze di elevata purezza di Nizhny Novgorod dell'Accademia delle scienze russa dal tetrafluoruro di silicio altamente arricchito in silicio-28, ottenuto presso l'Ufficio centrale di progettazione meccanica Ingegneria a San Pietroburgo.

Avendo oggetti praticamente ideali, è possibile contare con elevata precisione il numero di atomi di silicio nella palla e determinare così il numero di Avogadro. Secondo i risultati ottenuti, è uguale a 6.02214084(18)×10 23 mol −1 .

Relazione tra costanti

  • Attraverso il prodotto della costante di Boltzmann, la costante universale dei gas, R=kN UN.
  • Attraverso il prodotto di una carica elettrica elementare per il numero di Avogadro si esprime la costante di Faraday, F=en UN.

Guarda anche

Appunti

Letteratura

  • Il numero di Avogadro // Grande Enciclopedia Sovietica

Fondazione Wikimedia. 2010 .

Scopri cos'è il "Numero di Avogadro" in altri dizionari:

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    Na \u003d (6,022045 ± 0,000031) * 10 23 il numero di molecole in una mole di qualsiasi sostanza o il numero di atomi in una mole di una sostanza semplice. Una delle costanti fondamentali, con la quale è possibile determinare quantità come, ad esempio, la massa di un atomo o di una molecola (vedi ... ... Enciclopedia Collier

Sappiamo da un corso di chimica scolastico che se prendiamo una mole di qualsiasi sostanza, conterrà 6.02214084(18).10^23 atomi o altri elementi strutturali (molecole, ioni, ecc.). Per comodità, il numero di Avogadro viene solitamente scritto in questa forma: 6.02. 10^23.

Ma perché la costante di Avogadro (in ucraino “divenne Avogadro”) è uguale a questo valore? Non c'è risposta a questa domanda nei libri di testo e gli storici della chimica offrono una varietà di versioni. Sembra che il numero di Avogadro abbia un significato segreto. Dopotutto, ci sono numeri magici, dove alcuni includono il numero "pi", i numeri di Fibonacci, sette (otto a est), 13, ecc. Combatteremo il vuoto informativo. Non parleremo di chi è Amedeo Avogadro e perché, oltre alla legge da lui formulata, la costante trovata, a questo scienziato è stato intitolato anche un cratere sulla Luna. Sono già stati scritti molti articoli a riguardo.

Per essere precisi, non ho contato le molecole o gli atomi in nessun volume particolare. La prima persona a cercare di capire quante molecole di gas

contenuto in un dato volume alla stessa pressione e temperatura, era Josef Loschmidt, e ciò avvenne nel 1865. Come risultato dei suoi esperimenti, Loschmidt giunse alla conclusione che in un centimetro cubo di qualsiasi gas in condizioni normali c'è 2,68675. 10^19 molecole.

Successivamente furono inventati metodi indipendenti su come determinare il numero di Avogadro e, poiché i risultati per la maggior parte coincidevano, ciò parlò ancora una volta a favore dell'effettiva esistenza delle molecole. Al momento, il numero di metodi ha superato i 60, ma negli ultimi anni gli scienziati hanno cercato di migliorare ulteriormente l'accuratezza della stima al fine di introdurre una nuova definizione del termine “chilogrammo”. Finora il chilogrammo viene confrontato con lo standard del materiale scelto senza alcuna definizione fondamentale.

Tuttavia, torniamo alla nostra domanda: perché questa costante è uguale a 6.022 . 10^23?

In chimica, nel 1973, per comodità nei calcoli, fu proposto di introdurre un concetto come "quantità di sostanza". L’unità base per misurare la quantità era la mole. Secondo le raccomandazioni IUPAC, la quantità di qualsiasi sostanza è proporzionale al numero delle sue specifiche particelle elementari. Il coefficiente di proporzionalità non dipende dal tipo di sostanza e il numero di Avogadro è il suo reciproco.

Per illustrare, facciamo un esempio. Come è noto dalla definizione di unità di massa atomica, 1 a.m.u. corrisponde a un dodicesimo della massa di un atomo di carbonio 12C ed è 1,66053878,10^(−24) grammi. Se moltiplichi 1 a.m.u. per la costante di Avogadro si ottengono 1.000 g/mol. Ora prendiamo un po', diciamo, di berillio. Secondo la tabella, la massa di un atomo di berillio è 9,01 amu. Calcoliamo a quanto equivale una mole di atomi di questo elemento:

6,02 x 10^23 mol-1 * 1,66053878x10^(−24) grammi * 9,01 = 9,01 grammi/mol.

Quindi, risulta che numericamente coincide con l'atomico.

La costante di Avogadro è stata scelta appositamente in modo che la massa molare corrispondesse a un valore atomico o adimensionale, un valore molecolare relativo.

Dottore in scienze fisiche e matematiche Evgeny Meilikhov

Introduzione (abbreviata) al libro: Il numero di Meilikhov EZ Avogadro. Come vedere un atomo. - Dolgoprudny: Casa editrice "Intelletto", 2017.

Lo scienziato italiano Amedeo Avogadro, contemporaneo di A. S. Pushkin, fu il primo a capire che il numero di atomi (molecole) in un grammo-atomo (mole) di una sostanza è lo stesso per tutte le sostanze. La conoscenza di questo numero apre la strada alla stima della dimensione degli atomi (molecole). Durante la vita di Avogadro, la sua ipotesi non ricevette il dovuto riconoscimento.

La storia del numero di Avogadro è oggetto di un nuovo libro di Evgeny Zalmanovich Meilikhov, professore all'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, capo ricercatore presso il Centro nazionale di ricerca "Kurchatov Institute".

Se, a seguito di una catastrofe mondiale, tutta la conoscenza accumulata venisse distrutta e solo una frase arrivasse alle future generazioni di esseri viventi, allora quale affermazione, composta dal minor numero di parole, porterebbe la maggior parte delle informazioni? Credo che questa sia l'ipotesi atomica: ... tutti i corpi sono composti da atomi, piccoli corpi in costante movimento.
R. Feynmann. Feynman Lezioni di fisica

Il numero di Avogadro (costante di Avogadro, costante di Avogadro) è definito come il numero di atomi in 12 grammi dell'isotopo puro carbonio-12 (12 C). Di solito è indicato come N A, meno spesso L. Il valore del numero di Avogadro raccomandato dal CODATA (gruppo di lavoro sulle costanti fondamentali) nel 2015: N A = 6.02214082(11) 10 23 mol -1. Una mole è la quantità di una sostanza che contiene N A elementi strutturali (cioè tanti elementi quanti sono gli atomi in 12 g 12 C), e gli elementi strutturali sono solitamente atomi, molecole, ioni, ecc. Per definizione, la massa atomica l'unità di massa (a.e. .m) è pari a 1/12 della massa di un atomo di 12 C. Una mole (grammo-mol) di una sostanza ha una massa (massa molare) che, quando espressa in grammi, è numericamente uguale al peso molecolare di questa sostanza (espresso in unità di massa atomica). Ad esempio: 1 mole di sodio ha una massa di 22,9898 g e contiene (circa) 6,02 10 23 atomi, 1 mole di fluoruro di calcio CaF 2 ha una massa di (40,08 + 2 18,998) = 78,076 g e ne contiene (circa) 6 . 02 10 23 molecole.

Alla fine del 2011, in occasione della XXIV Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure, è stata adottata all'unanimità la proposta di definire la mole in una futura versione del Sistema Internazionale di Unità (SI) in modo tale da evitare il suo collegamento con la definizione del grammo. Si presuppone che nel 2018 la mole sarà determinata direttamente dal numero di Avogadro, al quale verrà assegnato un valore esatto (senza errori) in base ai risultati della misurazione consigliati da CODATA. Finora il numero di Avogadro non è accettato per definizione, ma un valore misurato.

Questa costante prende il nome dal famoso chimico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856), il quale, sebbene lui stesso non conoscesse questo numero, capì che si trattava di un valore molto grande. Agli albori dello sviluppo della teoria atomica, Avogadro avanzò un'ipotesi (1811), secondo la quale, alla stessa temperatura e pressione, volumi uguali di gas ideali contengono lo stesso numero di molecole. Successivamente si dimostrò che questa ipotesi era una conseguenza della teoria cinetica dei gas ed è ora nota come legge di Avogadro. Può essere formulato come segue: una mole di qualsiasi gas alla stessa temperatura e pressione occupa lo stesso volume, in condizioni normali pari a 22,41383 litri (le condizioni normali corrispondono a pressione P 0 \u003d 1 atm e temperatura T 0 \u003d 273,15 K ). Questa quantità è nota come volume molare del gas.

Il primo tentativo di trovare il numero di molecole che occupano un dato volume fu fatto nel 1865 da J. Loschmidt. Dai suoi calcoli risulta che il numero di molecole per unità di volume d'aria è 1,8·10 18 cm -3, che, come si è scoperto, è circa 15 volte inferiore al valore corretto. Otto anni dopo, J. Maxwell fornì una stima molto più vicina alla verità: 1,9·10 19 cm -3. Finalmente, nel 1908, Perrin fornisce una stima già accettabile: N A = 6,8·10 23 mol -1 Numero di Avogadro, ricavato da esperimenti sul moto browniano.

Da allora, sono stati sviluppati numerosi metodi indipendenti per determinare il numero di Avogadro e misurazioni più accurate hanno dimostrato che in realtà ci sono (approssimativamente) 2,69 x 10 19 molecole in 1 cm 3 di un gas ideale in condizioni normali. Questa quantità è chiamata numero di Loschmidt (o costante). Corrisponde al numero di Avogadro N A ≈ 6.02·10 23 .

Il numero di Avogadro è una delle costanti fisiche importanti che ha avuto un ruolo importante nello sviluppo delle scienze naturali. Ma è una “costante fisica universale (fondamentale)”? Il termine in sé non è definito e solitamente è associato ad una tabella più o meno dettagliata dei valori numerici delle costanti fisiche che dovrebbero essere utilizzate nella risoluzione dei problemi. A questo proposito, le costanti fisiche fondamentali sono spesso considerate quelle quantità che non sono costanti di natura e devono la loro esistenza solo al sistema di unità scelto (come, ad esempio, le costanti del vuoto magnetico ed elettrico) o ad accordi internazionali condizionali (come, ad esempio, l'unità di massa atomica). Il numero di costanti fondamentali spesso include molte quantità derivate (ad esempio, la costante dei gas R, il raggio dell'elettrone classico r e \u003d e 2 /m e c 2, ecc.) o, come nel caso del volume molare, il valore di alcuni fisici parametro relativo a specifiche condizioni sperimentali scelte solo per ragioni di convenienza (pressione 1 atm e temperatura 273,15 K). Da questo punto di vista il numero di Avogadro è una costante davvero fondamentale.

Questo libro è dedicato alla storia e allo sviluppo di metodi per determinare questo numero. L'epopea durò circa 200 anni e in diverse fasi fu associata a una varietà di modelli fisici e teorie, molte delle quali non hanno perso la loro rilevanza fino ai giorni nostri. Le menti scientifiche più brillanti hanno avuto un ruolo in questa storia: basti citare A. Avogadro, J. Loschmidt, J. Maxwell, J. Perrin, A. Einstein, M. Smoluchovsky. L'elenco potrebbe continuare all'infinito...

L'autore deve ammettere che l'idea del libro non appartiene a lui, ma a Lev Fedorovich Soloveichik, suo compagno di classe all'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, un uomo impegnato nella ricerca applicata e nello sviluppo, ma rimasto un romantico fisico nel cuore. Questa è una persona che (una delle poche) continua “anche nella nostra epoca crudele” a lottare per una vera educazione fisica “superiore” in Russia, apprezza e, al meglio delle sue capacità, promuove la bellezza e l'eleganza delle idee fisiche . È noto che dalla trama, che A. S. Pushkin ha presentato a N. V. Gogol, è nata una brillante commedia. Naturalmente non è questo il caso, ma forse questo libro tornerà utile anche a qualcuno.

Questo libro non è un'opera di "scienza popolare", anche se a prima vista può sembrare così. Discute la fisica seria rispetto a un contesto storico, usa la matematica seria e discute modelli scientifici piuttosto complessi. In effetti, il libro è composto da due parti (non sempre nettamente delimitate), pensate per lettori diversi: alcuni potrebbero trovarlo interessante da un punto di vista storico e chimico, mentre altri potrebbero concentrarsi sul lato fisico e matematico del problema. L'autore aveva in mente un lettore curioso: uno studente della Facoltà di Fisica o Chimica, non estraneo alla matematica e appassionato di storia della scienza. Esistono studenti del genere? L'autore non conosce la risposta esatta a questa domanda, ma, in base alla propria esperienza, spera che esista.

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La legge di Avogadro in chimica aiuta a calcolare il volume, la massa molare, la quantità di una sostanza gassosa e la densità relativa di un gas. L'ipotesi fu formulata da Amedeo Avogadro nel 1811 e fu successivamente confermata sperimentalmente.

Legge

Joseph Gay-Lussac fu il primo a studiare le reazioni dei gas nel 1808. Ha formulato le leggi dell'espansione termica dei gas e dei rapporti volumetrici, avendo ottenuto dall'acido cloridrico e dall'ammoniaca (due gas) una sostanza cristallina - NH 4 Cl (cloruro di ammonio). Si è scoperto che per crearlo è necessario prendere gli stessi volumi di gas. Inoltre, se un gas era in eccesso, la parte “extra” dopo la reazione restava inutilizzata.

Poco dopo Avogadro formulò la conclusione che, alle stesse temperature e pressioni, volumi uguali di gas contengono lo stesso numero di molecole. In questo caso, i gas possono avere proprietà chimiche e fisiche diverse.

Riso. 1. Amedeo Avogadro.

Dalla legge di Avogadro seguono due conseguenze:

  • Primo - una mole di gas a parità di condizioni occupa lo stesso volume;
  • secondo - il rapporto tra le masse di volumi uguali di due gas è uguale al rapporto delle loro masse molari ed esprime la densità relativa di un gas in termini di un altro (indicato con D).

Le condizioni normali (n.s.) sono pressione P=101,3 kPa (1 atm) e temperatura T=273 K (0°C). In condizioni normali, il volume molare dei gas (il volume di una sostanza rispetto alla sua quantità) è 22,4 l / mol, cioè 1 mol di gas (6,02 ∙ 10 23 molecole - numero costante Avogadro) occupa un volume di 22,4 litri. Il volume molare (V m) è un valore costante.

Riso. 2. Condizioni normali.

Risoluzione dei problemi

Il significato principale della legge è la capacità di eseguire calcoli chimici. In base alla prima conseguenza della legge, è possibile calcolare la quantità di materia gassosa attraverso il volume utilizzando la formula:

dove V è il volume del gas, V m è il volume molare, n è la quantità di sostanza, misurata in moli.

La seconda conclusione della legge di Avogadro riguarda il calcolo della densità relativa di un gas (ρ). La densità viene calcolata utilizzando la formula m/V. Se consideriamo 1 mole di gas, la formula della densità sarà simile a questa:

ρ (gas) = ​​M/V m ,

dove M è la massa di una mole, cioè massa molare.

Per calcolare la densità di un gas a partire da un altro gas, è necessario conoscere la densità dei gas. La formula generale per la densità relativa di un gas è la seguente:

D(y)x = ρ(x) / ρ(y),

dove ρ(x) è la densità di un gas, ρ(y) è la densità del secondo gas.

Se sostituiamo il calcolo della densità nella formula, otteniamo:

D (y) x \u003d M (x) / V m / M (y) / V m.

Il volume molare diminuisce e rimane

D(y)x = M(x) / M(y).

Prendere in considerazione uso pratico legge sull'esempio di due compiti:

  • Quanti litri di CO 2 si otterranno da 6 mol di MgCO 3 nella reazione di decomposizione di MgCO 3 in ossido di magnesio e anidride carbonica (n.o.)?
  • Qual è la densità relativa della CO 2 per l'idrogeno e per l'aria?

Risolviamo prima il primo problema.

n(MgCO3) = 6 mol

MgCO 3 \u003d MgO + CO 2

La quantità di carbonato di magnesio e anidride carbonica è la stessa (una molecola ciascuno), quindi n (CO 2) \u003d n (MgCO 3) \u003d 6 mol. Dalla formula n \u003d V / V m, puoi calcolare il volume:

V = nV m , cioè V (CO 2) \u003d n (CO 2) ∙ V m \u003d 6 mol ∙ 22,4 l / mol \u003d 134,4 l

Risposta: V (CO 2) \u003d 134,4 l

Soluzione del secondo problema:

  • D (H2) CO 2 \u003d M (CO 2) / M (H 2) \u003d 44 g / mol / 2 g / mol \u003d 22;
  • D (aria) CO 2 \u003d M (CO 2) / M (aria) \u003d 44 g / mol / 29 g / mol \u003d 1,52.

Riso. 3. Formule per la quantità di sostanza in volume e densità relativa.

Le formule della legge di Avogadro funzionano solo per le sostanze gassose. Non si applicano a liquidi e solidi.

Cosa abbiamo imparato?

Secondo la formulazione della legge, volumi uguali di gas nelle stesse condizioni contengono lo stesso numero di molecole. In condizioni normali (n.c.), il valore del volume molare è costante, cioè V m per i gas è sempre 22,4 l/mol. Dalla legge consegue che lo stesso numero di molecole di gas diversi in condizioni normali occupa lo stesso volume, così come la densità relativa di un gas in un altro: il rapporto tra la massa molare di un gas e la massa molare del secondo gas.

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