化學夥伴/氣體
當元素處於氣態時，它們遵循以下規則。[1]
- 它們充滿容器，但沒有自身的體積。
- 它們極易壓縮，可以被壓縮到比平時小得多的空間。
- 它們在空氣中混合，無需被混合。
- 當它們變熱時，它們會膨脹。
壓力是單位面積上的力。如果你有一本面積很大的書，輕輕地壓它，它可能與你用力壓一個別針產生的壓力相同。壓力的 SI 單位是千帕斯卡。一帕斯卡（kPa）等於 1000 牛頓力作用在 1 平方米上。或 1kPa=1000N/1m2。我們每天都經歷著壓力。當我們躺在床上時，毯子會向下壓我們。當我們坐下來吃早餐時，我們對椅子施加壓力。甚至空氣也有壓力。這被稱為“大氣壓”。海平面上的平均大氣壓為 101 kPa。我們稱之為（101 kPa）“一個標準大氣壓”或“atm”。當所有條件都正常，溫度為 0°C 且大氣壓為 atm 時，我們稱之為“標準溫度和壓力”或“STP”。當壓力為 100 kPa 且溫度為 25°C 時，稱為“標準環境溫度和壓力”或“SATP”。只要記住，STP 的字母少，熱量低，而 SATP 的字母多，熱量高。[1]
羅伯特·波義耳是一位英國化學家。他發現了關於壓力和體積的定律。他意識到，如果你壓縮一個氣體容器，體積會按相同的比例減小。如果你使壓力加倍，體積就會減半。這是方程式。[1]
- v1p1=v2p2
方程式的左側是最初的狀態（v=體積，p=壓力），右側是體積和壓力變化後的狀態。
雅克·查理斯是一位法國物理學家。他注意到氣體溫度與其體積之間的關係。他注意到，隨著氣體溫度的升高，體積會按比例增加。這可以用幾個不同的方程式來表示。[1]
- v=kT
v 代表體積，T 代表溫度，k 是一個常數。我們也可以這樣寫方程式。
- v1/T1=k 以及 v2/T2=k
或者可以簡單地寫在一起，如下所示
- v1/T1=v2/T2
查理斯和波義耳都制定了有用的公式來計算氣體的變化。如果我們將他們的理論結合起來，我們可以制定出一個非常有用的公式，它可以幫助我們計算有關氣體的所有資訊。[1]
p1v1/T1=p2v2/T2.
字母代表體積 (v)、壓力 (p) 和溫度 (T)。這個方程的優點是我們可以根據需要對其進行調整。如果壓力保持不變，我們可以將其從方程式中剔除，只寫
p1v1=p2v2
科學家在測量溫度時使用開爾文溫標。它是用開爾文表示，而不是攝氏度。將攝氏度轉換為開爾文，需加 273°C。因此，如果我們想了解夏季某一天的溫度，我們將 273°C 加到 25°C。那天，外面的溫度是 298 K！用開爾文表示溫度時，溫度始終為正數。即使是極低的溫度也不為負數。這是因為 0 開爾文是絕對零度。宇宙中沒有地方能達到這個溫度或更低。絕對零度意味著粒子本身已經停止運動。即使在太空中，恆星也會阻止事物變得那麼冷。[1]
在接受一個理論之前，必須進行實驗來證明它。如果一個想法有助於解釋許多未知現象，那就更好了。[1] 如果你走進你的房子，看到你奶奶的鞋在鞋架上，聽到她的聲音從客廳裡傳來，你可能會提出一些理論。第一種理論是，你奶奶來探望你了；第二種理論是，你奶奶在昨晚偷偷溜進你的房子時把鞋子放在鞋架上，客廳裡的聲音是會模仿聲音的鸚鵡。你可能更傾向於第一種理論：如果你得出結論，你奶奶來了，那就解釋了兩個問題。你可能還觀察到，你奶奶經常在下午來訪。第二種理論似乎不太合理。你從來沒聽說過你奶奶健忘，或者晚上出去過。而且，你也沒有鸚鵡。如果一個理論解釋了許多事物，那麼它通常更合理。正是出於這個原因，分子運動論被科學家接受了。它解釋了為什麼氣體是可壓縮的，以及為什麼存在氣體壓力。它還補充了波義耳和查理斯定律。[1]
蓋-呂薩克是一位法國科學家。他發現了氣體體積結合定律。該定律指出，如果你混合氣體，分子比率為簡單的整數。[1]
阿伏伽德羅發現了這些簡單比率的原因。他的理論指出，如果你有兩個包含相同數量氣體的容器，且溫度相同，那麼它們將包含相同數量的分子。[1] （我不知道他是如何證明這一點的，但我懷疑他有沒有數過所有的分子。）
由於氣體體積結合定律和阿伏伽德羅理論，我們有一種簡單的方法來確定方程式中每種分子的數量。[1] 假設我們知道氫氣和氧氣可以生成水，換句話說
- O2 + H → H2O
根據氣體體積結合定律，水分子數量應該是一個簡單的整數。現在，方程式是錯誤的。它表示兩個氧原子加一個氫原子等於兩個氫原子加一個氧原子。我們仍然需要平衡方程式。讓我們從氧氣開始。水分子中需要一個氧原子，但在方程式左側，氧原子以兩個為一組存在。因此，這個方程式生成了兩個水分子。現在是氫。既然我們已經決定有 2 個 H2O 分子，這意味著需要 4 個氫原子。所以方程式左側有 4 個氫原子。它將如下所示
- O2 + 4H → 2H2O
摩爾是指一定數量的粒子。這有點像說一打，但它是一個更復雜的數字。氣體的摩爾體積是指在特定溫度下的一摩爾氣體所佔據的體積。這個體積在不同氣體之間是相同的。在標準狀況下（STP），氣體的摩爾體積為 22.4 L/mol。科學家經常使用摩爾。與質量相比，使用體積更容易。它也更精確。你可以使用摩爾體積在摩爾和升之間進行轉換。