普通化學/氣體

氣體的特性

氣體具有一些特殊的性質，使其區別於物質的其他狀態。以下是氣體的性質列表

氣體的特性

• 氣體沒有固定形狀或固定體積。它們會膨脹到容器的大小。
• 氣體是流體，易於流動。
• 氣體的密度很低，除非被壓縮。由於由大量開放空間中的微小粒子組成，氣體非常可壓縮。
• 氣體會擴散（混合並擴散）和逸散（穿過小孔）。

標準溫度和壓力

標準溫度和壓力，或STP，是 0 °C 和 1 個大氣壓。用其他單位表示，STP 是 273 K 和 760 torr。我們將在下文討論的後面部分中討論開爾文和託，它們分別是溫度和壓力的有用單位。

阿伏伽德羅定律

義大利化學家阿梅代奧·阿伏伽德羅。阿伏伽德羅定律以他和他在氣體行為方面的發現命名

阿伏伽德羅定律指出，在相同溫度和壓力下，等體積的氣體含有相同數量的分子。因此，1 摩爾氙氣在 STP 下（131.3 克）和 1 摩爾氦氣在 STP 下（4.00 克）都佔 22.4 升。即使 1 摩爾空氣（由多種氣體混合而成）也佔 22.4 升的體積。22.4 L 是氣體的標準摩爾體積。

[阿伏伽德羅定律]

${\frac {V}{n}}=k\,$.

其中

V 是氣體的體積。

n 是氣體的摩爾數。

k 是比例常數。

阿伏伽德羅定律最重要的結果是理想氣體常數對所有氣體都相同。這意味著常數

${\frac {p_{1}\cdot V_{1}}{T_{1}\cdot n_{1}}}={\frac {p_{2}\cdot V_{2}}{T_{2}\cdot n_{2}}}=const$

其中

p 是氣體的壓力

T 是氣體的溫度

對所有氣體都具有相同的值，與氣體分子的大小或質量無關。

壓力

氣體對其容器和所有其他物體施加壓力。壓力衡量為單位面積上的力。氣壓計是一種測量壓力的裝置。有許多不同的單位來測量壓力

• 託，等於毫米汞柱 (mm Hg)：如果將一個沒有氣體的玻璃圓柱體放入一個盛有液態汞的盤子裡，汞會在圓柱體內上升到一定數量的毫米。
• 大氣壓 (atm)，是海平面的空氣壓力。
• 帕斯卡 (Pa)，等於 1 牛頓 (N) 每平方米。牛頓是使 1 千克物體以 1 米每秒平方的速度加速所需的力。

你應該知道1 atm = 760 torr = 101.3 kPa。

理想氣體

氣體是複雜的東西，由大量以高速運動的微小粒子組成。有許多複雜的力控制著氣體分子之間的相互作用，而這些相互作用反過來又會影響氣體的整體性質。為了繞開這些複雜性並簡化我們的研究，我們將討論理想氣體。

理想氣體是氣體的簡化模型，它遵循幾個嚴格的規則並滿足幾個限制性假設。理想氣體可以透過少數方程完全建模和預測。

理想氣體遵循以下規則，包括但不限於以下規則

理想氣體規則

1. 構成氣體的分子是點質量，這意味著它們沒有體積。
2. 氣體粒子分散得很開，每個分子之間有很大的距離。因此，分子間力基本為零，這意味著它們既不吸引也不排斥彼此。
3. 如果氣體粒子之間發生碰撞，這些碰撞是彈性的，這意味著沒有動能（運動）損失。
4. 氣體分子處於持續隨機運動狀態。
5. 溫度與動能成正比。

理想氣體定律

理想氣體可以使用理想氣體定律完全描述

[理想氣體定律]

$\ pV=nRT$

其中

$\ p$ 是氣體的絕對壓強，

$\ V$ 是氣體的體積，

$\ n$ 是氣體的摩爾數，

$\ R$ 是理想氣體常數，

$\ T$ 是絕對溫度，單位為開爾文。

理想氣體常數

R 的值	單位
8.314 472(15)	J K−1 mol−1
8.314 472(15)	m3 Pa K−1 mol−1
8.314 472(15)	cm3 MPa K−1 mol−1
0.082 057 46(14)	L atm K−1 mol−1
62.363 67(11)	L Torr K−1 mol−1

理想氣體常數 R 是理想氣體方程式中的一個常數，它有助於將各種量聯絡在一起。氣體常數表示相同的值，但它的確切數值表示可能因用於每個項的單位而異。右側的表格顯示了不同單位下 R 的一些值。以下是使用焦耳表示能量，開爾文表示溫度，摩爾表示數量的 R 值

[理想氣體常數]

$R=8.314472\ \ JK^{-1}mol^{-1}$

真實氣體

所有真實氣體（或非理想氣體）都偏離我們上面討論的理想氣體定律。這些偏差可能由於幾個原因而發生

• 真實分子具有質量和體積。它們太大，不再像理想點質量那樣表現
• 低體積和高壓會導致分子足夠靠近以產生分子間力。極性分子會加劇這個問題。
• 低溫意味著低動能。在較低的溫度下，分子間力變得顯著，不能像理想氣體那樣被忽略
• 其他複雜的因素可能會阻止理想行為。

當出現這些問題時，氣體分子會相互吸引，甚至可能冷凝成液體。當分子質量低（體積小）、非極性且處於高溫低壓時，氣體最像理想氣體。像氙或氬這樣的惰性氣體最像理想氣體，因為它們基本上是電中性的，並且不相互作用。

分子動理論

該理論解釋了為什麼氣體表現出其性質。它只准確適用於理想氣體。由於不存在理想氣體，分子動理論只能近似地描述氣體行為。它仍然對化學家非常有用。

分子動理論解釋了氣體及其分子的壓強、溫度、動能和速度。有關分子動理論的確切方程以及詳細解釋，請參見維基百科。最重要的是瞭解一般概念，而不是具體的方程。

動能和溫度

動能是機械能或運動能。它由以下公式給出

$KE={\frac {1}{2}}mv_{rms}^{2}$

其中

$m$ 是質量，而

$v_{rms}$ 是平均速度

用文字解釋，動能取決於粒子的質量與其速度平方的乘積。動能越大，粒子移動得越快。反之亦然，粒子移動得越快，它的動能就越大。

分子動理論指出動能和溫度成正比。因此，溫度加倍會導致動能加倍，速度增加 1.4 倍（2 的平方根，見 KE 方程）。這意味著氣體的溫度越高，氣體中單個粒子的移動速度就越快。

較熱的氣體比較冷的氣體具有更高的動能。如果兩種氣體處於相同的溫度，它們將具有相同的動能。質量較輕的氣體在相同的能量水平下，其粒子的平均速度會更高。重要的是要知道，氣體溫度必須以開爾文為單位測量。零攝氏度等於 273 開爾文。一攝氏度等於一開爾文，但開爾文標度將水的冰點定為 273，沸點定為 373。必須使用開爾文，因為在使用分子動理論時，溫度始終必須為正值。

讀者問題

氣體的溫度從 20°C 升高到 40°C。它的動能增加了多少倍？速度呢？

壓強和碰撞

壓強存在是因為氣體分子處於持續的隨機運動中，並且會不斷撞擊容器壁。由於碰撞力更大，隨著分子速度的增加，壓強也會增加。隨著分子質量的增加，壓強也會增加。一個小的、緩慢的分子比一個大的、快的分子動量小，這解釋了它們在壓強上的差異。

讀者問題

例如，有兩個裝有理想氣體的罐子。在 A 罐中是氮氣 (N₂)。在 B 罐中是甲烷氣 (CH₄)。兩個罐子都處於相同的溫度。哪個的壓強更大？

讀者問題

現在，A 罐和 B 罐都裝有丙烷氣 (C₃H₈)。A 罐的溫度為 300 K，B 罐的溫度為 500 K。哪個的壓強更大？