化學原理啟迪130

1.     實驗證明，凡德瓦改變分子動力理論的部分，確實把模型的重大誤差修正了。

2.     首先，讓我們來想想體積的影響力。氣體在低壓（大體積）的時候，「容器的體積」與「氣體粒子本身的體積相比」，顯得非常大。

3.     也就是，「氣體佔據的空間」的體積，基本上就等於「容器的體積」，所以，低壓下的氣體表現蠻符合理想氣體定律。

4.     另一方面，氣體在高壓的狀況下，粒子本身的體積就變得重要了（壓力大，空間小，粒子體積佔總空間體積的比例變大），所以，「粒子佔據的空間」體積，實際上應該小於「容器的體積」。

5.     特別注意，一般而言，修正體積的常數b，會隨著氣體粒子的變大，而變大，這個現象也讓這個議題得到更進一步的支持。

6.     真實的氣體，在高溫下行為比較接近理想氣體定律，這個現象，可以用凡德瓦模型解釋。在高溫下，氣體粒子的運動變快，因此粒子間的引力的影響力就變得微不足道了。

7.     凡德瓦對分子動力理論的修正很符合物理學的道理，同時也讓我們更確信，我們對氣體基本行為模式，深入瞭解到粒子等級。這一點十分重要，因為許多化學反應是在氣態進行。事實上，混合各種氣體的大氣層，就是延續我們生命的關鍵。

n         翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》

n         圖片來源：www.chem.ufl.edu

研析心得：

1.     人類跟地球上許多生物，都需要靠呼吸空氣來生活。這對有獨立思考能力的人來說，真是一件其妙的事情，到底空氣裡面有什麼東西呢？是一些微小的氣體粒子；那些微小的粒子是什麼樣子呢？有沒有體積、會不會運動呢？

2.     有些科學家研究氣體的重點是分析空氣有哪些組成成份？各自的特色是什麼？他們發現並且比較氧氣、二氧化碳、氫氣等不同氣體的性質；而波以爾、查理、亞佛加厥，則專注在研究氣體的共通性－它們的物理性質。

3.     波以爾發現氣體粒子會對容器施展力量，最明顯的現象就是「體積」與「壓力」的變化，在固定數量與溫度下，容器裡的氣體「體積愈大，壓力愈小，體積愈小，壓力愈大」。

PV=k   注：P―壓力；V―體積；k―常數。

4.     查理發現，溫度會改變粒子對容器施展的力量，同樣的粒子數量，「溫度愈高，體積愈大，溫度愈低，體積愈小」。

V=bT   注：V―體積；b―常數；T―溫度。

5.     亞佛加厥發現，數量也會改變粒子對容器施展的力量，在溫度與壓力等條件一樣的情況下，粒子的「數量愈多，體積愈大，數量愈少，體積愈小」。

V=an   注：V―體積；a―常數；n―莫耳數。

6.     把這幾個氣體的主要現象綜合起來，就得到氣體性質的概略面貌：理想氣體定律 PV=nRT ，這是第一階段的氣體研究成果。

7.     接下來，科學家想知道，在種種現象底下，氣體粒子真正的運作機制是什麼?量化的分子動力模型，詳細解釋氣體內部的運動細節。

8.     分子動力模型，把粒子在容器中複雜的彈撞運動簡化成，「一顆粒子，從容器牆壁一端，往對面牆壁撞擊，並且反彈1次」的運動模式。

9.     這個模型中的，每莫耳氣體粒子的「動能」，跟理想氣體觀察到的「現象」，有固定的比例關係，顯示分子動力理論的運動模式，確實反映了理想氣體內部的真實情況。

PV/n=RT=2/3(KE)avg  注：(KE)avg－平均動能。

10.  因為分子動力模型的關係，更多氣體粒子的運動細節被發現，包括1.相同溫度下，每個氣體粒子的運動速率不同，但是有集中在某個速率的趨勢，這是M-B分布曲線。由這個理論找到各種粒子的平均速率。

11.  此外還有，2.逸散定律與擴散定律。3.粒子碰撞容器牆壁的頻率。4.粒子彼此的碰撞頻率。5.粒子二次碰撞之間的平均距離，平均自由徑…。

12.  第二階段的氣體研究，我們推論出在理想氣體狀態下，氣體粒子的各種運動資訊。接下來，還有一個問題沒有解決，就是理想氣體定律，並不完全符合真實的氣體的行為模式，理論與實際之間存在誤差。

13.  凡德瓦發現，理想氣體的模型，忽略1.粒子的體積。2.粒子之間的引力。因此，他發展一套公式，從理想氣體定律中修掉這二個因素，這樣一來，就能夠預測精準真實氣體的行為。

14.  第三階段的氣體研究成果，讓人類可以精準地操控氣體的實驗，對工業生產非常有幫助，使人類開始大量製造各種提升生活品質的產品；但是，另一個問題出現了，大量工業廢氣，排放到自然環境中，造成空氣、土壤、生物的汙染。我們要如何解決環境汙染的問題呢？這是未來科學界的挑戰。