気体化学・法則まとめボイルの法則・シャルルの法則・状態方程式

こんにちは。Horyです。

今回の記事では気体化学の歴史を振り返ると共に、高校化学で使う気体に関する公式の原理をまとめていこうと思います。

今回も頑張りましょう。

気体化学の歴史

以下に示すのは気体化学の歴史になります。

これらについて、個別に解説します。頑張りましょう。

トリチェリーとパスカルが大気圧を発見しました。

まず、発見の経緯となった実験のプロセスを以下に示します。

結果として、上の図に示すように、ガラスパイプの中に真空空間(トリチェリーの真空)ができて、大気圧下で実験を行うと高さhは約76cmになりました。

何故こんなことになるかを考えたときに、大気が容器に入った水銀の表面を押したと結論づけました。

そして、大気圧の定義(1 atm)を以下のように設定しました。

ちなみに、これを水で行った場合、高さは13.6倍になります。

ところで、何故、上の水銀の単位が現在使用されていないかというと、水銀(Hg)は温度で密度が変わりやすいです。

だから、これの代わりにPa(パスカル)という単位を用いて・・・

というように圧力を設定しました。

ボイルの法則に関してデス。これは、気体の圧力をP[Pa]、体積をV[cm3]と考えると・・・

これが、何故か説明するには気体分子運動論の説明になり、物理の内容になってしまうので、あくまでイメージで解説します(気体分子運動論については物理の記事で書きます)。

ピストンの中の粒子を考えます。

このように考えます。物理の記事ではこのボイルの法則を真面目に証明します。

シャルル法則に関してです。気体の体積をV[cm3],温度をT[K]とすると・・・

ちなみに、容器内の物質量[mol]が一定であれば次のことが成立します。

体積が0になる時を考えてみてください。
T=-273℃になります。我々はこの温度を絶対零度と呼び、新たにT=-273℃を0[K]としました。K[ケルビン]による温度の表記を絶対温度による温度表記と言います。だから0℃=273[K]です。

これは、実験によって得られた結果で、高温から低温に冷やす過程での気体の体積の減少率を正確に測定したデータによる結果です。

ちなみに、ボイルの法則と合わせてボイル・シャルルの法則と呼んでいて・・・

アボガドロの法則に関してです。気体の体積をV[cm3]、粒子数をn[個]とします。

ただし、注意があります。この法則が成立するのは同温・同圧であることが条件で、このときに、気体の種類によらず上の法則は成立します。

理想気体の状態方程式です。これは、上で解説した全てのことを使います。

上に示した一定値Rを気体定数と呼びます。ちなみに、大気圧下で1molの気体の体積を22.4Lより

計算すると上の値になります。

注意してほしいのは、これが理想気体の状態方程式ということです。理想気体とは以下の条件を満たす気体です。

ここで、理想気体の状態方程式に出てくる文字の定義をまとめます。