化学伙伴/气体
当元素处于气态时，它们遵循以下规则。[1]
- 它们充满容器，但没有自身的体积。
- 它们极易压缩，可以被压缩到比平时小得多的空间。
- 它们在空气中混合，无需被混合。
- 当它们变热时，它们会膨胀。
压力是单位面积上的力。如果你有一本面积很大的书，轻轻地压它，它可能与你用力压一个别针产生的压力相同。压力的 SI 单位是千帕斯卡。一帕斯卡（kPa）等于 1000 牛顿力作用在 1 平方米上。或 1kPa=1000N/1m2。我们每天都经历着压力。当我们躺在床上时，毯子会向下压我们。当我们坐下来吃早餐时，我们对椅子施加压力。甚至空气也有压力。这被称为“大气压”。海平面上的平均大气压为 101 kPa。我们称之为（101 kPa）“一个标准大气压”或“atm”。当所有条件都正常，温度为 0°C 且大气压为 atm 时，我们称之为“标准温度和压力”或“STP”。当压力为 100 kPa 且温度为 25°C 时，称为“标准环境温度和压力”或“SATP”。只要记住，STP 的字母少，热量低，而 SATP 的字母多，热量高。[1]
罗伯特·波义耳是一位英国化学家。他发现了关于压力和体积的定律。他意识到，如果你压缩一个气体容器，体积会按相同的比例减小。如果你使压力加倍，体积就会减半。这是方程式。[1]
- v1p1=v2p2
方程式的左侧是最初的状态（v=体积，p=压力），右侧是体积和压力变化后的状态。
雅克·查理斯是一位法国物理学家。他注意到气体温度与其体积之间的关系。他注意到，随着气体温度的升高，体积会按比例增加。这可以用几个不同的方程式来表示。[1]
- v=kT
v 代表体积，T 代表温度，k 是一个常数。我们也可以这样写方程式。
- v1/T1=k 以及 v2/T2=k
或者可以简单地写在一起，如下所示
- v1/T1=v2/T2
查理斯和波义耳都制定了有用的公式来计算气体的变化。如果我们将他们的理论结合起来，我们可以制定出一个非常有用的公式，它可以帮助我们计算有关气体的所有信息。[1]
p1v1/T1=p2v2/T2.
字母代表体积 (v)、压力 (p) 和温度 (T)。这个方程的优点是我们可以根据需要对其进行调整。如果压力保持不变，我们可以将其从方程式中剔除，只写
p1v1=p2v2
科学家在测量温度时使用开尔文温标。它是用开尔文表示，而不是摄氏度。将摄氏度转换为开尔文，需加 273°C。因此，如果我们想了解夏季某一天的温度，我们将 273°C 加到 25°C。那天，外面的温度是 298 K！用开尔文表示温度时，温度始终为正数。即使是极低的温度也不为负数。这是因为 0 开尔文是绝对零度。宇宙中没有地方能达到这个温度或更低。绝对零度意味着粒子本身已经停止运动。即使在太空中，恒星也会阻止事物变得那么冷。[1]
在接受一个理论之前，必须进行实验来证明它。如果一个想法有助于解释许多未知现象，那就更好了。[1] 如果你走进你的房子，看到你奶奶的鞋在鞋架上，听到她的声音从客厅里传来，你可能会提出一些理论。第一种理论是，你奶奶来探望你了；第二种理论是，你奶奶在昨晚偷偷溜进你的房子时把鞋子放在鞋架上，客厅里的声音是会模仿声音的鹦鹉。你可能更倾向于第一种理论：如果你得出结论，你奶奶来了，那就解释了两个问题。你可能还观察到，你奶奶经常在下午来访。第二种理论似乎不太合理。你从来没听说过你奶奶健忘，或者晚上出去过。而且，你也没有鹦鹉。如果一个理论解释了许多事物，那么它通常更合理。正是出于这个原因，分子运动论被科学家接受了。它解释了为什么气体是可压缩的，以及为什么存在气体压力。它还补充了波义耳和查理斯定律。[1]
盖-吕萨克是一位法国科学家。他发现了气体体积结合定律。该定律指出，如果你混合气体，分子比率为简单的整数。[1]
阿伏伽德罗发现了这些简单比率的原因。他的理论指出，如果你有两个包含相同数量气体的容器，且温度相同，那么它们将包含相同数量的分子。[1] （我不知道他是如何证明这一点的，但我怀疑他有没有数过所有的分子。）
由于气体体积结合定律和阿伏伽德罗理论，我们有一种简单的方法来确定方程式中每种分子的数量。[1] 假设我们知道氢气和氧气可以生成水，换句话说
- O2 + H → H2O
根据气体体积结合定律，水分子数量应该是一个简单的整数。现在，方程式是错误的。它表示两个氧原子加一个氢原子等于两个氢原子加一个氧原子。我们仍然需要平衡方程式。让我们从氧气开始。水分子中需要一个氧原子，但在方程式左侧，氧原子以两个为一组存在。因此，这个方程式生成了两个水分子。现在是氢。既然我们已经决定有 2 个 H2O 分子，这意味着需要 4 个氢原子。所以方程式左侧有 4 个氢原子。它将如下所示
- O2 + 4H → 2H2O
摩尔是指一定数量的粒子。这有点像说一打，但它是一个更复杂的数字。气体的摩尔体积是指在特定温度下的一摩尔气体所占据的体积。这个体积在不同气体之间是相同的。在标准状况下（STP），气体的摩尔体积为 22.4 L/mol。科学家经常使用摩尔。与质量相比，使用体积更容易。它也更精确。你可以使用摩尔体积在摩尔和升之间进行转换。