波以爾的氣體定律（上）

化學原理啟迪66

1.     【波以爾定律】第一個氣體的量化實驗是愛爾蘭化學家波以爾Robert Boyle(1627-1691)做出來的。他用一端封閉的J型管，研究卡在J型管封閉一端的氣體的「壓力」與「體積」的關係。

2.     波以爾仔細測量卡在J型管封閉端的氣體，發現這些氣體的「壓力」大小與「體積」大小，彼此有固定關係，「壓力」乘上「體積」是常數（固定的數字）。它們的變化就是以下的等式（方程式）：PV=k

注：P是「壓力」；V是「體積」；k是「常數」。

3.     這就是波以爾定律Boyle’s law，k代表某個樣本氣體，在固定的溫度下，「體積」與「壓力」相乘的數值，是「常數」。

4.     波以爾實驗據，可以輕易地轉為數線圖（如下）。數線圖的二個座標是「壓力P」對應「體積V」，把波以爾實驗數據用「點」標示在座標上，連幾來就成為一條曲線。

5.     值得注意的是，虛線指出的二個數據顯示，「壓力」減半的時候，「體積」就倍增。由此可見，這壓力大小和體積大小剛好彼此相反，也就是「反比關係inverse relationship」。

6.     所以，只要重新調整波以爾定律，就可以得到第二種數線圖：V= k /P

這個方程式就等於直線方程式：y=mx+b

在這裡，m代表斜率（直線的斜度），b是截距（注）。

注：直線不一定從x,y=0的位置開始延伸，當x=0的時候，y的起點位置到0的距離稱為「截距」。

7.     依據調整過數值V= k /P的氣體實驗，y=V體積，x=1/P壓力的倒數，m=k常數，並且b=0。

8.     所以，波以爾的氣體實驗數據，V和1/P的相對關係數線圖，是一個從0開始延伸的直線（截距是0）。波以爾的定律大約描繪出氣體的「壓力」與「體積」的關係。

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

 

徐弘毅：

1.     為什麼利用J型管與水銀，就可以測量出困在J型管封閉一端的氣體的壓力？

2.     這是利用「作用力等於反作用力」的原理，J型管封閉一端的空氣，「受地心引力拉扯，壓迫水銀往下的力量」，應該會等於，J型管中水銀「反抗氣體壓力的力量」。

3.     水銀反抗氣體壓力的力量多大？波以爾直接用「水銀高度」來表示。以「高度」來象徵力量，雖然有點違反慣性，但也可以接受：

4.     因為，水銀的高度，來自於每一顆水銀原子的體積、質量、密度，只要確定每一顆水銀的體積、質量與水銀的密度是固定的；那麼，水銀的高度就是一個客觀的衡量標準。

5.     波以爾應該已經聽說過有關原子方面的理論，經過思考，與某些實驗後，他認為水銀（汞）是純元素，由不可分割的原子，不僅體積、質量固定，而且密度也十分穩定，所以採用「水銀高度」作為衡量的標準。

6.     有了測量的技術與衡量的標準之後，氣體「體積」與「壓力」的固定關係就誕生了。

7.     氣體的「體積」與「壓力」存在固定關係，證明氣體分子是一種不可分割的單位，每個分子有固定的體積、質量等物理性質，所以才會發生，同樣溫度下的同一批氣體，「壓力」減半，「體積」就加倍；「壓力」加倍，「體積」減半。

8.     如果氣體分子不是不可分割的最小單位，那麼，壓力變化，就會讓裡面的氣體彼此重新排列組合，體積的變化毫無規則，與壓力無關。

9.     特別注意，「不可分割的最小單位」，並不是指氣體分子或原子永遠不能用其他方法分割，而是指在一般條件下（接近1大氣壓、室溫以下……等等的環境），氣體分子或原子不會無緣無故分裂開來。

10.  所以，波以爾定律，除了能預測氣體「體積」與「壓力」的變化之外，也是奠定道爾頓的「原子學說」的基礎之一。