同學 你一定曾經吹過氣球 也一定知道隨著越多氣體灌入氣球 氣球的體積會逐漸膨脹 一個不小心還可能會吹到脹破呢！ 這個看似理所當然的現象 其實背後有一連串發展的歷程故事 讓我們從「道耳頓原子說」開始講起 道耳頓在1793年發表了分壓定律 發現不同的氣體混合後的壓力 會等於所有氣體混合前壓力的總和 細節可以觀看另一支主題影片 「道耳頓分壓定律」 總之 道耳頓認為不同的氣體之所以能夠均勻混合 彼此之間又不會互相影響而保有各自的壓力 是因為氣體是一種可以獨立 且均勻散佈在空間中的粒子 道耳頓進而在1803年提出了「原子說」 「原子說」的內容包括 1.物質都是由原子所組成 原子不可分割 2.相同元素的原子質量與性質相同 不同元素的原子具有不同的質量及性質 3.不同種類的原子 以簡單整數比組成化合物 4.化學反應的過程是將原子重組 原子不會消失 道耳頓的「原子說」從現今觀點來看 其內容並非全然正確 但是「原子說」建立了化學定量研究的里程碑 1808年給呂薩克發表了氣體化合體積定律 他發現當氣體在定溫定壓下進行化合反應時 所消耗氣體的體積 與所生成氣體的體積之間 呈現簡單整數比關係 舉例來說 消耗2毫升的氫氣與1毫升的氧氣 可生成2毫升的水蒸氣 也就是所消耗的氫氣、氧氣的體積與所生成的水蒸氣的體積 呈現簡單整數比2:1:2的關係 為了解釋實驗數據 給呂薩克提出了一套假設 同溫同壓下 同體積的氣體中所含的原子數相同 現在 讓我們用給呂薩克的假設來解釋實驗結果 2毫升的氫氣、1毫升的氧氣與2毫升的水蒸氣 體積比2:1:2 代表原子數目比為2:1:2 我們以每體積中有2個原子為例 可將這個氣體化合反應以畫面中的圖形表示 嗯......看來我們又得解決另一個新的問題了...... 如果組成物質的最小單位是原子 原子必須要被分割才能符合給呂薩克的實驗結果 和道耳頓的原子說互相矛盾 此時 我們的男主角亞佛加厥 對於這個矛盾提出了一套假說 他在1811年發表一篇論文 內容提到 同溫同壓下 相同體積的不同氣體 具有相同數目的分子 分子是由多個原子組成 是具有物質性質 獨立存在的最小單位 現在 讓我們使用分子的概念來說明 氫氣的最小單位是由兩個氫原子組成的氫分子 而氧氣的最小單位則是由兩個氧原子組成的氧分子 如畫面中的圖形所示 不需要分割原子就能符合給呂薩克的實驗結果 亞佛加厥假說在提出後的50年間 並沒有被大多數科學家所重視 直到義大利化學家坎尼乍若 根據亞佛加厥假說計算出各原子的相對質量 1860年時 亞佛加厥假說才終於獲得肯定 後續再經過實驗驗證 而改稱作「亞佛加厥定律」 從現今微觀粒子的角度來看 氣體的體積是由運動範圍所決定的 分子本身的體積很小 不同分子本身的體積雖然略有不同 但運動範圍幾乎相同 數量多寡則會影響 因為氣體分子在空間中不斷地運動 同溫同壓下 彼此之間會保持約略相同的距離 數量多 彼此需要保持的距離空間變大 也就是氣體的體積變大 數量少 彼此需要保持距離的空間變小 也就是氣體的體積變小 亞佛加厥定律除了提出分子的概念之外 也描述氣體的體積與分子數的關係 同溫同壓下 不同氣體的分子數相同時 體積亦相同 可以擴大解釋為氣體的體積V與氣體分子數N成正比關係 以數學式表示為V除以N等於定值 此數值和氣體種類無關 如果以N為橫軸、V為縱軸作圖 可得到畫面中通過原點的正比直線 還記得最前面提到吹氣球脹破的例子嗎？ 這可以用亞佛加厥定律來解釋 當氣體灌入氣球時 氣球內的分子數增加 體積也隨之增加 當體積增加到氣球所能承受的最大範圍 只要再灌入氣體 氣球便會脹破 除此之外 製作麵包時會加入小蘇打粉 小蘇打粉受熱後產生二氧化碳氣體 因為二氧化碳氣體莫耳數變多 氣體體積隨之變大 使麵糰體積膨脹而成為麵包 這也是亞佛加厥定律的應用 在科學上 亞佛加厥定律可應用在求氣體的分子量 將氣體莫耳數寫作質量除以分子量 便可將亞佛加厥定律中V除以n為定值的等式 轉換成如畫面中的數學式 只要知道一種已知氣體的體積、質量、分子量 以及同溫同壓下未知氣體的體積、質量 即可求出未知氣體的分子量 我們一起來複習今天所學到的亞佛加厥定律 在定溫定壓下 氣體的分子數與體積成正比 也就是分子數越多則體積越大 以數學式可表示為V除以N等於定值 氣體體積大小和氣體種類無關 最後 讓我們一起動動腦 亞佛加厥定律告訴我們 同溫同壓下 不同氣體的分子莫耳數相同時 體積亦相同 那麼若是相同莫耳數的不同固體 體積也會相同嗎？ 同學可以思考一下 固體的體積是和氣體一樣 主要是由運動範圍決定的 還是由粒子本身的大小決定呢？ 你也可以上網搜尋不同固體的分子量以及密度 試著計算看看 歡迎在影片下方留言區告訴我們你的答案 還有你認為可能的原因 我們下次見