気体の法則

一定の圧力、体積、ガス量、絶対温度条件下でのガスの挙動を記述する法則は、気体の法則と呼ばれます。基本的な気体の法則は、科学者がガスサンプルの圧力、体積、温度の関係がすべてのガスに近似的に当てはまることを発見した18世紀末までに発見されました。いくつかの経験的気体法則を組み合わせることで、理想気体の法則が開発されました。

理想気体の法則は後に原子論や運動論と一致することが判明した。

1643年、数か月間ガリレオ・ガリレオの秘書を務めたイタリアの物理学者で数学者のエヴァンジェリスタ・トリチェリが、フィレンツェで有名な実験を行った。^[1]彼は、逆さまにした管の中の水銀柱が、水銀の上に小さな真空部分を作ることで、管の外側の空気の圧力によって支えられることを実証した。^[2]この実験は、気圧計の発明への道を本質的に切り開いただけでなく、当時イギリスで働いていた「懐疑的な」科学者ロバート・ボイルの注目を集めた。ボイルはトリチェリの実験に触発され、空気の弾性が変化する圧力にどのように反応するかを調べ、トリチェリが使用した装置を彷彿とさせる一連の実験を通じてこれを行った。^[3]ボイルは1662年にその結果を発表した。

その後、1676年にフランスの物理学者エドム・マリオットがボイルと同じ結論に独自に到達し、空気の体積が温度に依存することにも気づいた。^[4]しかし、温度測定法の発達と絶対零度の温度スケールの認識にはさらに1世紀半を要し、最終的に温度に依存する気体の法則の発見が可能になった。

1662 年、ロバート ボイルは、一定温度における一定量のガスの体積と圧力の関係を体系的に研究しました。彼は、一定温度では、一定質量のガスの体積はその圧力に反比例することを観察しました。1662 年に発表されたボイルの法則は、一定温度では、閉鎖系内の一定質量の理想気体の圧力と体積の積は常に一定であると述べています。これは、圧力計と可変容量容器を使用して実験的に検証できます。また、気体の運動論からも導き出せます。つまり、内部の分子数が一定である容器の容積が減少すると、単位時間あたりに容器の側面の一定面積に衝突する分子の数が増え、圧力が高くなります。

ボイルの法則は次のように述べています。

この概念は次の式で表すことができます。

• ${\displaystyle V\propto {\frac {1}{P}}}$、つまり「体積は圧力に反比例する」、または
• ${\displaystyle P\propto {\frac {1}{V}}}$、つまり「圧力は体積に反比例する」という意味です。
• ${\displaystyle PV=k_{1}}$、 または

$${\displaystyle P_{1}V_{1}=P_{2}V_{2}}$$ ここで、Pは圧力、Vは気体の体積、k _{1 は}この式内の定数です (他の式の比例定数とは異なります)。

シャルルの法則、または体積の法則は、1787 年にジャック・シャルルによって確立されました。この法則は、一定圧力における理想気体の与えられた質量に対して、その体積がその絶対温度に正比例することを規定しています (閉鎖系と仮定)。シャルルの法則は、一定圧力 (P) における与えられた質量の気体の体積 (V) は、その温度 (T) に正比例するというものです。

シャルルの法則は次のように述べています。

したがって、

• ${\displaystyle V\propto T\,}$、 または
• ${\displaystyle {V \over T}=k_{2}}$、 または

$${\displaystyle {V_{1} \over T_{1}}={V_{2} \over T_{2}}}$$、

ここで、「V」は気体の体積、「T」は絶対温度、k _{2 は}比例定数です（この記事の他の式の比例定数とは異なります）。

ゲイ＝リュサックの法則、アモントンの法則、または圧力の法則は、 1808 年にジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサックによって確立されました。

ゲイ＝リュサックの法則は次のように述べています。

したがって、

• ${\displaystyle P\propto T\,}$、 または
• ${\displaystyle {P \over T}=k}$、 または

$${\displaystyle {P_{1} \over T_{1}}={P_{2} \over T_{2}}}$$、

ここで、Pは圧力、Tは絶対温度、k は別の比例定数です。

アボガドロの法則、アボガドロの仮説、アボガドロの原理、アボガドロ・アンペールの仮説は、1811年にアメデオ・アボガドロによって仮説が立てられた実験的気体法則である。これは、気体の体積と存在する気体の物質の量とを関連付けた。^[5]

アボガドロの法則は、次のことを述べています。

この記述から、気体のモル体積が導き出されます。これは、標準温度(273.15 K、1 気圧) では約 22.4 L です。関係は次のように表されます。

${\displaystyle V\propto n\,}$または、n はガスの分子の数（またはガスのモル数）に等しくなります。$${\displaystyle {\frac {V_{1}}{n_{1}}}={\frac {V_{2}}{n_{2}}}\,}$$

複合気体法則または一般気体方程式は、ボイルの法則、シャルルの法則、ゲイ＝リュサックの法則を組み合わせて得られます。これは、一定質量の気体に対する圧力、体積、温度の関係を示します。

${\displaystyle PV=k_{5}T}$

これは次のように書くこともできます:

${\displaystyle {\frac {P_{1}V_{1}}{T_{1}}}={\frac {P_{2}V_{2}}{T_{2}}}}$

アボガドロの法則を加えると、複合気体の法則は理想気体の法則に発展します。

${\displaystyle PV=nRT}$

ここで、P は圧力、Vは体積、nはモル数、Rは普遍気体定数、Tは絶対温度です。

比例定数は現在 R と呼ばれ、その値は 8.3144598 (kPa∙L)/(mol∙K) である普遍気体定数です。

この法則を同等に定式化すると次のようになります。

$${\displaystyle PV=Nk_{\text{B}}T}$$

ここで、Pは圧力、Vは体積、Nは気体分子の数、k _Bはボルツマン定数(SI 単位では 1.381×10 ⁻²³ J·K ⁻¹ )、T は絶対温度です。

これらの方程式は、さまざまな分子間効果を無視する理想気体に対してのみ正確です(実在気体を参照)。ただし、理想気体の法則は、中程度の圧力と温度の下にあるほとんどの気体に対して適切な近似値となります。

この法律には次のような重要な結果があります。

1. 温度と圧力が一定に保たれている場合、ガスの体積はガス分子の数に正比例します。
2. 温度と体積が一定であれば、ガスの圧力の変化は存在するガス分子の数に正比例します。
3. 気体分子の数と温度が一定であれば、圧力は体積に反比例します。
4. 温度が変化し、気体分子の数が一定に保たれると、圧力または体積（またはその両方）が温度に正比例して変化します。

グラハムの法則

この法則は、ガス分子の拡散速度は、一定温度でのガス密度の平方根に反比例すると述べています。アボガドロの法則（つまり、体積が等しい場合は分子の数も等しい）と組み合わせると、これは分子量の平方根に反比例することと同じです。

ドルトンの分圧の法則

この法則は、気体混合物の圧力は、個々の成分の部分圧の合計に等しいことを述べています。ドルトンの法則は次のとおりです。

${\displaystyle P_{\textrm {total}}=P_{1}+P_{2}+P_{3}+\cdots +P_{n}\equiv \sum _{i=1}^{n}P_{i},}$

すべての成分ガスと混合物の温度と体積は同じである

ここで、P _totalはガス混合物の全圧力である。

P _{i は、}指定された体積と温度における成分ガスの部分圧または圧力です。

アマガットの部分体積の法則

この法則は、気体の混合物の体積（または容器の体積）は、個々の成分の部分体積の合計に等しいことを述べています。アマガットの法則は次のとおりです。

${\displaystyle V_{\textrm {total}}=V_{1}+V_{2}+V_{3}+\cdots +V_{n}\equiv \sum _{i=1}^{n}V_{i},}$

すべての成分ガスと混合物は同じ温度と圧力である

ここで、V _totalはガス混合物の総体積または容器の体積であり、

V _{i は}、指定された圧力と温度における成分ガスの部分体積または体積です。

ヘンリーの法則

これは、一定の温度において、特定の種類および量の液体に溶解した特定のガスの量は、その液体と平衡状態にあるそのガスの部分圧に正比例することを示しています。方程式は次のとおりです。

${\displaystyle p=k_{\rm {H}}\,c}$

実在気体の法則

これは 1873 年にヨハネス ディデリク ファン デル ワールスによって策定されました。

• Castka, Joseph F.; Metcalfe, H. Clark; Davis, Raymond E.; Williams, John E. (2002). Modern Chemistry . Holt, Rinehart and Winston. ISBN 0-03-056537-5。
• グッチ、イアン（2003）。『化学完全入門』アルファ、ペンギングループ社ISBN 1-59257-101-8。
• ズムダール、スティーブン S (1998)。化学原理。ホートン・ミフリン社。ISBN 0-395-83995-5。

• ウィキメディア・コモンズのガス法則に関するメディア