书城童书青少年应该知道的物质的形态
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第5章 虚无飘渺——气态物质

在五彩缤纷的物质世界里,气态物质是最让人富有幻想的一种物质。无论是它的身形还是气味,都能给人一种别样的感觉。比如,当在空气稀薄的环境中得到氧气时,我们会感觉精神倍加;当闻到花儿所散发出来的清香时,我们会感觉心旷神怡,心情舒畅。所以,气体也是和我们生活非常贴近的一种物质。那么,你知道气态物质由什么组成的吗?它与固态、液态物质一样,也是由分子、原子构成的,只不过它内部的分子、原子之间的距离非常大,因此气态的物质是处于离散状态的。

我们知道,分子和原子是处于不断运动的状态的,只不过有的运动得快些,有的运动得慢些。固体物质中的分子由于其内部的分子之间距离比较小,所以几乎处于不运动的状态;液态物质中的分子比固态中的运动要大一点;而气态分子的热运动动能比较高,远大于分子之间相互作用的势能。由于分子位置彼此并无关联,原子或分子相互之间可以自由运动,因此物质处于完全无序的状态。

正是由于这样,气体物质与其他物质不同,它可以流动,可以变形,还可以被压缩。假如没有限制(容器或力场)的话,气体还能够扩散,体积不受限制。这也是我们能闻到花的清香、食物的香味以及其它物质所散发出的气味的直接原因。

1.气体分类

不同的气体有不同的味道,并且还有不同的颜色。有的气体是看不见任何颜色的,但是有的气体在一定的条件下是可以看到颜色的。气体的分类有很多,根据气体的虚实,我们可以将气体分为实际气体和理想气体。

理想气体是一种被假设为气体分子之间没有相互作用力、自身没有体积的气体。当实际气体压力不大、分子之间的平均距离很大的时候,气体分子本身的体积可以忽略不计。在这种情况下,分子的温度比较高,这样分子的平均动能也会比较大。也就是说,由于它们分散得比较稀疏,因此分子之间的吸引力比较微弱,相比之下可以忽略不计。

实际气体的性质与理想气体十分接近,有时候也可以把它当作理想气体来处理。但是,两者之间仍然是有一定区别的。比如一般情况下,在讨论某种气体性能的时候,用理想气体讨论得到的结论只适用于压力不高、温度不低的实际气体。

其实,关于理想气体科学家曾用一个简单的方程式来表示,即:pV=nRT。

其中的p是气体的压力、V是气体的体积、n是气体的物质量、T是温度、R是一个常量。理想气体状态方程是按照理想气体的基本特征来表示的,也就是说,理想气体状态方程里的四个变量只要其中三个变量是确定的,理想气体就处于一个状态,这也是该方程叫做理想气体状态方程的主要原因。

这个方程式在各种温度、压强的条件下都是成立的,在n、T一定时,pV则为常数,也就是说气体的压强与体积成反比。其实,这也就是我们常说的“波义耳定律”。假如n、p一定,则:

V/T是一个常数,此时的气体体积与温度成正比关系,这种关系又被称为盖·吕萨克定律。在标准状况下,理想气体的体积大约是22.4127224278升。

我们知道,在气体中压强是一个很重要的元素,它就像是固体物质的重量、液体物质的密度一样,是气体物质的一个衡量标准。关于压强还有一个重要的定律呢,它就是分压定律。

2.分压定律

1810年,道尔顿发现混合气体的总压,也就是把各分组气体的浓度置于同一容器里所产生的压力之和。这个规律后来就被称为道尔顿分压定律。

其实,道尔顿分压定律只对理想气体成立。对于实际气体,由于分子间存在作用力,因此道尔顿定律会出现偏差。因此,能满足道尔顿分压定律的气体混合物,称为理想气体的理想混合物。

我们知道,关于理想气体有一个能够表示关系的方程式。其实对于实际气体也一样,也有一个能够表示它们之间关系的方程式。这个方程式是由荷兰物理学家范德瓦耳斯于1873年提出的,也称为范氏方程,是对理想气体状态方程的一种改进。它的特点在于将理想气体模型所忽略的气体分子的大小,和分子之间的相互作用力放在了一起研究,这样就可以更好地描述气体的宏观物理性质了。

另外,气体虽然没有固定的形状,但是它可以被压缩,并且不同气体之间的密度也有一定的差异。例如,温度高的气体与常温下的气体就具有不同的密度。根据这一点,人们制作出了热气球。由于气球下方的空气受热,使这部分的空气密度小于气球外围的空气密度,于是气球上下受力不均匀,热气球就可以升空了。元宵节和七夕节所放的孔明灯,也就是根据这个原理制成的。因此,人们就认为只要孔明灯中的火不熄,这种灯就能越升越高!

氧气是我们生命延续不可缺少的一种气体,如果没有氧气的话,人就不能呼吸,心脏就会停止跳动。但是,在气体物质还没有引起人们足够重视的时候,并没有人知道人们每天都要呼吸的气体就是氧气。那么,氧气是什么时候被命名的呢?下面让我们来看一个关于氧气的小故事吧!

人们一直认为普利斯特列是氧气的第一个发现者,其实,真正的第一个发现氧气的科学家并不是他。

1771年,舍勒在一次做氧化汞的实验时,发现了一种具有奇特性质的新型气体。它是一种无色、无味的气体,如果把一些小动物放在这种气体中,它们会显得非常精神。后来,为了弄明白这种气体到底是什么气体,他又用带有火星的木条去试验,结果当带有火星的木条遇到这种气体的时候,会立刻燃烧起来。因此,舍勒把这种气体称为“火气”,并且还写了一本《论空气和火的化学》,在书中详细描述了发现这种气体的实验过程。

但是,当时舍勒的这个发现并没有引起人们的关注。其原因是,由于他的助手没有及时为《论空气和火的化学》写出序言,导致了该书的出版延续。直到1777年的时候,舍勒的书才被出版,但是,这个时候普利斯特列关于研究氧气的实验已经进行了很长时间,就连结果也是早已发表出去了。因此,人们便认为普利斯特列是氧气的最初发明者。

关于气体物质还有一个奇怪的现象,就是当人吸入氦气后,说话的声音会变高。这是为什么呢?我们知道,声音的传递是要靠介质来实现的,对于不同的介质来说,传播声音的速度也不一样。对于人来说,声音的传递一般是通过空气来实现的,由于介质的成分差不多,所以我们平时听到的声音的大小也差不多。但是,当空气成分中氮和氧的比例发生改变,由原来的78%(氮)与21%(氧)变为80%的氦与20%的氧时,它的密度比原来的增加1/3,那么它传播声音的能力就会发生变化,比原来的传播速度快两倍左右。因此,吸入氦气的人,说话时声音会显得比较粗大。