原子及空間

化學原理二版1

1.        西元前400年，德謨克利德Democritus說：除了「原子及空間」之外，無任何實在的東西。物質的組成一定與它的基本單位「原子」於「空間」中的排列狀態有關。他注意到「密度」的問題。

2.        接著，亞里斯多德Aristotle說：「土、空氣、水、火」組成了物質。亞里士多德說明了物質的狀態：固態、氣態、液態以及燃燒狀態。

3.        德謨克利德的原子學說，在波以耳手中重新復活。波以耳(1662年)為了要了解原子及空間的關係，測量、比較、分析氣體壓力與體積的關係，而提出著名的《波以耳定律Boyle’s law》：在定溫時，一定量氣體的體積與氣體壓力成反比。

4.        《波以耳定律》公式：PV=常數 ；這是說，同溫下一定量的「氣體」，壓力增大就會體積縮小；壓力減小，體積就會增大。

5.        氣體體積可以被壓縮，壓縮出的「空間」，就證明德謨克利所說的「空間」的存在；定量的氣體，體積被壓縮時，壓力增大，可見空間中存在著有固定體積的「分子」，以「反作用力」在抵抗往內擠壓的力量，造成壓力上升，證明德謨克利所說的「原子」存在。(當時人們認為分子就是原子)

6.        波以耳的貢獻：人們不僅開始對德謨克利德的原子理論產生好奇心，並且學會「量化」實驗，用精確的測量、比較、分析來尋找答案，這是科學精神的核心。波以耳被後世推為化學之父。

7.        波以耳從壓縮的觀點研究問題，查理從擴張的觀念研究問題，加溫，體積就會擴張。查理(1787年)測量體積與溫度的關係，提出《查理定律Charles’s law》：在定壓下，定量氣體的「體積」與「絕對溫度」成正比。

8.        《查理定律》公式：V/T=常數；在定壓下，一定量的氣體，溫度增加，體積相對增大；溫度降低，體積相對變小。

9.        體積為什麼會因為溫度增加而變大呢？有兩種可能：(1)分子變大。(2)分子會互相碰撞。那一個答案是對的，如何判斷呢？

10.     (1)波以耳的壓縮空氣實驗顯示，分子非常小，加溫度之後，還是可以把體積壓縮得非常小，顯然粒子的體積沒有變大多少。

11.     (2)把小顆粒的豆子放在湯鍋裡高溫滾煮，就會看到豆子跑來跑去，活動空間變大，顯然，溫度增加會使分子活動範圍變大，互相碰撞，使得彼此的距離增加。這啟發了「氣體分子動力論」，這是查理帶給人類文明的具體貢獻。

12.     查理的第二個貢獻。實驗顯示，定壓下，溫度每改變攝氏一度，則氣體體積改變「0°C時體積」的1/273，一百年後，啟發了凱文(Lord Kelvin)提出絕對溫度尺標，把-273.15°C定義為絕對零度，這是理論上可能影響物質密度的最低溫度。

13.     空間與分子的「存在」事實，與彼此「關係」已經解決了，接下來的問題是，空氣中的「分子」是否就是德謨克利德稱的「原子」？或者還有更小的組成單位？