氣體和我們的日常生活息息相關,例如:空氣主要的成分是氮氣(約79%)和氧氣(約20%),夾雜一些其他的少量氣體如水蒸氣、氬氣、二氧化碳等等。氣體的主要特徵是它很容易被壓縮,因此可利用此特性將氣體壓縮於鋼瓶而方便運送。氣體的壓縮性質可以與液體和固體作區分。
描述氣體的性質需要知道氣體的體積(V)、溫度(T)、壓力(P)及其氣體量(n),對於氣體而言,可利用所謂的「理想氣體定律」(ideal gas law)將氣體的壓力、體積、溫度和莫耳數這四個參數以一簡單的公式聯結起來,只要知道其中三個參數,便可利用理想氣體的公式計算出第四個參數的值。例如:假設想要測定鋼瓶中有多少氮氣的話,可以量測其壓力、溫度和體積(鋼瓶體積),然後利用理想氣體定律,便可計算出氮氣在鋼瓶中的量。相反地,在固體和液體則無此簡單的公式。
1.1 氣體壓力
壓力(pressure, P)的定義是單位面積所施加的外力,壓力的國際系統(SI)單位是kg/(m•s2),稱為帕斯卡(pascal, Pa),此壓力的單位是為了紀念研究流體壓力的法國物理學家帕斯卡。值得注意的是,帕斯卡比大氣壓力是相當小的單位。但是傳統上化學家已經習慣使用水銀氣壓計(manometer)測量大氣的壓力,水銀氣壓計(圖1.1)是利用置於封閉瓶的水銀(即汞)柱量測瓶內氣體的壓力。在海平面上,水銀柱的高度約760 mm,此高度是直接測量到的大氣壓力。毫米汞柱(millimeters of mercury,簡寫為mmHg)的單位亦稱托耳(torr),大氣壓(atomsphere,簡寫為atm)是剛好等於760 mmHg的壓力。
壓力P與氣壓計液柱高度h之間的關係式為: