物質性質

揮發與揮發性有機化合物

揮發 (Volatility)與揮發性有機化合物 (Volatile Organic Compounds, VOC)
國立臺灣大學化學系陳光彥/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

純物質的蒸氣壓和物質的種類與溫度有關,溶液汽化的物質稱為揮發性物質。在相同的溫度下一物質越容易揮發,其揮發性(Volatility)越高,蒸汽壓也會越高,而相對的沸點會較低。也就是說,蒸汽壓高的物質比蒸汽壓低的物質更容易揮發。儘管我們常聽見揮發性一詞被用來描述液體氣化的傾向,揮發性也可用來描述如乾冰、氯化銨等能直接昇華的固體氣化的傾向。

丙酮、乙醇、乙醚和二氯甲烷等常見的有機溶劑,都是揮發性物質,這一類被稱為揮發性有機化合物(以下簡稱VOC)的污染物在常溫常壓下擁有夠高的蒸汽壓,使它們一旦暴露到空氣中就會迅速地從固體或液體變成氣體。世界各國對VOC的定義請見表一。

滲透(Osmosis)和半透膜(Semipermeable Membrane)

滲透(Osmosis)和半透膜(Semipermeable Membrane)
國立台灣大學化學系陳藹然博士/國立臺灣大學化學系黃俊誠博士責任編輯

溶液(Solution)理論的發展開始於物質的溶解性與溶解度的測量,化學家真正對溶液的深入研究是從溶液某些性質的發現,如滲透壓(Osmotic pressure)。當一張半透膜(Semipermeable membrane)隔開溶液和純溶劑或兩種不同濃度的溶液時,由於兩端溶液濃度的差異,純溶劑或低濃度溶液端的溶劑會通過半透膜滲入至高濃度端,這一現象稱為滲透。高濃度端的液面開始上升,當液面升至某一高度就會停止上升,因為液面高度所增加的液壓差稱為滲透壓。

半透膜是一種只容許某種物質穿透具篩選作用的薄膜,生物組織如動物膀胱壁、腸衣或皮膚…等都是。

法國物理學家諾勒(Jean-Antoine Nollet,1700−1770)在1748年為了改進酒的製作過程實驗中,把酒精裝滿玻璃圓筒並將筒口以豬膀胱膜封住,當圓筒浸入水中後,膀胱膜向外膨脹最後撐破,顯示出水透過此膀胱膜進入筒內。雖然他最早觀察到滲透現象,但是並沒有提出滲透這個概念。

溶液 (Solution)

溶液 (Solution)
國立台灣大學化學系陳藹然博士/國立臺灣大學化學系黃俊誠博士責任編輯

說到溶液你會想到什麼,早上喝的牛奶、果汁,中午喝的玉米湯,實驗室裡的鹽酸或氫氧化鈉水溶液,還是家裡洗衣服用的漂白水。可是到底什麼是溶液?怎麼給溶液下個科學的定義。維基百科說「溶液是由兩種以上物質組成的均勻、穩定的分散體系,被分散的物質(溶質)以分子或更小的質點分散於另一物質(溶劑)中」;百度百科說「溶液是一種或幾種物質分散到另一種物質裡,形成的均一的、穩定的混合物,其中,溶質相當於分散質,溶劑相當於分散劑」;教科書上寫著「溶液是兩種或兩種以上的純物質組成的單相均勻混合物」。三種定義皆強調了兩個重點:第一、溶液是混合物;第二、物質均勻混合或分散在溶液中;但是還有一點必須強調的是此混合物是同相態(Homogeneous)固態、液態或氣態不拘,方可稱為溶液。因為溶液是混合物,所以溶液不像純物質有固定的沸點或熔點;也因為溶液中的溶質均勻分散,沒有懸浮物質或沉澱生成,溶液內任何部分的濃度與性質都相同,等於溶液的整體濃度與性質。

道耳頓分壓定律

道耳頓分壓定律 (Dalton’s law of partial pressures)
國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

日常生活中所接觸的氣體大多是混合氣體,例如空氣是成分氣體就包含了氮氣、氧氣、水蒸氣、二氧化碳及惰性氣體等等。在混合氣體中,每種成分氣體都會貢獻了「分壓」(partial pressure),這個分壓即為該氣體單獨存在於與混合氣體相同體積的容器中產生的壓力。

格雷姆定律

格雷姆定律 (Graham’s law )
臺北市立第一女子高級中學二年級鄭竹容/臺北市立第一女子高級中學化學科周芳妃老師/國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

氣體粒子在空間中不斷的運動,使得各種氣體粒子可以經由不斷的碰撞而混合均勻,此現象稱為氣體的擴散 (diffusion)。蘇格蘭的物理化學家格雷姆針對氣體擴散的研究,在1833年先提出了非常有名的擴散定律 (law of diffusion)。後來格雷姆又設計實驗測量氣體的逸散 (effusion)性質,即研究氣體在一定的時間內通過小孔出去的速率與氣體分子量的關係,到了1846年又提出逸散定律 (law of effusion)。

格雷姆的實驗結果顯示,在同溫、同壓下,氣體的擴散速率與氣體逸散速率皆與氣體之分子量的平方根成反比,因此氣體擴散定律與氣體逸散定律常被合稱為格雷姆定律 (Graham’s law )。

亨利定律

亨利定律(Henry’s law)
國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

氣體在溶液中之溶解性質與氣體的分壓有關,此氣體性質可由亨利定律(Henry’s law)來說明:在常溫下,某氣體溶解於某溶劑中的體積莫耳濃度和該溶液達成平衡的氣體分壓成正比。

亨利定律的公式可表示如下: \(e^p = e^{kc}\)

其中: \(e\) 近似於 \(2.7182818\),是自然對數的底數; \(p\) 指溶液上的氣體分壓(partial pressure);\(c\) 是溶液的體積莫耳濃度(molar concentration);\(k\) 則是亨利常數,\(k\) 會因溶劑和溫度的不同而變化。

另論波以耳定律(Boyle’s law)

另論波以耳定律(Boyle’s law)
台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

人類歷史上第一個被發現的「定律」就是波以耳定律(Boyle’s law或Boyle-Mariotte law),此由波以耳(R. Boyle)在1662年根據實驗結果提出:「在密閉容器中的定量氣體,在恆溫時氣體的壓力和體積成反比關係。」
這裡:$$\mathbf{V}=\displaystyle\frac{k}{P}$$ V 是指氣體的體積 P 指壓力 k 為一常數
人體進行呼吸作用時,其實也是氣體的體積及壓力之間的相互作用。

波以耳定律(Boyle’s Law)

波以耳定律(Boyle’s Law)
台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

波以耳(1627-1691)常被尊稱為化學之父,他在1662年為了要了解原子及空間的關係,測量並分析氣體壓力與體積的關係,而提出著名的波以耳定律:定溫下,密閉容氣中的定量氣體之體積與其壓力成反比。你很可能早在小時候,就開始對波以耳定律進行實驗了。當你擠壓汽球時,可以注意到:當你愈用力擠壓它,它似乎就會愈用力地推回來。而當你躺在充氣墊上時,充氣墊被擠壓到某一點時就會停止、不能再被擠壓了。這是因為當你降低某一定量的氣體時,它所產生的壓力會增加。

當兩個變量成反比,如上面例子提到的壓力與體積時,此二變量的乘積將為定值。因為氣體的壓力與體積在定溫下的反比關係,如果你把其中一個的量乘二,另一個的量將會變成原本的一半。從下面的表格可看出氣體的體積與壓力間之反比關係。想像有氣體密閉於鋼瓶之中,而你可以控制它的壓力。注意壓力的變化如何此使體積的值改變,同時這兩個變量的乘積保持一定值(K)。

蒸氣壓

蒸氣壓 (Vapor Pressure)
國立臺灣大學化學系陳藹然博士/國立臺灣大學化學系黃俊誠博士責任編輯

蒸氣壓,顧名思義就是指蒸氣的壓力。

蒸氣從哪裡來?所有的凝態物質(Condensed material),包含液態和固態物質,其物質表面的粒子只要從環境中吸收了足夠的能量,都會有脫離物質表面變成氣體粒子的機會,這些變成氣態的粒子就是此物質的蒸氣 (Vapor),如果是液體變氣體稱之為蒸發或汽化 (Vaporation),固體變氣體的話則是昇華(Sublimation)。

當物質被放置於一個密閉容器中,蒸氣粒子的運動範圍受到容器的限制開始撞擊器壁,蒸氣粒子撞擊器壁所產生的壓力就稱之為「蒸氣壓」。部分被器壁彈回的氣體粒子碰撞到了凝態物質表面,因為本身具有的能量不足以脫離物質表面,重新被凝態粒子吸引停留在物質中,這個過程稱為「凝結 (Condensation)」。如果凝態物質為液體時,我們則稱此蒸氣凝結為液體的過程為「液化(Liquification)」。

蒸氣壓隨溫度變化,定溫下,當蒸發(汽化)速率等於凝結或液化速率時,液體上方的氣體粒子數目不變,達到一個動態平衡 (Dynamic equilibrium),其平衡壓力也不變,稱為該物質在該溫度時的「飽和蒸汽壓」或平衡蒸氣壓(Equilibrium vapor pressure),簡稱為蒸氣壓。可參考下列網站動畫(Flash) http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/e … aporv3.swf

螢光

螢光 (Fluorescence)
臺北市立第一女子高級中學三年級林欣怡/臺北市立第一女子高級中學化學科周芳妃老師修改/國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

廣義中,人們將生活中會微弱發光的物質稱為螢光。但事實上,螢光是物質受某波長光線(例如紫外線或x射線)照射而吸收能量後,消耗部分能量,而釋放出另一較長波長的光線(通常是可見光),即是我們所能見到的螢光。螢光物質並非主動發光體,而是「光致發光」的現象,本身並不放出熱量,所以是一種冷發光。

螢光產生的機制如下:

S0+hvEX → S2 → S1 → S0+hvEF

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