現実の気体

理想気体の法則の仮定

理想気体の法則は気体粒子に関する一連の仮定に基づいています。

1. すべての気体粒子は絶えず運動しており、気体分子と容器の壁との衝突が気体の圧力を発生させる。
2. 粒子は非常に小さく、その体積は気体が占める体積に比べれば無視できるほどである。
3. 気体粒子の平均運動エネルギーは温度に比例する。

最初の仮定は、絶対零度以上のどの温度でも正しい。
4番目の仮定は、小さな気体分子では真である。 分子内に複数の原子がある場合、内部エネルギーの一部は並進運動ではなく、分子振動に使われる。 非常に大きな分子では、これが全エネルギーのかなりの部分を占めるので、KEaveは理想気体の法則で予測されるよりも少し低くなる。 (分子振動については次回詳しく説明します。)

原子・分子体積

大気圧下のほとんどの気体では、気体粒子の体積は本当に微々たるものです。 例えば原子半径31×10-12 mのヘリウムを見てみましょう。

ヘリウム原子の体積 = 4/3r3 = (4/3)(3.1415)(29791 x 10-36 m3) = 1.2 x 10-31 m3
体積1.2 m3のとき。0 mol He原子 = 1.2 x 10-31 m3 x 6.02 x 1023
= 7.5 x 10-8 m3 = 7.5 x 10-8 m3 x 103 L/m3 = 7.5 x 10-5 L

1.0 molの気体は24.47 Lの体積を占めるはずだとわかっています。 ヘリウムの原子は7.5×10-5/24.47、つまりガスの体積の0.00031%を占めることになります。
非常に大きな気体分子や非常に高い圧力では、粒子の体積が大きくなることがある。

Atomic/Molecular Interactions

気相中のすべての原子と分子は、他の原子や分子と反発と引力の両方の相互作用を持っています。 同じ電荷を持つ2つの領域の静電相互作用は反発するので、気相で2つの原子が出会うと、その電子雲が2つを押し広げようとする傾向があります。 気体粒子間の衝突回数は圧力が高くなると増えるので、この反発作用は特に高圧下で強くなります。 この相互作用は圧力にどのような影響を与えるのでしょうか。 圧力は、容器の単位面積を持つ気体粒子の力によるものであることを思い出してください。 気体粒子は、他の粒子の電子雲に押されていれば、もう少し強い力で容器の壁にぶつかります。 気体粒子の周りの電子雲の位置は、一定ではありません。 気体粒子のまわりの電子雲の位置は一定ではなく、変動することがあり、そのため、粒子には部分的に正の部分と負の部分が残ります。 別の気相原子の負の電子雲は、最初の粒子の正の部分に静電的に引き寄せられるだろう。 気体分子の中には、極性結合のために永久双極子（過剰な正電荷と過剰な負電荷の領域）を持つものがある。 気相粒子間の引力はファンデルワールス力と呼ばれている。 気体粒子がごく短時間でもくっつく程度に、自由な粒子の数は気体圧力とともに減少する。

理想気体の法則には、粒子間力による小さな圧力変化を説明するために適用できる修正があります。