空気を押しつぶしたとき、内部の気体には一体どんな変化が起きているのか。気体の世界には「ボイルの法則」「シャルルの法則」といった決定的なルールが存在する。温度が一定のときに圧力と体積の間に現れる「たった1つの絶対的な関係」とは何なのか。『アメリカの中学生が学んでいる 14歳からの化学』から、気体の振る舞いを支配する法則の基礎を解き明かす。

気体の実験Photo: Adobe Stock

気体の法則

気体の法則とは、ある条件のもとで気体がどのように振る舞うかを表した数学的法則である。

ボイルの法則

ボイルの法則は圧力と体積の関係を表している。

この名称の由来となった17世紀のイギリスの化学者ロバート・ボイルが、気体の圧力と体積の関係を初めて示した。

ボイルの法則：ある一定温度（T）において、ある決まった量の気体の圧力（P）は、その気体の体積（V）に反比例する。
P1V1 = P2V2
式

ただし、温度と気体の量が一定の場合。

気体の圧力↑で体積↓ 気体の圧力↓で体積↑

ボイルの法則は、気体の最初の圧力（P1）および体積（V1）と、最後の圧力（P2）および体積（V2）が、互いにどのような関係にあるかを表している。

式

ボイルの法則が成り立つのは、分子の個数（n）と温度（T）が一定の場合だけである。

ボイルの法則をグラフで表すと、図のようになる。

グラフ

例： 体積15.25mL、圧力4.25atmの気体がある。温度と気体の量が一定の状態で、体積が22.0mLに大きくなったら、圧力はどれだけになるか？

例

確認：体積が大きくなったのだから、圧力は下がったはずだ。

シャルルの法則

ジャック・シャルルは18世紀のフランスの物理学者で、温度が気体の体積におよぼす影響を初めて研究した。実験によって、気体の体積と温度は互いに比例することを明らかにした。

シャルルの法則：ある一定の圧力のもとで、一定量の気体の体積は、その気体の絶対温度に比例する。
絶対温度はケルビン（K）で表さなければならない。
式

ただし、圧力と気体の量が一定の場合。

気体の温度↑で体積↑ 気体の温度↓で体積↓

シャルルの法則は、気体の最初の温度（T1）および体積（V1）と、最後の温度（T2）および体積（V2）が、互いにどのような関係にあるかを表している。

式
グラフ
絶対温度は必ずケルビン（K）で表し、負の値はありえない。摂氏からケルビンに変換するには、℃ + 273 = Kという換算式を使う。

例 ： 風船に詰めたヘリウムの体積が125mLで温度が75.0℃である。ヘリウムの量と圧力が一定の状態で、温度が45.0℃に下がったら、ヘリウムの体積はどれだけになるか？

例題

確認：温度が下がったのだから、体積は小さくなったはずだ。