الثلاثاء، 6 ديسمبر 2016

الخواص العامة للغازات

الخواص العامة للغازات
General properties of Gases
المقدمة :-introduction
المشاهدات التجريبية للغازات تبين ان الغاز ليس له حجم ثابت. وليس له شكل ثابت حيث اندقائقه تملا الاناء الذي توضع فيه مهما كان حجمه ومهما كان شكله. ان سبب ذلك يعود الى ان دقائق الغاز تتحرك بسرعة كبيرة جدا وبصورة عشوائية. وان المسافات بينها كبيرة بما فيه الكفاية الى حد الذي ولا يمكن إعاقة حركتها للتجاذب الموجود بين هذه الدقائق.
الكثافة القليلة للغازات عند مقارنتها مع الحالة السائلة والصلبة دليل اخر على ان المسافات بين دقائقها كبيرةجدا. ان مول واحد من الم السائل عند 100م . وتحت ضغط 1 جو يشغل حجما وقدره 18.8سم3 بينما تحتل الكمية نفسها من بخار وعند الظروف نفسها المذكورةحجما قدره 30200سم3 . أي ان حجم الكمية نفسها من الغاز بأكثر من 1600 مره من حجم السائل في الظروف نفسها.
من الخواص المميزة للغازات بانها تتصرف ( تقريبا ) بنفس الطريقة عند تغير الضغط او درجة الحرارة وبهذه تختلف تماما من المواد السائلة والصلبة .

1-2 ضغط الغاز Gas pressure
الضغط هو القوة المسلطة على وحده المساحة.  والغاز يسلط قوة من قبل دقائقه ( جزيئات كانت او ذرات او ايونات ) تضغط على جدار الاناء الذي تحتويه . تتحرك دقائق الغاز داخل المنطاد بسهوله وبحرية وتحصل اصطدامات كثيرة جدا (يصل عددها الى الاف البلايين من التصادمات في منطاد صغير خلال الثانية الواحدة ) وتكون هذه التصادمات بين دقائق الغاز وكذلك بين الدقائق وجدار المنطاد ( لاحظ الشكل 1-1 ) ان قوة تأثير كل تصادم منفرد تكون صغيرة جدا حيث لا يمكن قياسها بسهوله . ولكن لهذا العدد الهائل من التصادمات قوة معتبرة يمكن قياسها وهذه هي التي تمثل ضغط الغاز داخل المنطاد يمثل PB الضغط الداخلي يولده الغاز.
ضغط داخل المنطاد
ولفهم ذلك نتصور ان أهمية ان كمية من غاز معين موجود داخل أسطوانة تحوي على مكبس حر الحركة. لكي نتمكن من المحافظة على وجود الغاز داخل الأسطوانة لابد من وجود ثفل معين نصفه فوق المكبس وليكن وزنه ( F) حيث انه يمثل القوة على المكبس وهذه القوة توازن القوة المسلطة من قبل الغاز لكي ترفع المكبس الى الأعلى .
ان ضغط الغاز يمثل F/A حيث ان A تمثل مساحة المقطع العرضي للمكبس .
يعبر عن الضغط الغاز بوحدات الباسكال ( Pa) حساب النظام العالمي للواحدات SI  وهذا الرمز المستخدم للتعبير الفرنسي عن النظام العالمي للوحدات Le systemeInternation d Unites. يعرف الباسكال بانه نيوين واحد على المتر المربع
1 pa=1Nm-2
1pa= 1kg m-1 S-2
الجدول 1-1 وحدات الضغط المختلفة ورمز كل وحده من هذه الوحدات
جدول 1-1 وحدات الضغط المختلفة
اسم الوحدة    الرمز  القيمة العددية
باسكال                     Pascal  pa    1 nm-2
بار                           bar    bar   Pa  105
جو                 atmosphere  atm  101325 Pa
تور                         Torr    Torr 
ملم زئبق millimeter of         mercury       mmHg      Pa 133.322
باوند انج pound per square    inch  psi    Pa 133.322

عدد التصادمات ما بين دقائق الغاز وجدار المحتوى (الاناء الذي يوجد فيه الغاز ) هي التي تحدد قيمة ضغط الغاز الشكل  1-2 يوضح الفرق ما بين الضغط في محتويين . حيث ان عدد التصادمات في المستوى bأكثر من عدد التصادمات في المحتوى a وبذلك يكون الضغط في bأكبر منه في a.

علاقة عدد التصادمات بالضغط

1-2-1 مقياس الضغط الجوي the barometer.
المثال الذي ذكرناه في الفقرة السابقة حول ضغط الغاز غي المنطاد هنالك ضغط يقابله من الخارج . وهو الضغط الذي يسلطه الهواء الخارجي ويكون تأثيره مقابل تأثير الضغط الداخلي للغاز في المنطاد وكما هو موضح في الشكل 1-3 pA يمثل الضغط الخارجي الذي تسلطه دقائق الهواء على سطح المنطاد.



الضغط الجوي

ان عمود الهواء الموجود فوق سطح الأرض يسلط قوة على كل سم 2 مكافئة قدرها 1034غم وذلك لأنه وحسب قانون نيوتن :-
F=Ma                                         1-1
حيث تمثل f القوة المسلطة وm الكتلة وa والتعجيل الأرضي وقدره 9.8 م ثا-2

m=f/a=(101375kgm^(-1) s^(-1))/9.8ms=10340kgm^(-2)
= 1.034g cm-2
يحتوي مقياس الضغط الجوي ( الباروميتر ) على انبوبة زجاجية عمودية مغلقة من الأعلى ومفرغه من الهواء ومفتوحه من الأسفل ومغمورة بحوض من السائل . يعمل الضغط الجوي على رفع مستوى السائل داخل الانبوبة المفرغة ويستمر ارتفاع السائل حتى يتوازن وزن السائل في العمود مع الضغط الجوي اذا كان السائل المستخدم هو الزئبق فان السائل سيرتفع داخل الانبوبة 760سم وهذا الارتفاع يعود الى الضغط الجوي القياسي عند مستوى سطح البحر . ويوضح مقياس الضغط الجوي ( البارومتر ).

مقياس الضغط الجوي ( الباروميتر )

هناك نوع اخر من الأجهزة الخاصة بقياس الضغط وتتكون من انبوبة زجاجية على شكل الحرف U وتسمى المانوميتر ( Manometer) ويستخدم المانوميتر لقياس ضغط الغاز داخل أي محتوى مغلق .
هناك شكلان مختلفان للمانوميتر كما هو موضح في الشكل 1-5 حيث ان النوع الأول يكون مغلقا من الطرف الثاني للأنبوبة (لاحظ الشكل 1-5 ا ) وبهذا يكون ضغط الغاز بالمحتوى المراد القياس ضغطه مساويا الى pgh .
حيث ان p تمثل كثافة سائل المانوميتر و g التعجيل الأرضي في حين ان h تمثل الفرق بين ارتفاع السائل في طرفي الانبوبة . النوع الثاني يكون الطرف الثاني من الانبوبة مفتوحا وبذلك يكون ضغط الغاز في المحتوى مساويا الىpgh مضافا اليه الضغط الجوي اذا كان الضغط في المحتوى الغازي اعلى من الضغط او pgh مطروحا من الضغط الجوي اذا كان ضغط الغاز في المحتوى اقل من الضغط الجوي وكما موضح بالشكل ( 1-5 ب )


ا- مانوميتر مغلق النهاية
1-ضغط الغاز اقل من الضغط الجوي   2-ضغط الغاز اكبرمن الضغط الجوي
                              ب – مانوميتر مفتوح النهاية
شكل 1-5 أنواع المانوميترات
الضغط الجوي الاعتيادي عند مستوى سطح البحر يساوي 1 جو ويساوي بالوحدات الأخرى كما يأتي :-
1 atm = 760 mmHg
=760 Torr
=1.01325 bar
1013.25 mb=
=14.696 Ib/in2
=101.325n/m2
=101.325pa
=1011.325 kpa
3 حجم الغاز Gas volume
يعرف حجم الغاو بانه الفراغ الذي تتحرك فيه دقائق الغاز بجربة اذا كان لدينا مزيج من الغازات ( مثل الهواء الذي هو مزيج من عده غازات ) فان الغازات المختلفة تحتل نفس الحجم في نفس الوقت طالما ان جميع هذه الغازات بإمكانها التحرك بحرية .
يمكن قياس حجم الغاز يوضعه فوق سحابة معايرة تسمى سحابه الغاز Gas burette .
ان الوحدة القياسية للحجم حسب نظام SI هو المتر المكعب ( M3) وفي تخصص الكيمياء يستخدم عادة المتر اللتر ( Litre) والمليليتر ( ml) milliliter وان وحدات السنتمتر المكعب ( cm3) او ( cc) تستخدم كذلك وهي مقاربة الى مليلتر واحد .
4-1 درجة الحرارة وكمية الحرارة Temperature and Heat
يجب ان نفرق بين درجة الحرارة وكمية الحرارة لان الخلط بين المفهومين يؤدي الى خطا كبير يقع فيه الكثير من الطلبة
درجة الحرارة تعني قياس معدل سرعة الجزيئات وبمعنى اخر . عندما تقول ان درجة الحرارة تساوي 100 (باي وحدة من الوحدات ) يعني ان كل جزيئة بإمكانها ان تتحرك بطريقة اسهل وكذلك اسرع من تلك التي يكون درجة حرارتها 50 ( يجب ان نتذكر دائما بان حركة الجزيئات تتوقف تماما عند درجة الصفر المطلق . ولو فرضنا الى هذه الدرجة يعد مستحيلا حتى الوقت الحاضر وسناتي لشرح ذلك بالتفصيل في الفصول القادمة ان شاء الله. اما كمية الحرارة ( q) فأنها تعني انتقال الطاقة الناتج من الفرق بين درجات الحرارة ( T).
هنالك نوعان من الحواجز عند فصل أي نظام عن النظام اخر . فاذا تم فصل نظامين بحاجز للإشعاع الحراري Diathermic نلاحظ انتفال الحرارة من الجسم الحار الى الجسم البارد في حين ان عزل نظامين عن بعضهما البعض بجدار غير نفاذ للإشعاع الحراري ( أدبياني ( adiabatic) لا نرى أي انتقال للحرارة بين النظامين .
يعبر عن عدم انتقال الحرارة بين نظامين معزولين بجدار نفاذ للاشعاع الحراري بانه اتزان حراري thermal Equilibrium .
قانون الصفر للثرمودنياميك zerothlow of thermodynamics
قانون الصفر للثرموديناميك كغيره من قوانين الترمودنياميك الأخرى يعتمد على الملاحظة يعتمد هذا القانون على الملاحظتين الاتيتين: -
نفرض ان لدينا نظام A وكان في حالة اتزان حراري مع النظام B(لاحظ الشكل 1-6 ) وان النظام Bفي اتزان حراري مع نظام C فان نظام A يكون في حالة اتزان حراري مع النظام C .
اذا كان لدينا نظامان متصلان مع بعضهما البعض ولمدة زمنية كافية بحيث لا تحصل أي تغيرات بينهما. وهذا يعني ان النظاميين في حالة اتزان حراري Thermal Equilibrium .
قانون الصفر للثرمودنياميك

هنالك عده صيغ لقانون الصفر للثرمويناميك منها.الصيغة الأولى والتي تنص على :-
(اذا كان النظام A في اتزان حراري مع Bو B كان  في اتزان حراري مع C فان C فان AوC في حالة اتزان حراري ).

الصيغة الثانية تنص على:
(لكل نظام متزن خاصية تسمى درجة الحرارة. والأنظمة التي لها درجة حرارة متساوية تكون متزنة حراريا ).
يوضح هذه الصيغة

تخطيطي لقانون الصفر للرمودنياميك


الصيغة الثالثة تنص على :
(اذا كان هنالك نظامين في حالة اتزان حراري ز فان درجتي حرارتهما متساوية )

ان قانون الصفر للثرموديناميك يفسر عمل المحرارThermometer وهو الة قياس درجة الحرارة لذا اذا افترضنا ان B هو عبارة عن انبوبة شعرية زجاجية تحتوي على سائل مثل الزئبق او الكحول وهذا السائل يتمدد عند ازياد درجة الحرارة. عندما A تكون بتماس مع B فان عمود السائل سيرتفع الى حد معين استنادا الى قانون الصفر للثرمودنياميك اذا كان السائل في B له الارتفاع نفسه عندما يوضع بتماس مع C يجب ان نستنتج باننا سوف لن نحصل على أي تغير عندما نجعل Aو B في تماس مباشر مع بعضهما البعض. اضف الى ذلك باننا نستطيع قياس ارتفاع السائل في العمود الزجاجي لكي نعرف حرارة الاجسام A, او  .C
اذا اردنا معايرة المحرار نضعه أولا في ماء مثلج ونؤشر مستوى ارتفاع السائل بالصفر ( 0) ثم نضعه في الماء يغلي عند ضغط 1 جو ونضع العلامة (100) في المكان الذي يصل اليه ارتفاع السائل في العمود ثم بعدها يتم تقسيم المسافة بين المستوى بين المستويين الى ( 100) درجة . ان هذا يؤدي الى المقياس السليلزي Selsius scale وفي هذا النظام تعلم درجة الحرارة بالعلامة (θ) ويعبر عنها بالدرجة المئوية (C°) .
تقاس درجة الحرارة بنظام الثرمودنياميك بالكلفن kelvin)) ويسمى المقياس بمقياس الثرمودنياميك لدرجة الحرارة ThermodynamicTerperature scale ان العلاقة بين المقياس السليليزي ومقياس الثرمودنياميك لدرجة الحرارة يتمثل بالعلاقة الاتية :-

T/K=θ/C°+263.15                                   1-2      

1-6 قوانين الغاز The gas laws
يمكن ان نعبر عن علاقة ضغط الغاز مع حجمه ودرجة حرارته لكمية معينة من الغاز بمعادلة الحالة ويعبر عنها بالعلاقة الاتية :-
P=f(T,V.n)                                             1-3                    

حيث يمثل p ضغط الغاز و f تعبر عن الدالة و T درجة حرارة الثرمويناميكية للغاز و V حجم الغاز و n عدد المولات الغاز . سنجد من خلال دراستنا لقوانين الغاز المختلفة بان العلاقات المذكورة بالمعادلة 1-3 هي نتيجة لهذه القوانين كما سنجد بانها المعادلة بالنسبة للغاز المثالي ستحول الى العلاقة الاتية
Pv= n Rt                                    1-4                        

1-6-1 قانون بويل Boyle s  law
اكتشف العالم الايرلندي روبرت بويل ( 1691-1627 ) وذلك سنه 1661 القانون الذي يحدد العلاقة بين الحجم الغاز مع ضغطه والذي ينص على
( يتناسب حجم كمية ثابته من الغاز تناسبا عكسيا مع الضغط عند ثبوت درجة الحرارة )
يمكن ان نعبر عن القانون بالتعبير الرياضي الاتي :-
pα 1/v                                                   1-5

كمية ثابتة     Pv=

حيث يمثل p ضغط كتله معينة من الغاز و v حجم الكتلة نفسها بثبوت درجة الحرارة .
يمثل الشكل 1-8 العلاقة بين ضغط والحجم كتله معينة من الغاز عند ثبوت درجة الحرارة وفي درجات حرارية مختلفة. نلاحظ من الرسم العلاقة عكسية ما بين حجم وضغط الغاز عند ثبوت درجة الحرارة ونلاحظ تعبير موقع المنحنى عند تغير درجة الحرارة. كل منحني من المنحنيات الأربعة يسمى تماثلا حراريا Isotherm
في الشكل 1-6 نرى ان حاصل ضرب pv يساوي ثابتة لذا يمكن ان نكتب المعادلة على الاتي :-
العلاقة بين ضغط وحجم كتلة معينة من الغاز بثبوت
درجة الحرارة وعند درجات حرارية مختلفة

في المعادلة 1-6 نرى ان حاصل ضرب PV يساوي كمية ثابتة لذا يمكن ان نكتب المعادلة على الشكل الاتي :-
P1v1= p2v2                                                        1-7                  

حيث ان p  هو ضغط كمية محددة من الغاز v1 و p2 ضغط نفس الكمية عندما يكون حجمها v2.
لقد أوضحت التجارب التي أجريت على قانون بويل بان هذا القانون يمكن ان يطبق على الغازات الحقيقية عند الضغوط الواطئة فقط. لذا يعد قانون بويل مثالا لقانون يطبق محددة او هو أحد القوانين المحددة limiting laws.
ان سبب خضوع جميع الغازات الحقيقية لقانون بويل بغض النظر عن تأثيرطبيعتهاالكيمائية(بشرط ان يكون الضغط واطئا) يمكن تفسيره بان معدل فصل دقائق الغاز بعضها البعض عند الضغوط الواطئة كبير جدا لذا يقل تأثير بعضها البعض الاخر مما يجعلها بشكل انفرادي.

1-6-2 قانون شارل او قانون غايلوساك Charles s law or gay –lussac s law
يسمى القانون الذي يحدد العلاقة بين تغير حجم الغاز ودرجة حرارته عند ثبوت الضغط بقانون شارل ( العالم جاكيوس شارل 1746- 1823) او قانون غايلوساك ( العالم جوزيف  لويس  غايلوساك 1778-1850 ) حيث حصل الأول على نتائج غايلوساك نفسها عام 1787 م ولكنه لم يقم بنشرها في حينها الى ان توصل غايلوساك للنتائج نفسها عام 1802 م وقام بنشرها ينص القانون على الاتي :

( يتناسب تغير حجم كتلة معينة من الغاز طرديا مع درجة حرارته عند ثبوت الضغط )
يمكن ان يعبر عن القانون بالعلاقة الاتية
V=constant ( t+237.1c°)                                      1-8            

ان العلاقة الخطية ما بين حجم كتلة معينة من الغاز ودرجة حرارته عند ثبوت الضغط موضحة بالشكل 1-8 حيث يلاحظ بانه عند مد الخطوط الى الجسم صفر فان نقطة التقاطع مع المحور السيني عند الدرجة 273.15 درجة مئوية
علاقة الحجم بدرجة الحرارة
ان الدرجة الحرارية -273.15 متمثل درجة الصفر بالكلفن وتسمى درجة حرارة الثرمودنياميكة ( thermodynamic temperature) وتقاس بالكلفن ز ان المعادلة 1-8 يتم تحويرها الا  الاتي :-
V=(constany )  x T  (  ثبوت الضغط
ان الخطوط المستقيمة الموضحة بالشكل 1-7 تسمى بالخطوط (خطوط تساوي الضغط الجوي ) Isobars . ان الصيغة البديلة لقانون شارل هي علاقة ضغط الغاز بدرجة حرارته عند ثبوت الحجم ويمكن ان تمثل بالعلاقة الرياضية الاتية:-

10-1         ( ثبوت الحجم )  TXP=(constant )
يوضح الشكل 1-10 هذه العلاقة ونلاحظ ان مد خطوط الضغط الى نقطة الأصل يقطع خط درجة الحرارة عند صفر كلفن .
علاقة الضغط بدرجة الحرارة

ان تفسير المنطقي لزيادة بازدياد درجة الحرارة عند ثبوت الحجم يمكن ان يكون على أساس ان الزيادة في درجة الحرارة سيؤدي الى زيادة معدل سرعه دقائق الغاز وان الدقائق ستصدم بالجدار وان زيادة معدل الاصطدام بالجدار ستؤدي حتما الى زيادة ضغط الغاز على جدار الوعاء الذي يحتوية .

1-6-3 قانون افوكادو Avogadro s law
من خلال دراستنا لقانون وقانون شارل وغايلوساك 1-6-1 و 1-6-2 نلاحظ باننا ركرنا عند العلاقة ما بين ضغط الغاز وحجمة عند ثبوت درجة الحرارة وبين حجم العاز ودرجة حرارته عند ثبوت الضغط ذكرنا عبارة 0 كمية محددة من الغاز ) دعنا في هذه الآونة ندرس تأثير كمية الغاز بأجراء التجربة البسيطة الاتية .

اذا اخذنا انبوبتي اختبار صغيرتين وتم تثبيت كل انبوبة في أسطوانة تماما وحر الحركة (يمكننا ان نفترض بانه لا  يوجد أي احتكاك ما بين المكبس والأسطوانة ) وكما موضح
        في بعض المصادر يشار لها باسم قاعدة افوكادرو Avogadro s principle وليس قانون افوكادرو لان البعض يعتبرها ابانها عباره عن خلاصه خبرة ويعتمد مدى تطبيقها على النموذج قيد الدراسة .
العلاقة بين حجم الغاز وكمية الغاز

اذا وصعنا 4.4 غم من صلب ثاني أوكسيد الكاربون الجاف في الانبوبة A و 8.8 غم ( ضعف الكمية ) في الانبوبة B .فان صلب CO2 بتحول مياسرة الى حالة الغازية ويتمدد داخل الانبوبة ويدخل الأسطوانة رافعا المكيس الى الأعلى . عندما يتحول صلب CO2 بالكامل الى الحالة الغازية وعند ثبوت درجة حرارة نرى بان ارتفاع المكبس في الأسطوانةB ضعف ارتفاع المكبس في A  وبعباره أخرى فان الارتفاع تضاعف نتيجة لمضاعفه كمية الغاز .
ان هذه التجربة البسيطة تثبت ان مضاعفة عدد مولات الغاز ( في حالة الأولى كان عدد المولات 0.1مول وفي الحالة الثانية كان عدد المولات 0.2 مول يؤدي الى مضاعفة حجم الغاز عند ثبوت درجة الحرارة والضغط وبهذا نستنتج انه
( عند ثبوت درجة الحرارة والضغط يتناسب حجم الغاز طرديا مع عدد مولات الغاز .)
هذه الصيغة هي احد صيغ قاعدة افوكادرو والشكل 1-12 يبين العلاقة ما بين حجم الغاز مع عدد المولات عند ثبوت درجة الحرارة والضغط .

عدد مولات ( n)
شكل 1-12 قاعدة افوكادرو

يمكن ان نعبر رياضيا عن هذه العلاقة كما في المعادلة 1-11
N a v                                         1-11

كمية ثابتة = v/n
ان الكمية الثابتة هي نفسها لجميع الغازات عند درجة حرارة وضغط معينين .
ان العلاقة المذكورة أعلاه محددة ضمن قانون افوكادرو Avogadro s law

( عند ثبوت درجة الحرارة الضغط فان الحجموم المتساوية من الغازات تحتوي على نفس العدد من المولات )
هذه صيغه أخرى قاعدة افكادرو .
اذا كان لدينا الغاز a وحجمه va وعدد مولاته  ,naغاز b حجمه vb وعدد مولاته nb وعند ثبوت درجة الحرارة ثابت وضغط ثابت . فان العلاقة ما بين الغاز a , b. تحدد المعادلة الاتية :-
v_a/n_a =v_b/n_b                                               1-12

الجدول 1-2 يبين حجم مول واحد من الغازات المعروفة عند الظروف الاعتيادية ( درجة حرارة 298.15 كلفن وضغط 1 جو ) جدول






2-1 الحجم المولي لبعض
الغازات عند الظروف الاعتيادية

         الغاز                                        الحجم
Vm/(dm3mol-1)
ــ
الغاز المثالي                  24.78961
الامونيا                    24.8
الاركون                  24.4
ثاني أوكسيد الكاربون      24.6
النتروجين        24.8
الاوكسجين   24.8

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق