الحالة الغازية

• أفسّر الخصائص الفيزيائية للغازات اعتمادًا على نظريّة الحركة الجزيئيّة.
• أتوصل إلى قوانين الغازات وقانون الغاز المثالي؛ لفهم سلوك الغازات وتطبيقاتها العملية.
• أجري حسابات مستخدمًا قوانين الغازات المختلفة وقانون الغاز المثالي.

الغازات: تملأ كل وعاء وتقبل الانضغاط

تمتلك المادة في الحالة الغازية خصائص فيزيائية معيّنة.

• التمدّد: يتمدد الغاز تلقائيًا وينتشر ليملأ الوعاء الذي يوضع فيه.
• الحجم: حجم الغاز يساوي حجم الوعاء.
• يُفسَّر سلوك الغازات الفيزيائي عن طريق نظريّة الحركة الجزيئيّة.

فما الذي تفترضه هذه النظرية عن جسيمات الغاز؟

كيف تتحرك جسيمات الغاز؟

• طوّر العلماء نظريّة الحركة الجزيئيّة ⁨(The Kinetic Molecular Theory)⁩.
• افترضت النظرية وجود غاز سُمّي الغاز المثالي ⁨(Ideal Gas)⁩.

• تنطبق على الغاز المثالي بنود نظريّة الحركة الجزيئيّة وقوانين الغاز.
• جسيمات صغيرة ومتباعدة: تتكوّن الغازات من جسيمات (جزيئات أو ذرات) متناهية في الصغر (مهملة الحجم) ومتباعدة جدًا.
• فراغات كبيرة: بين الجسيمات فراغات كبيرة؛ مما يعني أنّ معظم الحجم الذي يشغله الغاز فراغ.
• حركة مستمرّة: تتحرّك جُسيمات الغاز حركة مستمرّة وعشوائية وسريعة في جميع الاتجاهات وبخطوط مستقيمة.
• وهذا ما يكسبها طاقة حركيّة تتغلّب على قوى التجاذب بينها، كما في الشكل (1).

• التصادم: تتصادمُ جُسيمات الغاز في ما بينها، كما تتصادمُ مع جدار الإناء الموجودة فيه تصادمًا مرنًا ⁦(Elastic Collision)⁩.

• قوى التجاذب معدومة: لذلك لا يمكن إسالة الغاز المثالي مهما زاد الضغط المؤثر فيه أو انخفضت درجة حرارته.
• الطاقة الحركية: يعتمد متوسط الطاقة الحركية ⁦(Kinetic Energy)⁩ لجسيمات الغاز على سرعتها التي تزداد بزيادة درجة الحرارة.

متى يُشبه الغاز الحقيقي الغاز المثالي؟

• في الظروف العادية: المسافات بين جسيمات الغاز الحقيقي كبيرة وقوى التجاذب بينها ضعيفة؛ لذا يُشبه سلوكه الغاز المثالي.
• عند زيادة الضغط أو خفض درجة الحرارة:
• تقلّ المسافات بين الجُسيمات وتزداد قوى التجاذب.
• فتقلّ الحركة العشوائية وينحرف الغاز عن السلوك المثالي.
• يزداد هذا الانحراف كلّما زادت قوى التجاذب بين الجُسيمات.
• الهيليوم مثال: تجاذبه ضعيف فيُشبه الغاز المثالي، لكنه عند ضغط عالٍ وحرارة منخفضة جدًا تتقارب ذراته ويتحوّل إلى سائل.

أيّ الغازين ⁦Ne⁩ أم $NH_3$ تتوقّع أن يكون أقرب في سلوكه إلى الغاز المثالي عند الظروف نفسها؟

الضغط: ماذا يعني وبماذا نقيسه؟

• جسيمات الغاز تتصادمُ مع بعضها بعضًا، وتصطدمُ بجدار الإناء المحصورة فيه، كما في الشكل (2).

• يعتمد ضغط كميّة محدّدة من الغاز على عاملين، هما: حجم الغاز، ودرجة حرارته.

• وحدات قياس الضغط:
• ضغط جوي ⁦(atm)⁩
• مليمتر زئبق ⁦(mmHg)⁩: $1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg}$
• كيلوباسكال ⁦(kPa)⁩: $1\ \text{atm} = 101.3\ \text{kPa}$
• توضّح قوانين الغاز العلاقات الرياضيّة بين كلّ من: كميّة الغاز وحجمه وضغطه ودرجة حرارته.

وكيف نحوّل قيمة الضغط من وحدة إلى أخرى؟

كيف يتغيّر الحجم حين يتغيّر الضغط؟

• درس العالم بويل العلاقة بين ضغط الغاز المحصور وحجمه عند ثبات درجة حرارته؛ وهذا قانون بويل ⁨(Boyle's Law)⁩.
• مضاعفة ضغط كمية محددة من الغاز المحصور تؤدي إلى نقصان حجمه إلى النصف.
• إنقاص الضغط إلى النصف يؤدي إلى زيادة الحجم إلى الضعف، كما يبين الشكل (3).

• عند ثبات درجة الحرارة: يعبر عن قانون بويل رياضيًا على النحو الآتي:

• $V$: حجم الغاز، ويمكن قياسه بوحدة اللتر ⁦(L)⁩ أو المليلتر ⁦(mL)⁩.
• $P$: ضغط الغاز.
• التفسير الحركي للجسيمات:
• زيادة الضغط المؤثر في الغاز المحصور تؤدي إلى تقارب جسيماته وتقل الفراغات في ما بينها.
• فيقلّ حجم الغاز، عند ثبات درجة حرارته، كما في الشكل (4).

• قراءة الشكل (4):
• $P = 0.50\ \text{atm},\ V = 1.40\ \text{L}$
• $P = 1.00\ \text{atm},\ V = 0.70\ \text{L}$
• $0.50 \times 1.40 = 0.70$
• $1.00 \times 0.70 = 0.70$

ماذا يحدث لحجم الغاز عند تسخينه؟

• درس العالم شارل أثر تغيير درجة حرارة الغاز المحصور في حجمه عند ثبات ضغطه؛ وسُميت هذه العلاقة قانون شارل ⁨(Charles's Law)⁩.
• زيادة درجة حرارة الغاز المطلقة تزيد من حجمه عند ثبات ضغطه، كما يبين الشكل (5).

• درجة الحرارة المطلقة بالكلفن تحسب بالمعادلة الآتية:

• عند ثبات الضغط ($P$): يعبر عن قانون شارل رياضيًا على النحو الآتي:

• $V$: حجم الغاز، $T$: درجة الحرارة بالكلفن.
• التفسير الحركي للجسيمات:
• زيادة درجة حرارة الغاز تزيد من متوسط الطاقة الحركية لجسيماته، فتزداد سرعتها.
• ويزداد عدد تصادماتها مع جدار الإناء.
• ولكي يبقى ضغط الغاز المحصور ثابتًا؛ فلا بد من زيادة حجمه.

ماذا يحدث لضغط الغاز في وعاء مغلق عند تسخينه؟

• درس العالم جاي-لوساك العلاقة بين ضغط الغاز ودرجة حرارته عند ثبات حجمه؛ وتُسمى قانون جاي-لوساك ⁨(Gay-Lussac's Law)⁩.

• $P$: ضغط الغاز. $T$: درجة الحرارة بالكلفن.
• التفسير الحركي للجسيمات:
• تؤدي زيادة درجة حرارة الغاز إلى زيادة متوسط الطاقة الحركية لجسيماته.
• ومن ثَمَّ تزداد سرعتها ويزداد عدد تصادماتها.
• فيزداد ضغطه عند ثبات حجمه، كما يبين الشكل (6).

كيف نجمع القوانين الثلاثة في قانون واحد؟

• يصاحبُ تغيّر درجة حرارة الغاز تغيّر في حجمه وضغطه معًا.

• يُعبَّر عن القانون الجامع رياضيًا على النَّحو الآتي:

• $P$: ضغط الغاز، $T$: درجة الحرارة بالكلفن، $V$: حجم الغاز.

إذا علمتُ أنَّ بالونًا يحتوي على $50\ \text{L}$ من غاز الهيليوم عند درجة حرارة $25\ °\text{C}$ وضغط $1.08\ \text{atm}$؛ فأحسبُ حجمه عند ضغط $0.80\ \text{atm}$ ودرجة حرارة $10\ °\text{C}$.

هل تتساوى أعداد الجسيمات في الحجوم المتساوية؟

ولكن، ماذا لو تغيّرت كميّة الغاز؟

• تتأثرُ الخصائص الفيزيائية لكميّة محددة مِنَ الغاز المحصور بثلاثة عوامل: الحجم، والضغط، ودرجة الحرارة.
• درس العالم أفوجادرو العلاقة بين حجم الغاز وكميّته؛ وهو ما يُعرف بقانون أفوجادرو ⁨(Avogadro's Law)⁩.

• الظروف المعيارية للغازات (Standard Temperature and Pressure ⁨(STP)⁩):
• درجة حرارة $0\ °\text{C}$.
• ضغط يساوي $1\ \text{atm}$.
• الحجم المولي ⁦(Molar Volume)⁩: حجم المول الواحد مِن أي غاز يساوي $22.4\ \text{L}$ في الظروف المعيارية.
• بناءً على ما سبق، حجم الغاز المحصور يتناسب طرديًا مع عدد مولاته عند ثبات ضغطه ودرجة حرارته.

• $V$: حجم الغاز، $n$: عدد المولات.
• التفسير الحركي للجسيمات:
• زيادة عدد مولات الغاز تزيدُ من عدد جُسيماته.
• ومن ثَمَّ يزدادُ عددُ تصادماتها مع جدار الإناء.
• ولكي يبقى ضغطُ الغاز ودرجةُ حرارته ثابتين؛ فلا بُدَّ من زيادة حجمه.

كيف يتغيّر ضغط الغاز عند زيادة عدد مولاته مع بقاء حجمه ودرجة حرارته ثابتين؟

كيف تجتمع الضغط والحجم والحرارة والمولات في علاقة واحدة؟

• ينطبق القانون على الغاز المثالي وهو غاز افتراضي.
• ويمكن تطبيقه على الغازات الحقيقية بافتراض أنها تسلك سلوك الغاز المثالي.

• $P$: ضغط الغاز، $V$: حجم الغاز، $n$: عدد المولات.
• $R$: ثابت الغاز العام، ويساوي $0.082\ \text{L.atm/mol.K}$.
• $T$: درجة الحرارة بالكلفن.

تُعبّأ كراتُ التّنس بغاز النيتروجين. أحسبُ عدد مولات الغاز في كرة حجمها $0.15\ \text{L}$ وضغطُ الغاز داخلها $2\ \text{atm}$ عند درجة حرارة $25°\text{C}$.

كيف يتصرّف الضغط في خليط غازات لا تتفاعل؟

• درس العالمُ دالتون الضغطَ الناجمَ عن خليطٍ مكوّنٍ من غازات عدّة لا تتفاعلُ مع بعضها بعضًا داخل إناء واحد ⁦(Dalton's Law of Partial Pressures)⁩.

• في الشكل (8): الغازان ⁦A⁩ و ⁦B⁩ في وعاءين منفصلين لهما الحجمُ نفسُهُ عند درجة الحرارة نفسها، ولكلّ غاز ضغطٌ خاصٌ به.
• عدد جُسيمات الغاز ⁦A⁩ أكبرُ منها للغاز ⁦B⁩، ومن ثَمَّ فإنّ ضغطَهُ أكبر.
• وعند جمع الغازين في وعاء واحد له الحجمُ نفسُهُ وعند درجة الحرارة نفسها فإن الضغطَ الجديد داخل الإناء يساوي مجموعَ ضغطيهما.

• يُعبّرُ عن قانون دالتون رياضيّاً على النّحو الآتي:
• $P_T = P_A + P_B + P_C$
• $P_T$: الضغطُ الكلّي لخليط الغازات.
• $P_A$: الضغط الجُزئيّ للغاز ⁦A⁩.
• $P_B$: الضغط الجُزئيّ للغاز ⁦B⁩.
• $P_C$: الضغط الجُزئيّ للغاز ⁦C⁩.

1. نحوّل: درجة الحرارة من السيلزيوس إلى كلفن.
2. نحسب: الضغط الجزئي لكل غاز معلوم المولات بقانون الغاز المثالي.
3. نجمع: الضغوط الجزئية بقانون دالتون فنحصل على الضغط الكلي.
4. نطرح: إن كان الضغط الكلي معلومًا، نطرح منه الضغوط الجزئية المعلومة فنجد المجهول.

وماذا لو كان الضغط الكلي معلومًا وضغط أحد الغازات مجهولًا؟

خُلط $2\ \text{L}$ من غاز النيتروجين $N_2$ ضغطه $0.395\ \text{atm}$ مع $3\ \text{L}$ من غاز الهيدروجين $H_2$ ضغطه $0.11\ \text{atm}$ في وعاء واحد حجمه $1\ \text{L}$، أحسب الضغط الكلي للخليط عند درجة الحرارة نفسها.

خليط من الغازات يتكون من $5.04\ \text{g}$ $N_2$ و $0.28\ \text{g}$ $H_2$، وغاز $NH_3$ في دورق حجمه $5\ \text{L}$، ودرجة حرارته المطلقة $300\ \text{K}$، إذا كان الضغط الكلي للخليط يساوي $2.35\ \text{atm}$؛ أحسب الضغط الجزئي لكل غاز.

علماً أن: $Mr_{H_2} = 2\ \text{g/mol}, Mr_{N_2} = 28\ \text{g/mol}$