الغازات
6-1
الغازات
Gases
الأهداف
- تستخدم نظرية الحركة الجزيئية لتفسير سلوك الغازات.
- توضح تأثير الكتلة في سرعة الانتشار والتدفق.
- توضح كيفية قياس ضغط الغاز وحساب الضغط الجزئي له.
مراجعة المفردات
الطاقة الحركية: الطاقة الناشئة عن الحركة.
المفردات الجديدة
- نظرية الحركة الجزيئية.
- التصادم المرن.
- درجة الحرارة.
- الانتشار.
- قانون جراهام للتدفق.
- الضغط.
- الضغط الجوي.
- البارومتر.
- المانومتر.
- باسكال.
- قانون دالتون للضغوط الجزيئية.
الفكرة الرئيسية
تتمدد الغازات وتنتشر كما أنها قابلة للانضغاط؛ لأنها ذات كثافة منخفضة، وتتكون من جسيمات صغيرة جدًا دائمة الحركة.
الربط مع الحياة
إذا نمت على مرتبة فيها هواء مضغوط فلا بد أنك ستلاحظ الفرق بينها وبين النوم على الأرض، أولا، المرتبة مريحة بالغة المرونة. وعندما تستلقي على المرتبة التي اكتسبت خصائصها من خصائص جسيمات الهواء التي ضُغطت في داخلها.
نظرية الحركة الجزيئية
The Kinetic-Molecular Theory
لقد تعلمت سابقًا أن تركيب المادة، نوع الذرات المكونة، ونسبتها، ترتيب الذرات، يحددان الخصائص الكيميائية للمادة، كما أنهما يؤثران في خصائصها الفيزيائية أيضًا. وبالاعتماد على المظهر الخارجي للمادة يمكنك التمييز بين الذهب والجرافيت والزئبق، كما هو موضح في الشكل 6-1. وعلى النقيض من ذلك تبدي المواد التي تكون في الحالة الغازية عند درجة حرارة الغرفة خصائص فيزيائية متشابهة على الرغم من اختلاف بنيتها. فلماذا توجد اختلافات بسيطة من سلوك الغازات؟ ولماذا تختلف الخصائص الفيزيائية للغازات عن خصائص المواد السائلة والصلبة؟
لقد عرف العلماء مع بداية القرن الثامن عشر كيف يمكن جمع النواتج الغازية عن طريق إحلالها محل الماء، ولكنهم يستطيعون الآن مراقبة كل غاز، وقياس خصائصه على حدة.
اقترح الكيميائيان بولتزمان وماكسويل Boltzmann and Maxwell عام 1860م، كل منهما على حدة، نموذجًا لتفسير خصائص الغازات. وقد عرف هذا النموذج بنظرية الحركة الجزيئية؛ وذلك لأن الغازات جميعها التي أُجري درسها مواد مكونة من جسيمات؛ حيث للأجسام المتحركة طاقة تسمى طاقة حركية. وتصف نظرية الحركة الجزيئية سلوك المادة بالاعتماد على حركة جسيماتها. ولقد وضع هذا النموذج عدة افتراضات حول حجم جسيمات الغاز وحركتها وطاقتها.
الشكل 6-1
الصورة التابعة: صفحة218_الشكل_6_1_تمييز_الذهب_والجرافيت_والزئبق_ولا_ينطبق_على_الغازات.png
يمكن التمييز بين بعض المواد بمجرد النظر إليها، ولكن هذا لا ينطبق على الكثير من الغازات.
العناصر الظاهرة في الشكل:
- زئبق.
- جرافيت.
- ذهب.
الشكل 6-2
الصورة التابعة: صفحة219_الشكل_6_2_انتقال_الطاقة_الحركية_بين_جسيمات_الغاز.png
تنتقل الطاقة الحركية بين جسيمات الغاز في أثناء التصادم المرن فيما بينها.
فسر
الأثر الذي تحدثه جسيمات الغاز بعضها في بعض بفعل التصادمات، وماذا يحدث للجسيمات بعد هذه التصادمات؟
حجم الجسيمات
تتكون الغازات من جسيمات ذات حجوم صغيرة جدًا مقارنة بحجوم الفراغات التي تفصل بينها، كما أنها متباعدة، وتعدم قوى التجاذب والتنافر فيما بينها.
حركة الجسيمات
إن حركة جسيمات الغاز مستمرة وعشوائية، وتتحرك في خط مستقيم حتى تصطدم بجسيمات أخرى أو بجدار الوعاء الذي توجد فيه، كما يبين الشكل 6-2.
وتعد التصادمات بين جسيمات الغاز مرنة. وفي التصادم المرن لا تُفقد الطاقة الحركية، ولكنها تنتقل بين الجسيمات المتصادمة.
طاقة الجسيمات
ينتج عن حركة الجسيمات طاقة حركية يحددها عاملان هما: كتلة الجسم وسرعته. ويمكن التعبير عن الطاقة الحركية للجسم بالعلاقة الآتية:
KE = 1/2 mv²
حيث:
KE = الطاقة الحركية.
m = كتلة الجسم.
v = سرعة الجسم المتجهة.
تجد أن جسيمات عينة من غاز ما لها الكتلة نفسها، إلا أنها ليست لها السرعة نفسها، لذلك تختلف كمية الطاقة الحركية لها. ولذا تستخدم درجة الحرارة مقياسًا لمتوسط الطاقة الحركية لجسيمات المادة.
تفسير سلوك الغازات
Explaining the Behavior of Gases
تساعد نظرية الحركة الجزيئية على تفسير سلوك الغازات؛ إذ تسمح حركة الجسيمات الدائمة مثلًا للغاز أن يتمدد حتى يملأ الوعاء الموجود فيه تمامًا. كما يحدث عندما تنفخ بالونًا بالهواء، حيث تنتشر جسيمات الغاز، وتتوزع لتملأ الوعاء كله.
كثافة منخفضة
تذكر أن الكثافة هي كتلة الجسم في وحدة الحجم، وأن كثافة غاز الكلور عند درجة حرارة 20°C تساوي:
2.95 × 10⁻³ g/mL
وكثافة الذهب الصلب تساوي:
19.3 g/mL
لذلك فإن كثافة الذهب تزيد على كثافة الكلور 6500 مرة تقريبًا. ولا يعود هذا الفرق الكبير بين الكثافتين إلى الاختلاف بين كتل ذرات الذهب وجسيمات الكلور فقط، بل إلى وجود فراغ كبير بين جسيمات الغاز أيضًا؛ لذلك يكون عدد جسيمات الكلور أقل من عدد ذرات الذهب في الحجم نفسه، كما تنص على ذلك نظرية الحركة الجزيئية.
مفردات
أصل الكلمة
الصورة التابعة: صفحة219_مفردات_أصل_كلمة_غاز.png
غاز Gas
يأتي أصلها من الكلمة اللاتينية chaos، ومعناها فراغ.
الشكل 6-3
الصورة التابعة: صفحة220_الشكل_6_3_تمدد_وانضغاط_الغاز_في_أسطوانة.png
إن تمدد الغاز وانضغاطه، كهواء منطوق، يغير الحجم الذي تشغله كثافة ثابتة من الجسيمات.
اربط بين التغير في حجم الغاز وكثافة جسيماته في كل أسطوانة.
الانضغاط والتمدد
إذا عصرت وسادة من البوليسترين بالضغط عليها فإن حجمها يقل، وذلك لأن المسافة بين الجزيئات كبيرة جدًا، فعند الضغط تبدأ الجزيئات بالتقارب، وبالتالي يقل الحجم.
وعند التوقف عن الضغط وبفعل الحركة السريعة والعشوائية للجزيئات فإنها تتباعد بعضها عن بعض، وتزداد المسافات وتعود إلى وضعها الأصلي. ويوضح الشكل 6-3 ما يحدث لكثافة الغاز الموجود في وعاء في أثناء انضغاطه وتمددّه.
الانتشار والتدفق
وفقًا لنظرية الحركة الجزيئية، ونظرًا لأن المسافة كبيرة بين الجزيئات، فإن قوى التجاذب بين جسيمات الغاز تكاد تكون منعدمة. ولهذا تنتشر هذه الجسيمات بسهولة في حركة المكان الذي تنتشر فيه. لذا إذا تُرك مرطبان في الأرجاء منتشرًا لرائحة الغاز، تسبب الحركة العشوائية لجسيمات الغازات باختلاط بعضها ببعض، حتى يصبح توزيع الغازات المختلطة متساويًا.
يصف الانتشار حركة تداخل المواد معًا، وقد يكون هذا المصطلح حديثًا، ولكن عملية الانتشار مألوفة لك. فأنت تشم رائحة الطعام عند طهيه في أرجاء المنزل كلها؛ بسبب انتشار جسيمات الغاز من منطقة تركيز عالية، وهي في هذه الحالة المطبخ، إلى منطقة ذات تركيز منخفض، باقي أرجاء المنزل.
أما التدفق فهو عملية ذات صلة بالانتشار، ويحدث التدفق عندما يخرج الغاز من خلال ثقب صغير، كما يحدث مثلًا عند ثقب إطار سيارة أو بالون.
قام توماس جراهام في عام 1846م بإجراء تجربة لقياس معدل سرعة تدفق غازات مختلفة عند درجة الحرارة نفسها، وقد صمم تجربة بحيث تتدفق الغازات إلى مكان لا توجد فيه مادة. وقد اكتشف وجود علاقة عكسية بين معدل سرعة التدفق والكتلة المولية للغاز.
قانون جراهام للتدفق
ينص قانون جراهام على أن معدل سرعة تدفق الغاز يتناسب عكسيًا مع الجذر التربيعي للكتلة المولية.
قانون جراهام
الصورة التابعة: صفحة220_قانون_جراهام_معدل_التدفق_والكتلة_المولية.png
معدل التدفق ∝ 1 / √الكتلة المولية
يتناسب معدل انتشار أو تدفق الغاز عكسيًا مع الجذر التربيعي للكتلة المولية له.
تعتمد سرعة الانتشار بالدرجة الأولى على كتلة الجسيمات؛ حيث تنتشر الجسيمات الخفيفة أسرع من الثقيلة. ويمكن وصف متوسط الطاقة الحركية للغازات المختلفة عند درجة الحرارة نفسها بالعلاقة:
KE = 1/2 mv²
لذلك فإنه على الرغم من اختلاف كتلة جسيمات الغاز من غاز إلى آخر، وحتى يكون للجسيمات الخفيفة والجسيمات الثقيلة متوسط الطاقة الحركية نفسه، فلا بد أن يكون متوسط سرعتها المتجهة أكبر. وينطبق قانون جراهام أيضًا على معدل سرعة الانتشار، وهذا منطقي؛ إذ تنتشر الجسيمات الثقيلة أبطأ من الجسيمات الخفيفة عند درجة الحرارة نفسها.
يمكنك باستخدام قانون جراهام كتابة نسبة رياضية للمقارنة بين معدلي انتشار غازين:
معدل انتشار A / معدل انتشار B = √(الكتلة المولية B / الكتلة المولية A)
ماذا قرأت؟
وضح لماذا يعتمد معدل الانتشار على كتلة الجسيمات؟
مثال 6-1
قانون جراهام
الصورة التابعة: صفحة221_مثال_6_1_قانون_جراهام_نسبة_معدل_الانتشار.png
إذا كانت الكتلة المولية للأمونيا هي 17.0 g/mol والكتلة المولية لكلوريد الهيدروجين هي 36.5 g/mol، فاحسب نسبة معدل انتشارهما.
1. تحليل المسألة
المعطيات هي الكتل المولية لكل من الأمونيا وكلوريد الهيدروجين. ولإيجاد نسبة معدل انتشارهما استخدم معادلة قانون جراهام للتدفق.
المعطيات
الكتلة المولية لكلوريد الهيدروجين HCl = 36.5 g/mol
الكتلة المولية للأمونيا NH₃ = 17.0 g/mol
المطلوب
نسبة معدل الانتشار = ؟
2. حساب المطلوب
اكتب النسبة المشتقة من قانون جراهام:
معدل انتشار NH₃ / معدل انتشار HCl = √(الكتلة المولية HCl / الكتلة المولية NH₃)
عوّض عن الكتل المولية:
√(36.5 g/mol / 17.0 g/mol) = 1.47
نسبة معدل الانتشار = 1.47
3. تقويم الإجابة
إن النسبة التقريبية 1.5 منطقية؛ حيث إن كتلة الأمونيا هي نصف كتلة كلوريد الهيدروجين. كما أن قيم الكتل المولية تحتوي على ثلاثة أرقام معنوية، وكذلك الإجابة. لاحظ أن وحدات القياس قد ألغى بعضها بعضًا، وتكتب الإجابة في صورة صحيحة دون أي وحدة قياس.
مسائل تدريبية
- احسب نسبة معدل التدفق لكل من النيتروجين N₂ والنيون Ne.
- احسب نسبة معدل الانتشار لكل من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون.
- تحفيز: ما معدل تدفق غاز كتلته المولية ضعف الكتلة المولية لغاز يتدفق بمعدل 3.6 mol/min؟
الشكل 6-4
الصورة التابعة: صفحة222_الشكل_6_4_العلاقة_العكسية_بين_الضغط_والمساحة.png
لأن العلاقة عكسية بين الضغط والمساحة، فإن الأحذية ذات الكعب العالي تجعل الضغط الواقع على السطح أكبر؛ لأن مساحة الكعب الملامسة للأرض صغيرة، في حين تسبب أحذية الضغط والأحذية ذات النعل المسطح ضغطًا على مساحة أكبر.
استنتج
الموقع الذي يكون فيه الضغط أكبر هما يمكن بين الأرض والحذاء: ذي الكعب العالي.
ضغط الغاز
Gas Pressure
هل سبق أن شاهدت شخصًا يحاول المشي على الثلج أو الرمل أو الأسفلت الساخن وهو ينتعل حذاءً ذا كعب عال؟ من المحتمل أن تكون قد لاحظت غوص الكعب العالي في تلك السطوح اللينة. يوضح الشكل 6-4 سبب غوص قدم من ينتعل كعبًا عاليًا، بينما لا يكون الأثر كذلك لمن ينتعل نعلًا مسطحًا. وفي كلتا الحالتين يعتمد تأثير القوة الضاغطة على السطح اللين في حالة الحذاء على كتلة الشخص وتوزيع القوة الضاغطة على مساحة كبيرة أو مساحة صغيرة من سطح النعل. ويُعرف الضغط بأنه القوة الواقعة على وحدة المساحة. ولذلك يكون الضغط الواقع من الحذاء المسطح النعل على السطوح اللينة أقل من ضغط الحذاء ذي الكعب العالي.
تبذل جسيمات الغاز ضغطًا عندما تصطدم بجدران الوعاء المحصورة فيه. ولأن كتلة جسم الغاز صغيرة فإن الضغط الذي تبذله هذه الكتلة صغير أيضًا. وعلى أي حال، فإن الوعاء الذي سعته لتر يمكن أن يحتوي من 10²² من جسيمات الغاز، وبذا العدد من الجسيمات المحصورة داخل الوعاء يكون الضغط الناتج عن اصطدامها بالجدران أكبر.
ضغط الهواء
يحيط بالكرة الأرضية طبقة الغلاف الجوي التي تمتد مئات الكيلومترات نحو الفضاء. ولما كانت جسيمات الهواء تتحرك في كل اتجاه فإنها تبذل ضغطًا في كل الاتجاهات، وهو ما يعرف بالضغط الجوي أو ضغط الهواء.
ويتفاوت هذا الضغط من مكان إلى آخر فوق سطح الأرض. ولأن تأثير الجاذبية في سطح الأرض أكبر فإن جسيمات الهواء تكون مركزة قربه من سطح الأرض. وبينما تقل كثافة الهواء كلما ارتفعنا إلى أعلى، حيث يقل تأثير الجاذبية الأرضية هناك، ويكون عدد جسيمات الهواء فوق المرتفعات العالية أقل، فيسبب ضغطًا أقل من ضغط الأماكن المنخفضة، حيث يكون تركيز جسيمات الهواء فيها أكبر. ولذلك فإن ضغط الهواء في الأماكن المرتفعة أقل مما هو عند مستوى سطح البحر.
ويبلغ الضغط الجوي عند سطح البحر كيلوجرامًا لكل سنتيمتر مربع تقريبًا.
قياس الضغط الجوي
بعد أن قدم الفيزيائي الإيطالي تورشيلي 1608-1647م، أول من صنع جهازًا لقياس الضغط لا يمكنك ضغطه لذا لا يمكنك ضخ الماء إلى ارتفاع يتجاوز عشرة أمتار. وقد افترض أن ارتفاع السائل في أنبوب يختلف باختلاف كثافته.
ولاختبار هذه الفرضية صمم تورشيلي جهازًا، كما هو موضح في الشكل 6-5، حيث ملأ أنبوبًا زجاجيًا رفيعًا مغلقًا من أحد طرفيه بالزئبق، وأغلق الطرف المفتوح بإبهامه، لكيلا يسمح للهواء بالدخول، ثم نكس الأنبوب في حوض يحوي كمية من الزئبق. ولاحظ انخفاض عمود الزئبق في الأنبوب 76 cm تقريبًا. وهذا يؤيد فرضية تورشيلي؛ لأن كثافة الزئبق أكبر من كثافة الماء أربع عشرة مرة تقريبًا.
وبناءً على تجربة تورشيلي يعرف الضغط الجوي بأنه وزن عمود من الزئبق طوله 76 cm.
البارومتر هو الجهاز الذي صممه تورشيلي، وهو أداة تستخدم لقياس الضغط الجوي. وكما أوضح تورشيلي، فإن ارتفاع مستوى الزئبق في البارومتر عند سطح البحر يساوي 760 mm زئبق. وتحدد ارتفاع الزئبق قوتان إحداهما الجاذبية الأرضية المؤثرة في الزئبق، تبقى في الأنبوب، والأخرى القوة المعارضة للجاذبية، واتجاهها إلى أعلى، وتكون بفعل الهواء الضاغط على سطح الزئبق إلى أسفل. ويتغير ضغط الهواء بتغير درجة حرارة الجو ورطوبته.
الشكل 6-5
الصورة التابعة: صفحة223_الشكل_6_5_تصميم_تورشيلي_للضغط_الجوي.png
كان تورشيلي أول من صمم جهازًا لقياس الضغط الجوي.
العناصر الظاهرة في الشكل:
- فراغ.
- ضغط عمود الزئبق.
- الضغط الجوي.
- 760 mm.
المانومتر
المانومتر أداة تستخدم لقياس ضغط الغاز المحصور، ويتكون من دورق متصل بأنبوب على شكل U مملوء بالزئبق، كما هو موضح في الشكل 6-6. وعند اتصال أحد طرفي المانومتر بدورق يحتوي على الغاز المحصور يدخل الغاز من الدورق إلى الأنبوب، وتعمل الجسيمات المتدفقة على دفع الزئبق إلى أسفل الأنبوب. ويتم إيجاد ضغط الغاز في الدورق عن طريق حساب الفرق في ارتفاع مستوى الزئبق في طرفي الأنبوب.
الشكل 6-6
الصورة التابعة: صفحة223_الشكل_6_6_المانومتر_لقياس_ضغط_الغاز_المحصور.png
المانومتر جهاز يقيس ضغط الغاز المحصور.
توضيحات الشكل:
- يكون مستوى ارتفاع الزئبق هو نفسه في طرفي الأنبوب قبل دخول الغاز.
- يصبح مستوى ارتفاع الزئبق غير متساويين في طرفي الأنبوب عند دخول الغاز.
وحدات قياس الضغط
إن وحدة قياس الضغط هي باسكال Pa، نسبة إلى العالم الرياضي والفيلسوف الفرنسي باسكال 1623-1962م. وقد اشتق باسكال من وحدة قياس القوة نيوتن N، وتساوي وحدة باسكال مقدار قوة واحد نيوتن لكل متر مربع:
1 Pa = 1 N/m²
ولا زالت مجالات كثيرة من العلوم تستخدم الوحدات التقليدية لقياس الضغط.
فعلى سبيل المثال، يسجل المهندسون الضغط على أنه عدد الأرطال لكل بوصة مربعة psi، ويسجل الضغط المقيس باستخدام البارومترات أو المانومترات بالملليمتر زئبق mmHg. وهناك وحدتان أخريان تعرف إحداهما تور torr، والأخرى بار bar.
ويصل متوسط ضغط الهواء عند سطح البحر وعند درجة حرارة 0°C إلى:
101.3 kPa
ويسجل ضغط الهواء أو الضغط الجوي عادة بالضغط الجوي atm:
1 atm = 101.3 kPa = 760 mmHg = 760 torr
ويقارن الجدول 6-1 بين وحدات القياس المختلفة للضغط.
الجدول 6-1
مقارنة بين وحدات قياس الضغط
الصورة التابعة: صفحة224_الجدول_6_1_مقارنة_بين_وحدات_قياس_الضغط.png
| الوحدة | العدد الذي يساوي 1 atm | العدد الذي يساوي 1 kPa |
| ---------------------------- | ---------------------: | ---------------------: |
| كيلوباسكال kPa | 101.3 kPa | — |
| الضغط الجوي atm | — | 0.009869 atm |
| ملليمتر زئبق mm Hg | 760 mm Hg | 7.501 mm Hg |
| تور torr | 760 torr | 7.501 torr |
| رطل/بوصة مربعة psi or lb/in² | 14.7 psi | 0.145 psi |
| بار bar | 1.01 bar | 100 kPa |
مختبر تحليل البيانات
عمل الرسوم البيانية واستخدامها
الصورة التابعة: صفحة224_مختبر_تحليل_البيانات_العلاقة_بين_عمق_الغوص_والضغط_الجوي.png
ما العلاقة بين عمق الغوص وارتفاع مستوى الماء عن سطح البحر؟
يغوص معظم الغطاسين في مواقع تقع عند مستوى سطح البحر أو قريبة منه، إلا أن الغطاسين في أسكوتلون أوتاون وكولورادو سبرنجز، 1350، وكذلك في المناطق الشمالية الغربية من الولايات المتحدة يغوصون في مناطق مرتفعة عن مستوى سطح البحر.
التفكير الناقد
- قارن باستخدام البيانات الواردة في الجدول لعمل رسم بياني للضغط الجوي مقابل الارتفاع.
- احسب عمق غطسك الحقيقي إذا كان مقياس العمق يشير إلى 18 m، ولكنك على ارتفاع 1800 m عن سطح البحر علمًا بأن مقياس العمق لا يعوض فرق الارتفاع هذا.
- حلل: تستخدم جداول الغطس لتحديد زمن الأمان للغطاس الذي يقضيه على عمق معين تحت الماء. فما أهمية معرفة العمق الصحيح للغطسة؟
البيانات والمشاهدات
يبين الجدول الآتي معامل تصحيح مقياس الضغط للغطس في مناطق مرتفعة عن سطح البحر.
| الارتفاع m | الضغط الجوي atm | معامل تصحيح مقياس الضغط m |
| ---------: | --------------: | ------------------------: |
| 0 | 1.000 | 0.0 |
| 600 | 0.930 | 0.7 |
| 1200 | 0.864 | 1.4 |
| 1800 | 0.801 | 2.0 |
| 2400 | 0.743 | 2.7 |
| 3000 | 0.688 | 3.2 |
أخذت البيانات من Swatzky D 2000، النصوص على المرتفعات، الجزء الأول، مجلة الغطاس يونيو 2000.
قانون دالتون للضغوط الجزيئية
وجد دالتون Dalton في أثناء دراسته خصائص الغازات أن لكل غاز في خليط من الغازات ضغطًا خاصًا به. ويوضح الشكل 6-7 قانون دالتون للضغوط الجزئية، وينص على أن الضغط الكلي لخليط من الغاز يساوي مجموع الضغوط الجزئية للغازات المكونة له.
وتعرف نسبة ضغط كل غاز من الضغط الكلي بالضغط الجزئي للغاز. ويعتمد الضغط الجزئي للغاز على عدد مولاته، وحجم الوعاء، ودرجة حرارة خليط الغازات، ولكنه لا يعتمد على نوع الغاز.
ويكون الضغط الجزئي لمول واحد من أي غاز عند درجة حرارة وضغط معينين هو نفسه.
ويلخص قانون دالتون بالمعادلة الموضحة أدناه.
قانون دالتون للضغوط الجزيئية للغازات
الصورة التابعة: صفحة225_قانون_دالتون_للضغوط_الجزيئية_للغازات.png
Ptotal = P₁ + P₂ + P₃ + … + Pn
حيث:
Ptotal تمثل مجموع الضغوط، الضغط الكلي.
P₁ و P₂ و P₃ و Pn تمثل الضغوط الجزئية للغازات.
لحساب الضغط الكلي لخليط الغازات أضف الضغوط الجزئية لكل الغازات معًا.
انظر إلى الشكل 6-7. ماذا يحدث عند وضع 1 mol من الهيليوم مع 1 mol من النيتروجين في وعاء مغلق؟ لأنه لم يحدث تغيير في حجم كل من الغازين وعدد جسيماتها، فإن الضغط الكلي يكون مساويًا لمجموع الضغط الجزئي لكل منهما.
الشكل 6-7
الصورة التابعة: صفحة225_الشكل_6_7_الضغط_الكلي_لخليط_الهيليوم_والنيتروجين.png
عند خلط الغازين يكون الضغط الكلي للخليط مساويًا لمجموع الضغوط الجزئية للغازات في الخليط.
الأجزاء الظاهرة:
- 1 mol He
P₁
- 1 mol N₂
P₂
- 1 mol He + 1 mol N₂
Ptotal
سؤال الشكل
حدد كيف تقارن بين الضغوط الجزيئية لغازي النيتروجين والهيليوم لكمية 1 mol من كل منهما تم ضغطهما داخل وعاء مغلق؟
مثال 6-2
الضغط الجزئي للغاز
الصورة التابعة: صفحة226_مثال_6_2_حساب_الضغط_الجزيئي_للأكسجين.png
المسألة
إذا كان الضغط الكلي لخليط من الغازات مكونًا من الأكسجين O₂ وثاني أكسيد الكربون CO₂ والنيتروجين N₂ يساوي 0.97 atm، فاحسب الضغط الجزئي للأكسجين، علمًا بأن الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون 0.70 atm وللنيتروجين 0.12 atm.
1. تحليل المسألة
أعطيت الضغط الكلي لخليط الغازات والضغط الجزئي لغازين. ولإيجاد الضغط الجزئي للغاز الثالث في الخليط استخدم قانون دالتون للضغوط الجزيئية.
المعطيات
PN₂ = 0.12 atm
PCO₂ = 0.70 atm
Ptotal = 0.97 atm
المطلوب
PO₂ = ? atm
2. حساب المطلوب
تذكر قانون دالتون للضغوط الجزيئية:
Ptotal = PN₂ + PCO₂ + PO₂
حل لإيجاد PO₂:
PO₂ = Ptotal - PCO₂ - PN₂
عوّض بقيم الضغوط الجزئية:
PO₂ = 0.97 atm - 0.70 atm - 0.12 atm
PO₂ = 0.15 atm
3. تقويم الإجابة
عند إضافة القيمة المحسوبة للضغط الجزئي للأكسجين إلى بقية الضغوط الجزئية يكون الناتج مساويًا للضغط الكلي وهو 0.97 atm.
مسائل تدريبية
- احسب الضغط الجزئي لغاز الهيدروجين في خليط من غاز الهيليوم وغاز الهيدروجين، علمًا بأن الضغط الكلي للهيليوم يساوي 600 mmHg والضغط الجزئي للهيليوم يساوي 439 mmHg.
- أوجد الضغط الكلي لخليط غاز مكون من أربعة غازات بضغوط جزئية على النحو الآتي:
5.00 kPa
4.56 kPa
3.02 kPa
1.20 kPa
- أوجد الضغط الجزئي لغاز ثاني أكسيد الكربون في خليط من الغازات، علمًا بأن ضغط الغازات الكلي يساوي 30.4 kPa والضغط الجزئي للغازين الآخرين يساوي:
3.7 kPa
16.5 kPa
- تحفيز: الهواء خليط من الغازات يحتوي على النيتروجين بنسبة 78%، وغاز الأكسجين 21%، وغاز الأرجون 1%، وهناك كميات ضئيلة من الغازات الأخرى. فإذا علمت أن الضغط الجوي يساوي 760 mmHg، فما الضغوط الجزئية لكل من النيتروجين والأكسجين والأرجون في الهواء؟
الشكل 6-8
الصورة التابعة: صفحة227_الشكل_6_8_جمع_غاز_الهيدروجين_فوق_الماء.png
يتفاعل حمض الكبريتيك H₂SO₄ مع الخارصين Zn لإنتاج غاز الهيدروجين الذي يتم جمعه عند درجة حرارة 20°C.
احسب الضغط الجزئي لغاز الهيدروجين عند درجة حرارة 20°C إذا علمت أن الضغط الكلي لخليط غازي الهيدروجين وبخار الماء هو 100.0 kPa.
استخدام قانون دالتون
تستخدم الضغوط الجزئية للغازات لتحديد كمية الغاز الناتجة عن التفاعل؛ حيث يجمع الغاز الناتج فوق الماء في وعاء ماء معكوس، كما هو موضح في الشكل 6-8، فيحل الغاز محل الماء. ويكون الغاز الناتج مزيجًا من غازي الهيدروجين وبخار الماء. وبهذا يكون الضغط الكلي داخل الوعاء يساوي مجموع الضغطين الجزئيين لكل من الهيدروجين وبخار الماء عند درجة الحرارة نفسها.
ترتبط الضغوط الجزئية للغازات عند درجة الحرارة نفسها بتراكيز هذه الغازات. فالضغط الجزئي لبخار الماء له قيمة ثابتة عند درجة حرارة معينة. ويمكنك الحصول على هذه القيم بالرجوع إلى المصادر. فعلى سبيل المثال، الضغط الجزئي لبخار الماء عند درجة حرارة 20°C هو 2.3 kPa. ويمكنك حساب الضغط الجزئي لغاز الهيدروجين بطرح الضغط الجزئي لبخار الماء من الضغط الكلي.
وستعرف لاحقًا أنه إذا عرفت ضغط غاز ما وحجمه ودرجة حرارته استطعت حساب عدد مولاته.
التقويم 6-1
الخلاصة
الصورة التابعة: صفحة227_التقويم_6_1_الخلاصة_والأسئلة.png
الخلاصة
- يستخدم قانون جراهام للمقارنة بين معدل انتشار غازين أو معدل تدفقهما.
- تفسر نظرية الحركة الجزيئية خصائص الغازات اعتمادًا على حجم جسيماتها وحركتها وطاقتها.
- يستخدم قانون دالتون للضغوط الجزئية لتحديد ضغط كل غاز في خليط من الغازات.
أسئلة التقويم 6-1
- الفكرة الرئيسية: فسر سبب استخدام نظرية الحركة الجزيئية لتفسير سلوك الغازات.
- صف كيف تؤثر كتلة جسيم الغاز في معدل انتشاره وتدفقه؟
- وضح كيف يمكن قياس ضغط الغاز؟
- فسر لماذا ينكس وعاء عند جمع الغاز بإحلاله محل الماء؟
- احسب الضغط الجزئي لأحد الغازين المحصورين في وعاء، إذا علمت أن الضغط الكلي 1.20 atm والضغط الجزئي لأحدهما 0.75 atm.
- استنتج: إذا كانت درجة الحرارة تؤثر في معدل انتشار الغاز، فسر إجابتك.
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.