خواص المادة:الغازات

• الخصائص القابلة للقياس للغازات
• قانون بويل
• قانون تشارلز (قانون جاي-لوساك)
• رقم Avogadro
• ثابت الغاز المثالي
• قانون الغاز المثالي
• موارد إضافية
• قائمة المراجع

الغاز هو حالة مادة ليس لها شكل ثابت ولا حجم ثابت. الغازات ذات كثافة أقل من حالات المادة الأخرى ، مثل المواد الصلبة والسوائل. هناك قدر كبير من المساحة الفارغة بين الجسيمات ، والتي تحتوي على الكثير من الطاقة الحركية ولا تنجذب بشكل خاص إلى بعضها البعض. تتحرك جزيئات الغاز بسرعة كبيرة وتتصادم مع بعضها البعض ، مما يؤدي إلى انتشارها أو انتشارها حتى يتم توزيعها بالتساوي في جميع أنحاء حجم الحاوية.

وفقًا لموقع الويب التعليمي Lumen Learning (يفتح في علامة تبويب جديدة) ، لا يمكن احتواء الغاز إلا من خلال إما أن يكون محاطًا بالكامل بحاوية أو متماسكًا عن طريق الجاذبية.

عندما يدخل المزيد من جزيئات الغاز إلى الحاوية ، تقل مساحة انتشار الجزيئات وتصبح مضغوطة. تمارس الجسيمات قوة أكبر على الحجم الداخلي للحاوية. هذه القوة تسمى الضغط. هناك عدة وحدات تستخدم للتعبير عن الضغط. بعض أكثرها شيوعًا هي الغلاف الجوي (atm) ، رطل لكل بوصة مربعة (psi) ، ملليمترات من الزئبق (mmHg) وباسكال (Pa). ترتبط الوحدات ببعضها البعض بهذه الطريقة:1 atm =14.7 psi =760 mmHg =101.3 kPa (1،000 pascals).

يمكن تحويل الغاز إلى سائل من خلال الضغط عند درجة حرارة مناسبة ، وفقًا لجامعة بوردو (يفتح في علامة تبويب جديدة). ولكن إذا تم الوصول إلى درجة الحرارة الحرجة ، فلا يمكن تسييل البخار بغض النظر عن مقدار الضغط الذي يتم تطبيقه. الضغط الحرج هو الضغط اللازم لتسييل الغاز عند درجة حرارته الحرجة.

أمثلة على درجات الحرارة والضغط الحرجين للمواد المختلفة وفقًا لـ Engineering Toolbox (يفتح في علامة تبويب جديدة)

الخصائص القابلة للقياس للغازات

إلى جانب الضغط ، المشار إليه في المعادلات كـ P ، فإن للغازات خصائص أخرى قابلة للقياس:درجة الحرارة (T) والحجم (V) وعدد الجسيمات ، والتي يتم التعبير عنها في عدد المولات (n أو mol). غالبًا ما يستخدم مقياس كلفن في الأعمال التي تتضمن درجة حرارة الغاز.

نظرًا لاختلاف درجة الحرارة والضغط من مكان إلى آخر ، يستخدم العلماء نقطة مرجعية قياسية ، تسمى درجة الحرارة والضغط القياسيين (STP) ، في الحسابات والمعادلات. درجة الحرارة القياسية هي نقطة تجمد الماء - 32 درجة فهرنهايت (0 درجة مئوية ، أو 273.15 كلفن). الضغط القياسي هو ضغط جوي واحد (atm) - الضغط الذي يمارسه الغلاف الجوي على الأرض عند مستوى سطح البحر.

قوانين الغاز

إن درجة حرارة الغاز وضغطه وكميته وحجمه مترابطة ، وقد طور العديد من العلماء قوانين لوصف العلاقات فيما بينهم.

قانون بويل

سميت على اسم روبرت بويل ، الذي ذكرها لأول مرة في عام 1662. قانون بويل ينص على أنه إذا كانت درجة الحرارة ثابتة ، فإن الحجم والضغط لهما علاقة عكسية. أي ، مع زيادة الحجم ، ينخفض ​​الضغط ، وفقًا لجامعة كاليفورنيا ، ChemWiki (يفتح في علامة تبويب جديدة).

ستسمح زيادة المساحة المتاحة لجزيئات الغاز بالانتشار بعيدًا عن بعضها ، لكن هذا يقلل من عدد الجسيمات المتاحة للتصادم مع الحاوية ، وبالتالي ينخفض ​​الضغط.

يؤدي تقليل حجم الحاوية إلى تصادم الجسيمات كثيرًا ، وبالتالي يزداد الضغط. وخير مثال على ذلك هو عندما تملأ إطارًا بالهواء. كلما دخل المزيد من الهواء ، تتجمع جزيئات الغاز معًا ، مما يقلل من حجمها. طالما بقيت درجة الحرارة كما هي ، يزداد الضغط.

قانون تشارلز (قانون جاي لوساك)

في عام 1802 ، أشار جوزيف لويس جاي-لوساك ، الكيميائي والفيزيائي الفرنسي ، إلى البيانات التي جمعها مواطنه جاك تشارلز ، في ورقة تصف العلاقة المباشرة بين درجة حرارة وحجم الغاز المحتفظ به عند ضغط ثابت. تشير معظم النصوص إلى هذا باسم قانون تشارلز ، لكن القليل منها يطلق عليه قانون جاي لوساك ، أو حتى قانون تشارلز جاي لوساك.

ينص هذا القانون على أن حجم ودرجة حرارة الغاز لهما علاقة مباشرة:كلما زادت درجة الحرارة ، يزداد الحجم عندما يظل الضغط ثابتًا. يؤدي تسخين الغاز إلى زيادة الطاقة الحركية للجسيمات ، مما يؤدي إلى تمدد الغاز. من أجل الحفاظ على ثبات الضغط ، يجب زيادة حجم الحاوية عند تسخين الغاز.

يشرح هذا القانون سبب كونه قاعدة أمان مهمة يجب ألا تقوم بتسخين حاوية مغلقة أبدًا. زيادة درجة الحرارة دون زيادة الحجم المتاح لاستيعاب الغاز المتوسع يعني أن الضغط يتراكم داخل الحاوية وقد يتسبب في انفجارها. يشرح القانون أيضًا سبب ظهور مقياس حرارة الديك الرومي عند الانتهاء من الديك الرومي:يزداد حجم الهواء المحبوس أسفل المكبس مع ارتفاع درجة الحرارة داخل الديك الرومي.

رقم أفوجادرو

في عام 1811 ، اقترح العالم الإيطالي أميديو أفوجادرو فكرة أن الأحجام المتساوية من الغاز عند نفس درجة الحرارة والضغط سيكون لها عدد متساوٍ من الجسيمات ، بغض النظر عن طبيعتها الكيميائية وخصائصها الفيزيائية.

ثابت الغاز المثالي

الطاقة الحركية لكل وحدة درجة حرارة مول واحد من الغاز هي قيمة ثابتة ، يشار إليها أحيانًا باسم ثابت Regnault ، الذي سمي على اسم الكيميائي الفرنسي Henri Victor Regnault (يفتح في علامة تبويب جديدة). تم اختصارها بالحرف R. Regnault درس الخصائص الحرارية للمادة واكتشف أن قانون بويل لم يكن كاملاً. عندما تقترب درجة حرارة مادة ما من نقطة غليانها ، فإن تمدد جزيئات الغاز ليس منتظمًا تمامًا.

قانون الغاز المثالي

رقم أفوجادرو ، ثابت الغاز المثالي ، وكلا قوانين بويل وتشارلز تتحد لوصف الغاز المثالي النظري حيث تكون جميع تصادمات الجسيمات متساوية تمامًا. تقترب القوانين كثيرًا من وصف سلوك معظم الغازات ، ولكن هناك انحرافات رياضية صغيرة جدًا بسبب الاختلافات في حجم الجسيمات الفعلي والقوى الصغيرة بين الجزيئات في الغازات الحقيقية. ومع ذلك ، غالبًا ما يتم دمج هذه القوانين المهمة في معادلة واحدة تُعرف باسم قانون الغاز المثالي. باستخدام هذا القانون ، يمكنك إيجاد قيمة أي من المتغيرات الأخرى - الضغط أو الحجم أو الرقم أو درجة الحرارة - إذا كنت تعرف قيمة الثلاثة الأخرى.

موارد إضافية

تعرف على المزيد حول السوائل فوق الحرجة واستخداماتها مع هذه المقالة من SciMed (يفتح في علامة تبويب جديدة) . للحصول على حقائق سريعة ومناسبة للأطفال حول الغازات ، انتقل إلى الموقع التعليمي Love My Science (يفتح في علامة تبويب جديدة) . اكتشف المزيد من الأمثلة على الغازات باستخدام هذه المادة الإعلامية من موقع الويب التعليمي Science Notes (يفتح في علامة تبويب جديدة).

ببليوغرافيا

• كنيز وجليكو وآخرون "التطبيقات الصناعية للسوائل فوق الحرجة:مراجعة. (يفتح في علامة تبويب جديدة)" الطاقة 77 (2014):235-243.
• سيلبيربيرج ، مارتن. مبادئ الكيمياء العامة (يفتح في علامة تبويب جديدة). McGraw-Hill Education، 2012.
• ليفي وشارونا تي وأوري ويلنسكي. "قوانين الغاز وما بعدها:استراتيجيات في استكشاف نماذج لديناميكيات التغيير في الحالة الغازية. (يفتح في علامة تبويب جديدة)" الاجتماع السنوي للجمعية الوطنية للبحوث في تدريس العلوم ، سان فرانسيسكو ، كاليفورنيا. 2006.