نموذج الغاز المثالي والأنماط السلوكية للمركبات الحقيقيةالغازات

دعونا نفهم الفرق في خصائص المواد الصلبة والسائلة والغازية. هذه الثلاث هي حالات المادة القابلة للتبادل. المواد الصلبة. المادة الصلبة هي تلك الحالة من المادة التي لها شكل ثابت لأن جميع ذراتها مرتبطة بإحكام مع بعضها البعض. الذرات لا تتحرك بحرية. بسبب شكلها الثابت فإن حجمها ثابت أيضاً. القوة الترابطية بين جزيئات المواد الصلبة تكون في أقصى حد لها. لذلك، تكون المسافة بين جزيئات المواد الصلبة ضئيلة.

المسافة بين جزيئات المواد الصلبة صغيرة. ويرجع ذلك إلى أن الجسيمات مرتبة بشكل مضغوط بالقرب من بعضها البعض. تعطي هذه الجزيئات الفراغية بين الجزيئات المتراصة بإحكام المواد الصلبة كثافات عالية. ترتبط الذرات في المواد الصلبة بروابط قوية. ولهذا السبب فإن المواد الصلبة ليست قابلة للضغط. هل تعرف ما هي قابلية الانضغاط؟. قابلية الانضغاط هي مقياس لمدى انخفاض حجم معين من المادة عند وضعه تحت الضغط. إذا وضعنا ضغطًا على المواد الصلبة، فلن يكون هناك أي تغيير في الحجم بشكل أساسي.

دعونا نأخذ مثالا. نرى هنا لبنة. لديه شكل محدد وحجم ثابت. يتم ترتيب الذرات بطريقة محددة. لا يمكن ضغطه لأنه لا يحتوي على أي مساحة حرة بين جزيئاته. ولهذا السبب فإن الطوب يتمتع بكثافة عالية. دعونا نأخذ مثالا آخر. الرمل أيضًا صلب لأنه يتمتع بشكل وحجم ثابتين. كثافتها عالية. عند الضغط عليه لا يقل حجمه. لذلك فهو غير قابل للضغط.

السوائل. جزيئات السائل على اتصال وثيق. مساحتها بين الجزيئات أقل من مساحة الغازات. ولهذا السبب فإنه يحتوي على حجم محدد. ولكن يمكن لجزيئات السائل أن تتحرك بحرية. لذلك ليس لديهم شكل محدد. تتدفق السوائل وتملأ الجزء السفلي من الحاوية، وتأخذ شكلها. ومع ذلك، هذا لا يغير الحجم. يمكن لجزيئات السائل أن تتحرك وتنزلق فوق بعضها البعض بسهولة. ولذلك فإنها تأخذ شكل الجزء الذي تشغله من الحاوية. تظل جزيئات السائل قريبة من بعضها البعض. ولذلك، هناك ارتفاع صغير فقط في الحجم في السوائل مقارنة بالمواد الصلبة. ما رأيك في كثافة السوائل وقابليتها للانضغاط؟.

ستكون نفس كتلة السائل ذات حجم أكبر قليلًا من المواد الصلبة. وهذا هو السبب في أن كثافة السائل أقل قليلاً من حالته الصلبة. لكن السوائل لها كثافة أعلى بكثير من كثافة حالتها الغازية المقابلة. على الرغم من أن الجسيمات مرتبة بشكل عشوائي إلا أنها متراصة بإحكام. وهذا يعطي السوائل كثافة عالية ولكنها أقل قليلاً من المواد الصلبة. قابلية الانضغاط هي تغير في الحجم مع ارتفاع الضغط. وبالتالي، ينخفض حجم السوائل عند تطبيق الضغط عليها. ولكن هذا يحدث بنسبة صغيرة جدًا. تكون جزيئات السائل متراصة، ولكن بشكل فضفاض بعض الشيء، بحيث يمكن ضغطها. ومن ثم تكون السوائل قابلة للضغط قليلاً.

مثال 1. الماء سائل ذو حجم ثابت ولكن له شكل محدد. إذا وضعت في كأس فإنها تأخذ شكل الكأس. إذا وضعت في الزجاجة فإنها تأخذ شكل الزجاجة. تتمتع بكثافة عالية. الحليب قابل للضغط أيضًا، لكن التغير أو النقصان في الحجم يكون ضئيلًا للغاية. مثال 2. الدم سائل أيضًا وليس له شكل ويحتوي على شكل الشرايين التي يشغلها. تبلغ كثافتها 1 جرام/م2 وهي أعلى من أي عشب آخركما أنها قابلة للضغط.

الغازات. يحتوي الغاز على أقصى مساحة بين جزيئاته. ولهذا السبب ليس له حجم محدد. لأن جزيئاتها ليست متراصة بشكل وثيق، فهي تتحرك بحرية. لذلك، الغاز ليس له شكل محدد. يأخذ الغاز شكل الوعاء الذي يشغله. في أغلب الحالات، لا توجد قوى جذب بين الجسيمات. وهذا يعني أن الغاز ليس لديه ما يحافظ على شكل أو حجم معين.

الكثافة هي الكتلة التي تشغل وحدة حجم عند ضغط ودرجة حرارة محددين. الغاز له كثافة يمكن إهمالها. إنها أقل بـ 1000 مرة من كثافة المادة الصلبة أو السائلة. ولذلك فإن الغازات عادة ما يكون لها كثافة منخفضة بشكل استثنائي. تعتبر الغازات قابلة للضغط بدرجة كبيرة لأن معظم حجم الغاز يتكون من كميات كبيرة من الفراغات بين جزيئات الغاز. بتطبيق الضغط ينخفض حجم الغازات.

أمثلة. لنأخذ الصودا كمثال. يوجد في المشروبات الغازية غاز ثاني أكسيد الكربون. ويأخذ هذا الغاز أيضًا شكل زجاجة وحجم لا يوجد فيه صودا سائلة. إنها ذات كثافة منخفضة وتوجد في زجاجة الصودا عن طريق الضغط. هل تعلم أن كابلات الواي فاي تحتوي على غاز الهيليوم؟. يتخذ غاز الهيليوم الموجود في كابلات الواي فاي شكل وحجم الكابل الذي يشغله. إنها ذات كثافة أقل وتتواجد في تلك الكابلات بشكل مضغوط.

معادلة الغاز المثالي. تمت صياغة معادلة الغاز المثالي على النحو التالي PV=nRT. ويسمى أيضًا بقانون الغاز المثالي. إنها معادلة الغاز المثالي الافتراضي. وهو يشير إلى تقريب لسلوك العديد من الغازات في ظل العديد من الظروف. هناك بعض القيود عليه أيضاً. وهو عبارة عن مجموعة من القوانين التجريبية مثل قانون شارل وقانون بويل. فهو يساعدنا في وصف الغازات في ظل ظروف معينة. يتم تطبيقه للعثور على حجم وكثافة الغازات.

تُستخدم هذه المعادلة أيضًا للتحويل بين الكميات المولية والأحجام في معادلة التفاعل الكيميائي. الغاز المثالي هو غاز افتراضي لا يمكن رؤيته في الواقع. والغرض منه هو تبسيط العمليات الحسابية. في سيناريو الغاز المثالي، تتحرك جزيئات الغاز أو الجسيمات بحرية في جميع الاتجاهات مع الاصطدام المرن بينها. في ظروف الغاز المثالية، لا يوجد فقدان للطاقة عندما تصطدم الجسيمات مع بعضها البعض.

في الواقع، لا يوجد مثل هذا الغاز المثالي. تحاول جميع الغازات الحقيقية تحقيق خصائص الغاز المثالي عند كثافة منخفضة بما يكفي. جزيئات الغاز بعيدة جدًا عن بعضها البعض ولا تتفاعل مع بعضها البعض، مما يساعد في حالة الكثافة المنخفضة. لذلك يتم استخدام فرضية الغاز المثالي لفهم الغازات الحقيقية. إذا أردنا دراسة الغازات، فنحن بحاجة إلى غاز قياسي. وباستخدامه نقوم بمقارنة جميع الغازات الأخرى ودراسة خصائصها. لنفترض أننا نريد دراسة الهيدروجين، أو النيتروجين، أو الأكسجين، أو الهيليوم، أو أي غاز آخر. نأخذ مولًا واحدًا من هذا الغاز ونضعه في وعاء. كما حافظنا أيضًا على درجة حرارته وضغطه. ثم عند الكثافة المنخفضة، تختفي أيضًا الاختلافات الصغيرة في القياس.

ثبت أنه عند الكثافات المنخفضة تميل الغازات الحقيقية إلى التصرف كغاز مثالي وتطيع قانونًا عالميًا واحدًا يُعرف بقانون الغاز المثالي. يتم تقديم هذا القانون من خلال معادلة تسمى معادلة الغاز المثالي. PV=nRT. هنا P هو الضغط وV هو حجم الغازات المثالية. n يمثل مولات الغاز المثالي. T هي درجة الحرارة و R هو ثابت الغاز. R لها قيمة ثابتة 8.3144(48)JK⁻¹mol⁻¹.

هناك العديد من القيود على قانون الغاز المثالي. لا ينطبق إلا عندما تكون الكثافة منخفضة. عند الكثافات العالية، تنحرف الغازات الحقيقية عن قانون الغاز المثالي. في معادلة الغاز المثالي، يشير n إلى إجمالي عدد مولات جزيئات الغاز في خليط معين. بينما في معادلة حالات الغاز المثالي توجد علاقة بين خصائص بسيطة عامة جدًا. المعادلة البسيطة لحالة الغاز تُعرف باسم معادلة حالة الغاز المثالي. هل يمكنك حساب الحجم أو الضغط من معادلة الغاز المثالي؟.

مثال 1. ما هو حجم الغاز الذي يمتصه 5 جرام من ثاني أكسيد الكربون في درجة الحرارة والضغط القياسيين؟. أولاً، اكتب معادلة الغاز المثالي وأعد ترتيبها لتحديد الحجم. V=nRT/P. ثم نحسب كما هو موضح هنا. مثال 2. دعونا نرى مثالا آخر للعثور على درجة الحرارة. في هذا يحتل 08 مول من غاز الأكسجين 15 لترًا من 2 جو. لتحديد درجة الحرارة دعونا نعيد ترتيب معادلة الغاز المثالي. T = PV/nR