صفحة ٢١٨
انظر إلى الفكرة الرئيسة؛ الغازات تتمدد وتنتشر لأنها قابلة للانضغط وذات كثافة منخفضة وتتكون من جسيمات صغيرة دائمة الحركة. انظر إلى الشكل 6-1؛ الذهب والجرافيت والزئبق تختلف في خصائصها الفيزيائية رغم أنها مواد صلبة، وعلى النقيض، فإن الغازات تبدو متشابهة في خصائصها الفيزيائية عند درجة حرارة الغرفة. تاريخياً، وفي بداية القرن الثامن عشر، أصبح العلماء قادرين على جمع النواتج الغازية عن طريق إحلالها محل الماء وقياس خصائصها. وفي عام 1860 م، اقترح العالمان بولتزمان وماكسويل نموذجاً لتفسير خصائص الغازات عُرف بنظرية الحركة الجزيئية. تفترض هذه النظرية أن جميع الغازات تتكون من جسيمات تمتلك طاقة حركة، وتصف سلوك المادة بالاعتماد على حركة جسيماتها.
صفحة ٢١٩
انظر إلى الشكل 6-2؛ الطاقة الحركية تنتقل بين جسيمات الغاز أثناء التصادم المرن فيما بينها. تتكون الغازات من جسيمات ذات حجم صغير جداً مقارنة بالفراغات التي تفصل بينها، لذا تنعدم قوى التجاذب والتنافر. حركة الجسيمات مستمرة وعشوائية وتتحرك في خط مستقيم حتى تصطدم بجسيمات أخرى أو بجدار الوعاء، وهذا التصادم مرن، أي أن الطاقة الحركية لا تفقد بل تنتقل بين الجسيمات. تعتمد طاقة الحركة للجسيم على عاملين هما كتلة الجسيم وسرعته، ويمكن التعبير عن ذلك بالعно العلاقة حيث هي الطاقة الحركية، و كتلة الجسيم، و سرعة الجسيم المتجهة. تستخدم درجة الحرارة مقياساً لمتوسط الطاقة الحركية لجسيمات المادة. الغازات تتمدد وتملأ الوعاء لأن جسيماتها تتوزع في كل الأرجاء بسبب حركتها الدائمة.
صفحة ٢٢٠
انظر إلى الشكل 6-3؛ تمدد الغاز وانضغاطه في وعاء مغلق يغير الحجم مع ثبات كتلة الجسيمات. عندما تعصر وسادة من البولسترين بالضغط، يقل حجمها لأن المسافة بين الجزيئات تقل وتزداد سرعة التصادمات، وعند زوال الضغط تعود المسافات لوضعها الأصلي. الانتشار والتدفق يعتمدان على أن قوى التجاذب تكاد تكون منعدمة، فالانتشار هو حركة تداخل المواد معاً مثل انتشار رائحة الطعام في المنزل من منطقة ذات تركيز عال إلى منطقة ذات تركيز منخفض، أما التدفق فهو عملية خروج الغاز من خلال ثقب صغير مثل ثقب إطار سيارة. في عام 1846 م، أجرى توماس جراهام تجربة لقياس معدل تدفق الغازات، واكتشف أن هناك علاقة عكسية بين معدل التدفق والكتلة المولية للغاز، وينص قانون جراهام للتدفق على أن معدل سرعة تدفق الغاز يتناسب عكسياً مع الجذر التربيعي للكتلة المولية.
صفحة ٢٢١
تعتمد سرعة الانتشار بدرجة أولى على كتلة الجسيمات، حيث تنتشر الجسيمات الخفيفة أسرع من الثقيلة. يمكنك استخدام قانون جراهام لكتابة نسبة رياضية للمقارنة بين معدل انتشار غازين بالعلاقة . انظر إلى المثال 1-6؛ لحساب نسبة معدل انتشار الأمونيا () وکلوريد الهيدروجين ()، ضع الكتلة المولية لكلوريد الهيدروجين في البسط، والكتلة المولية للأمونيا في المقام تحت الجذر، لتكون النتيجة ، وهذا منطقي لأن كتلة الأمونيا تعادل تقريباً نصف كتلة كلوريد الهيدروجين، لذا تكون أسرع انتشاراً.
صفحة ٢٢٢
انظر إلى الشكل 6-4؛ العلاقة العكسية بين الضغط والمساحة تعني أن الكعب العالي يعمل على زيادة الضغط على السطح لأن مساحة الكعب الملامسة للأرض صغيرة، بينما تتوزع قوة الضغط في الأحذية ذات النعل المسطح على مساحة أكبر. تبذل جسيمات الغاز ضغطاً عندما تصطدم بجدران الوعاء المحصور فيه، ولأن كتلة الجسيم صغيرة فإن الضغط الذي تبذله صغير، ولكن وعاء سعته لتر واحد يمكن أن يستوعب من جسيمات الغاز، وهذا العدد الهائل يصدم الجدران معاً ليكون ضغطاً كبيراً. ضغط الهواء يحيط بالكرة الأرضية بسبب طبقة الغلاف الجوي التي تمتد مئات الكيلومترات، ولأن جسيمات الهواء تتحرك في كل الاتجاهات فإنها تبذل ضغطاً يتفاوت من مكان إلى آخر فوق سطح الأرض بسبب تأثير الجاذبية.
صفحة ٢٢٣
انظر إلى الشكل 6-5؛ التجربة التي صممها تورشلي عام 1608 م إلى 1647 م أثبتت وجود ضغط للهواء، حيث ملأ أنبوباً زجاجياً بالزئبق ونكسه فوق حوض مملوء بالزئبق، ولاحظ انخفاض عمود الزئبق في الأبوب إلى تقريباً، وهذا يثبت أن كثافة الزئبق أكبر من كثافة الماء أربع عشرة مرة. البارومتر أداة استخدمها تورشلي لقياس الضغط الجوي حيث يساوي ارتفاع الزئبق عند سطح البحر تقريباً. المانومتر أداة تستخدم لقياس ضغط الغاز المحصور ويتكون من دورق متصل بأنبوب على شكل مملوء بالزئبق، ويتم إيجاد ضغط الغاز في الدورق عن طريق حساب الفرق في ارتفاع مستوى الزئبق في طرفي الأبوب. وحدات قياس الضغط هي الباسكال () نسبة إلى العالم باسكال، وتساوي نيوتن لكل متر مربع (). وهناك وحدات أخرى مثل الملليمتر زئبق () والبار () والتور ().
صفحة ٢٢٤
انظر إلى الجدول 1-6؛ يقارن الجدول بين وحدات قياس الضغط المختلفة؛ فالضغط الجوي () يساوي ، ويساوي ، ويساوي ، ويساوي ، ويساوي . أما في قسم تحليل البيانات، يظهر جدول يوضح معامل تصحيح الضغط للغوص في مناطق مرتفعة عن سطح البحر؛ حيث يختلف الضغط الجوي ومعامل التصحيح باختلاف الارتفاع بالمتار. فإذا كان عمق غطسك الحقيقي ولكنك على ارتفاع عن سطح البحر، فعليك استخدام معامل التصحيح المناسب من الجدول لتعويض الفرق في الارتفاع.
صفحة ٢٢٥
انظر إلى الشكل 6-7؛ عند خلط غازين مثل الهيليوم والنيتروجين، يكون الضغط الكلي للخليط مساوياً لمجموع الضغوط الجزئية للغازات في الخليط. ينص قانون دالتون للضغوط الجزئية على أن الضغط الكلي لخليط من الغاز يساوي مجموع الضغوط الجزئية للغازات المكونة له، ويعرف ضغط كل غاز في الضغط الكلي بالضغط الجزئي للغاز، وهو يعتمد على عدد مولاته وحجم الوعاء ودرجة الحرارة ولا يعتمد على نوع الغاز. ويلخص القانون بالمعادلة حيث تمثل مجموع الضغوط، و و الضغوط الجزئية للغازات. لحساب الضغط الكلي لخليط الغازات، أضف الضغوط الجزئية إلى كل الغازات معاً.
صفحة ٢٢٦
انظر إلى المثال 2-6؛ لإيجاد الضغط الجزئي لغاز الأكسجين () في خليط ضغطه الكلي ومكون من أكسجين وثاني أكسيد الكربون ونيتروجين، نستخدم قانون دالتون للضغوط الجزئية. اكتب المعادلة هكذا: . رتب المعادلة لإيجاد فيصبح شكلها: . الآن عوض بالأرقام: . اطرح الأرقام ليخرج الناتج . لتقييم الإجابة، اجمع القيمة الناتجة مع بقية الضغوط الجزئية لترى هل ستعود للضغط الكلي أم لا.
صفحة ٢٢٧
انظر إلى الشكل 6-8؛ يتفاعل حمض الكبريتيك مع الخارصين لإنتاج غاز الهيدروجين الذي يتم جمعه عند درجة حرارة . لاستخدام قانون دالتون للضغوط الجزئية لتحديد كمية الغاز الناتجة عن التفاعل، يتم جمع الغاز الناتج فوق الماء في وعاء منكس، فيحل الغاز محل الماء ويكون الغاز الناتج مزيجاً من غازي الهيدروجين وبخار الماء، ويكون الضغط الكلي داخل الوعاء مساوياً لمجموع الضغطين الجزئيين لكل من الهيدروجين وبخار الماء. ترتبط الضغوط الجزئية للغازات عند درجة الحرارة نفسها بتراكيز هذه الغازات، فالضغط الجزئي لبخار الماء له قيمة ثابتة عند درجة حرارة معينة، ويمكن حساب الضغط الجزئي لغاز الهيدروجين بطرح الضغط الجزئي لبخار الماء من الضغط الكلي. وفي قسم التقويم 1-6، أجب عن الأسئلة بتطبيق ما تعلمته عن نظرية الحركة الجزيئية وقانون جراهام وقانون دالتون للضغوط الجزئية.
