صفحة ٢٧٣
انظر إلى أعلى الصفحة حيث تبدأ رحلتنا مع قانون الغاز المثالي وتحديداً مبدأ أفوجادرو. تخيل أنك تمسك ثلاث أسطوانات بأحجام متساوية وتحت نفس الضغط ودرجة الحرارة وتحتوي جميعها على كميات متساوية من مولات غازات مختلفة مثل الهيليوم وثاني أكسيد الكربون والأكسجين، كما يظهر في الشكل 5-7. الحجم الذي يشغله مول واحد من أي غاز في الظروف المعيارية والمعروفة اختصاراً بـ STP والتي تعني ضغطاً جوياً واحداً ودرجة حرارة صفر مئوي، هو دائماً . هذا يعني أننا إذا أردنا تحويل حجم معين باللتر إلى عدد مولات، فنحن نقسم هذا الحجم على الحجم المولي . انظر إلى المثال المكتوب في أسفل الصفحة: إذا كان لديك عينة حجمها من الغاز في الظروف المعيارية، فإنك تضرب هذا الحجم في مقلوب الحجم المولي أي لينتج لك عدد المولات ويساوي تقريباً .
صفحة ٢٧٤
انظر إلى المثال 5-7 في أعلى الصفحة. المطلوب هو حساب حجم من غاز الميثان في الظروف المعيارية STP. الخطوة الأولى هي تحليل المسألة ومعرفة المعطيات، فلديك الكتلة وتساوي ودرجة الحرارة بصفر مئوي والضغط بواحدة atm. الخطوة الثانية هي حساب الكتلة المولية للميثان بجمع كتل الذرات المشكلة له، ككتلة الكربون والहाइडروجين، لتتحصل على القيمة بالغرام لكل مول . بعد ذلك، عليك تحويل كتلة الميثان من كيلوغرام إلى غرام بالضرب في ، ثم قسمة الكتلة بالغرام على الكتلة المولية لتجد عدد المولات والذي بلغ هنا . الخطوة الأخيرة هي استخدام الحجم المولي للظروف المعيارية، فتضرب عدد المولات في ليخرج لك الحجم الكلي باللتر. انظر الآن إلى المسائل التدريبية في أسفل الصفحة من الرقم 20 إلى 25، فكلها تطلب منك إيجاد إما الحجم أو الكتلة أو الحيز أو عدد المولات لنواتج مختلفة بنفس الطريقة التي طبقناها في المثال.
صفحة ٢٧٥
انظر إلى بداية الصفحة لتتعرف على قانون الغاز المثالي الذي يجمع قوانين بويل وشارل وجاي-لوساك ومبدأ أفوجادرو في علاقة رياضية واحدة تصف الضغط والحجم ودرجة الحرارة وعدد المولات. تذكر قانون العام للغازات الذي ينص على أن ، والذي يمكن كتابته بصيغة أخرى وهي أن يساوي مقداراً ثابتاً لعينات الغاز. بما أن الحجم يتناسب طردياً مع عدد المولات ، فإن إدخال في المقام يجعل النسبة ثابتة دائماً. هذا الثابت الجديد نسميه ثابت الغاز المثالي ونرمز له بالرمز . انظر إلى الجدول 2-7 لترى قيم المختلفة بحسب الوحدات المستخدمة، فأشهرها عندما يكون الضغط بالـ atm والحجم باللتر ودرجة الحرارة بالكلفن فتكون قيمته . هكذا تصبح المعادلة الشهيرة للغاز المثالي هي حيث هو الضغط و هو الحجم و عدد المولات و الثابت و درجة الحرارة المطلقة بالكلفن.
صفحة ٢٧٦
انظر إلى المثال 6-7 في أعلى الصفحة. المطلوب هو حساب عدد مولات غاز الأمونيا الموجود في وعاء حجمه عند درجة حرارة وضغط . في تحليل المسألة نجد أن الحجم ودرجة الحرارة والضغط معروفة، وثابت الغاز المثالي بمعلومية وحدات الضغط يساوي . نأتي لحساب المطلوب بكتابة قانون الغاز المثالي ثم إعادة ترتيبه لإيجاد ، فتصبح المعادلة على الشكل . الآن نعوض بالقيم المعطاة مكان كل رمز، فنضع للضغط و للحجم في البسط، وفي المقام نضع قيمة الثابت مضروبة في درجة الحرارة . بعد ضرب الأرقام ووحداتها واختصار الوحدات المتشابهة، يتبقى لديك وحدة المول فقط، وتنتج قيمة عدد المولات لتساوي . انظر أسفل الصفحة لحل المسائل التدريبية من 26 إلى 30 بنفس الخطوات، مع الانتباه لتغير الوحدات.
صفحة ٢٧٧
انظر إلى أعلى الصفحة لنكمل تطبيقات قانون الغاز المثالي وننتربط الكتلة المولية والكثافة بالغاز. كلمة مول جاءت من الألمانية وتعني الوزن الجزيئي. بما أن عدد المولات يساوي الكتلة مقسومة على الكتلة المولية ، أي ، فبإمكاننا تعويض هذا القانون داخل معادلة الغاز المثالي لتصبح بالشكل التالي: . يمكنك إعادة ترتيب هذه المعادلة لحساب الكتلة المولية لتصبح . انظر معنا إلى الكثافة، فبما أن الكثافة تساوي الكتلة مقسومة على الحجم أي ، وبإعادة ترتيب معادلة الغاز المثالي لإيجاد الكتلة المولية، سنجد أن الكثافة تدخل في القانون ليصبح حساب الكتلة المولية بدلالة الكثافة هو ، أو يمكننا حساب الكثافة مباشرة بالمعادلة . انظر إلى الشكل 7-7 الذي يوضح إطفاء الحريق، وتأمل لماذا يجب أن تكون كثافة غاز الإطفاء أكبر من كثافة الأكسجين ليحل محله ويمنع وصوله للنار.
صفحة ٢٧٨
انظر إلى أعلى الصفحة حيث تجد تجربة عملية لإعداد نموذج لطفاية حريق باستخدام غاز ثاني أكسيد الكربون. يطلب منك في الخطوات قراءة تعليمات السلامة أولاً، ثم قياس درجة الحرارة والضغط الجوي وسجل البيانات. بعد ذلك تلف قطعة من الألومنيوم على هيئة أسطوانة وتلصق أطرافها. ثم تستخدم أعواد الثقاب لإشعال الشمعة بحذر بعيداً عن مصادر اللهب. تضع في كأس كبيرة كمية من صودا الخبز وتضيف إليها الخل، ثم تضع الأسطوانة الملفوفة بورق الألومنيوم بسرعة فوق لهب الشمعة لتلاحظ ما يسمى بتفاعل غاز ثاني أكسيد الكربون، وتمرر الغاز بحذر شديد نحو الشمعة المسجلة للملاحظات. انظر إلى القسم الثاني في الصفحة المعنون بـ الغاز الحقيقي مقابل الغاز المثالي؛ تذكر أن الغاز المثالي يفترض أن جسيماته لا تشغل حيزاً ولا توجد بينها قوى تجاذب أو تنافر وتصادماتها مرنة لا تفقد طاقة. لكن في الواقع، الغازات الحقيقية لها حجوم وتوجد بينها قوى تجاذب وضعيفة، وتصادماتها ليست مرنة تماماً، ومع ذلك تسلك أغلب الغازات سلوك الغاز المثالي في نطاقات واسعة من الضغط ودرجة الحرارة.
صفحة ٢٧٩
انظر إلى أعلى الصفحة حيث توجد استراتيجية حل المسائل لاشتقاق قوانين الغازات انطلاقاً من قانون الغاز المثالي . الفكرة تعتمد على كتابة المعادلة لعينتين بنفس الكمية الثابتة والحرارة والضغط. الخطوة الأولى هي كتابة المعادلة بحالتين مختلفتين، فـتكتب و. الخطوة الثانية هي عزل الكميات الثابتة وهي و في جهة واحدة من المعادلة لكلتا الحالتين، لتصبح الأولى والثانية . وبما أن و ثابتان، يمكنك مساواة الطرفين ببعضهما لتصل إلى قانون شارل العام. انظر إلى الجزء الأخير من الصفحة لتعرف متى يحيد الغاز الحقيقي عن سلوك الغاز المثالي. يحدث ذلك عند الضغط العالي ودرجات الحرارة المنخفضة، حيث تنخفض طاقة جسيمات الغاز الحقيقي، وتصبح قوى التجاذب بينها قوية تجبرها على التقارب الشديد حتى تتكاثف وتتحول إلى حالة سائلة كما يظهر في صورة خزان البروبان في الشكل 7-8.
صفحة ٢٨٠
انظر إلى أعلى الصفحة وتأمل الشكل 9-7 الذي يقارن بين التجاذب في الغازات القطبية والغازات غير القطبية مثل الهيليوم وبخار الماء. ترى كيف تكون قوى التجاذب بين جزيئات الغاز غير القطبية ضعيفة، بينما تكون قوية في الغازات القطبية بسبب التجازب الكهروستاتيكي للأطراف المختلفة. هذا يؤدي إلى أن الغازات القطبية لا تسلك سلوك الغاز المثالي، كما أن الغازات ذات الحجوم الكبيرة مثل البيوتان تشغل حيزاً أكبر مقارنة بعددها، ولهذا تميل لجزيئات الغاز الصغيرة كالـهيليوم للابتعاد عن السلوك المثالي بشكل أقل. انظر إلى أسفل الصفحة حيث يبدأ التقويم 2-7. يضم أسئلة متنوعة تختبر فهمك؛ فالسؤال الحادي والثلاثين يطلب منك تفسير سبب انطباق مبدأ أفوجادرو على الغازات ذات الجسيمات الصغيرة والتي تتكون من جزيئات كبيرة. والسؤال الثاني والثلاثين يطلب كتابة معادلة قانون الغاز المثالي، بينما تطالبك بقية الأسئلة بتحليل سلوك الغاز الحقيقي، وتوقع ظروف اختلافه، وحساب الكتلة والضغط وتطبيق الرسوم البيانية لتغيرات ضغط إطارات السيارات مع الحرارة.
