الحسابات المتعلقة بالغازیات

تقوم الفكرة الأساسية للحسابات المتعلقة بالغازیات على أن المعاملات في المعادلات الكيميائية الموزونة لا تمثل عدد المولات فقط، بل تمثل أيضا الحجوم النسبية للغازات عند ثبات الضغط ودرجة الحرارة بناء على مبدأ أفوجادرو. يعتمد حل المسائل إما على حساب الحجم من الحجم مباشرة باستخدام النسبة الحجمية للمواد، أو باستخدام قانون الغاز المثالي PV = nRT للتحويل بين الحجوم وعدد المولات ثم الكتلة إذا لزم الأمر. على سبيل المثال، في تفاعل احتراق غاز الميثان، كل لتر واحد من غاز الميثان يتفاعل تماما مع لترين من غاز الأكسجين لينتج لتر واحد من غاز ثاني أكسيد الكربون ولترين من بخار الماء، مما يتيح لنا معرفة الحجوم المطلوبة بكل سهولة عبر ضرب الحجم المعروف في النسبة الحجمية المستخرجة مباشرة من معاملات المعادلة الموزونة.

الفكرة الأساسية

تعتمد الحسابات المتعلقة بالغازیات على مبدأ أفوجادرو الذي ينص على أن الحجوم المتساوية من الغازات المختلفة تحتوي على العدد نفسه من الجسيمات عند نفس درجة الحرارة والضغط. بناء على ذلك، فإن معاملات المواد الغازية في أي معادلة كيميائية موزونة تمثل الحجوم النسبية لتلك الغازات تماما كما تمثل أعداد المولات.

الشرح

عندما تتعامل مع تفاعلات كيميائية تضم غازات، انظر إلى المعاملات الموجودة على يسار كل مادة متفاعلة أو ناتجة. في الحسابات المتعلقة بالحجم والحجم، لا تحتاج إلى معرفة الظروف مثل الضغط أو درجة الحرارة لأن الغازات تكون في نفس الظروف أثناء التفاعل، وبالتالي يمكنك استخدام النسب الحجمية مباشرة. احسب حجم الغاز المطلوب بضرب حجم المادة المعطاة في النسبة الحجمية المأخوذة من معاملات المعادلة الموزونة، بحيث يكون الحجم المطلوب في البسط والحجم المعروف في المقام. أما إذا طلب منك حساب الكتلة انطلاقا من الحجم أو العكس، فستحتاج إلى استخدام قانون الغاز المثالي $PV = nRT$ لحساب عدد المولات $n$ مستخدما قيمة ثابت الغاز المثالي $R$ مع تحويل درجة الحرارة إلى الكلفن، ثم استخدام الكتلة المولية لتحويل المولات إلى جرامات.

مثال محلول خطوة بخطوة

مسألة حساب الحجم: ما حجم غاز الأكسجين اللازم لإحراق $4.00\text{ L}$ من غاز البروبان $C_3H_8$ حرقا كاملا؟ افترض أن الضغط ودرجة الحرارة ثابتان. خطوة 1: تحليل المسألة. المعطيات هي حجم البروبان $V_{C_3H_8} = 4.00\text{ L}$، والمطلوب حساب حجم الأكسجين $V_{O_2}$. خطوة 2: حساب المطلوب. اكتب المعادلة الكيميائية الموزونة: $C_{3}H_{8(g)} + 5O_{2(g)} \rightarrow 3CO_{2(g)} + 4H_{2}O_{(g)}$ استخرج النسبة الحجمية من المعاملات؛ كل $1\text{ volume}$ من البروبان يتفاعل مع $5\text{ volume}$ من الأكسجين. اضرب الحجم المعروف بالنسبة الحجمية: $V_{O_2} = (4.00\text{ L C}_3 ext{H}_8) \times \left(\frac{5\text{ volume O}_2}{1\text{ volume C}_3 ext{H}_8}\right) = 20.0\text{ L O}_2$

أخطاء شائعة

• إغفال وزن المعادلة الكيميائية قبل تحديد النسب الحجمية أو المولية، مما يؤدي إلى نتائج خاطئة.
• استخدام قوانين الحجوم المباشرة عندما تكون إحدى المواد صلبة أو سائلة، فمبدأ النسبة الحجمية يطبق على الغازات فقط.
• نسيان تحويل درجة الحرارة إلى وحدة الكلفن عند استخدام قانون الغاز المثالي.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: كم لترا من غاز البروبان $C_3H_8$ يلزم لكي يحترق حرقا كاملا مع $34.0\text{ L}$ من غاز الأكسجين؟ الإجابة: $6.80\text{ L}$. السؤال الثاني: ما حجم غاز الهيدروجين اللازم للتفاعل تماما مع $5.00\text{ L}$ من غاز الأكسجين لإنتاج الماء وفق المعادلة $2 ext{H}_{2(g)} + ext{O}_{2(g)} \rightarrow 2 ext{H}_2 ext{O}_{(g)}$؟ الإجابة: $10.0\text{ L}$.