سبب انعدام قوى التجاذب والتنافر بين جسيمات الغاز
تعريف الغازات
الغاز هو حالة مادة تتكون من جسيمات بدون حجم أو شكل محدد. إنها واحدة من الحالات الأربع الأساسية للمادة، إلى جانب الصلب والسائل والبلازما. في الظروف العادية، يكون الغاز بين السائل والبلازما. قد يتكون الغاز من ذرة واحدة مثل H2 أو Ar، أو من مركبات مثل HCl و CO2، أو من مخاليط مثل الهواء والغاز الطبيعي .
سبب انعدام قوى التجاذب والتنافر بين جزيئات الغاز
النظرية الحركية الجزيئية هي نظرية تشرح حالات المادة وتستند إلى فكرة أن المادة تتكون من جسيمات صغيرة تتحرك دائمًا ، تساعد النظرية في تفسير الخصائص التي يمكن ملاحظتها ، وسلوكيات المواد الصلبة ، والسوائل والغازات ، ومع ذلك ، يمكن فهم النظرية بسهولة لأنها تنطبق على الغازات وسنبدأ دراستنا التفصيلية مع الغازات ، تنطبق النظرية تحديدًا على نموذج غاز يسمى الغاز المثالي ، الغاز المثالي هو غاز وهمي يتناسب سلوكه تمامًا مع جميع افتراضات النظرية الحركية الجزيئية ، في الواقع، الغازات ليست مثالية ، لكنها قريبة جدًا من أن تكون كذلك في معظم الظروف اليومية .
- تتألف النظرية الحركية الجزيئية من خمسةِ افتراضاتٍ أساسيةٍ، وتنطبق على الغازاتِ .
- تتألف الغازات من أعداد كبيرة جدا من الجزيئات الكروية الصغيرة المتباعدة بعضها عن بعض بالمقارنة بحجمها. يمكن أن تكون جزيئات الغاز إما ذرات أو جزيئات. المسافة بين جزيئات الغاز أكبر بكثير من المسافات بين جسيمات السائل أو المادة الصلبة. وبالتالي، يتكون معظم حجم الغاز من مساحة فارغة بين الجسيمات. في الواقع، يعتبر حجم الجسيمات نفسها ضئيلا بالمقارنة مع حجم المساحة الفارغة .
- جزيئات الغاز في حركة سريعة ثابتة في اتجاهات عشوائية ، تمنحها الحركة السريعة لجزيئات الغاز كمية كبيرة نسبيًا من الطاقة الحركية ، تذكر أن الطاقة الحركية هي الطاقة التي يمتلكها الجسم بسبب حركته ، تتحرك جزيئات الغاز في حركة خط مستقيم حتى تصطدم بجسيم آخر ، أو مع أحد جدران الحاوية .
- يتميز التصادم بين جزيئات الغاز وبين الجزيئات وجدران الحاوية بأنه تصادم مرن، حيث لا يوجد خسارة كلية للطاقة الحركية، ويمكن نقل الطاقة الحركية من جسيمإلى آخر أثناء التصادم المرن، لكن لا يوجد تغيير في الطاقة الكلية للجسيمات المتصادمة .
- لا توجد تفاعلات جذب أو اندفاع بين جزيئات الغاز، وتتولى القوى الجاذبية المسؤولية عن تجمع جزيئات الغاز الحقيقية معا لتشكيل السائل. ومن المفترض أن جزيئات الغاز المثالي لا تتأثر بالجاذبية بينها، فحركة كل جسيم مستقلة تماما عن حركة الجسيمات الأخرى.
- متوسط الطاقة الحركية لجزيئات الغاز يعتمد على درجة حرارة الغاز ، مع زيادة درجة حرارة عينة من الغاز ، تزداد سرعات الجزيئات ، ينتج عن هذا زيادة في الطاقة الحركية للجسيمات ، ليست كل جزيئات الغاز في العينة لها نفس السرعة ، وبالتالي لا تمتلك نفس الطاقة الحركية ، تتناسب درجة حرارة الغاز مع متوسط الطاقة الحركية لجزيئات الغاز .
إنحراف الجزيئات عن سلوك الغاز المثالي
يتم استخدام قانون الغاز المثالي بشكل شائع لنمذجة سلوك تفاعلات الطور الغازي، حيث يفترض أن تتكون الغازات المثالية من جزيئات صغيرة جداً يقتصر تفاعلها على التصادمات المرنة تمامًا، أي أن حجم جزيئات الغاز ضئيل جدًا مقارنة بحجم الحاوية الكلية .
يوجد حالتان بارزتان تختلف فيهما سلوك الغازات الحقيقية عن هذا النموذج
- في الضغوط العالية، عندما يكون حجم جزيئات الغاز مرتفعًا، قد لا يقترب من الصفر .
- في درجات حرارة منخفضة، تتزايد مساهمة القوى بين الجزيئات .
الحجم المستبعد معادلة فان دير فال
في الواقع، تحتل جزيئات الغاز الحقيقي حجما محدودا يمكن قياسه. عند الضغط العالي، يحدث انحراف عن السلوك المثالي (قوى التشتت وقوى الجذب الثنائي)، لأن الحجم الذي يشغله جزيئات الغاز مقتصر مقارنة بالحجم الكلي للحاوية، ومن أجل تعديل هذا الحجم المستبعد، يقوم قانون فان دير فال للغاز المثالي بالتصحيح .
تأثير القوى بين الجزيئات
عندما تكون القوى الجزيئية بين جزيئات الغاز عالية الضغط ودرجات الحرارة منخفضة، فإنه يمكن أن تتسبب في انحراف كبير عن السلوك المثالي .
خصائص الغازات
عندما تكون درجات الحرارة منخفضة والضغط عاديا، تنفصل الجزيئات في الغاز تفصيلا عن بعضها البعض، حيث تشبه “الغاز المثالي.” يكون التفاعل بين الجزيئات ضئيلا والتصادم بينها مرنا تماما. عندما يكون الضغط مرتفعا، تكون الروابط الجزيئية بين جزيئات الغاز لها تأثير أكبر على الخصائص، وذلك بسبب المسافة بين الذرات أو الجزيئات. تكون معظم الغازات شفافة، ولكن هناك بعضها ذو ألوان باهتة مثل الكلور والفلور. علاوة على ذلك، فإن الغازات لا تتفاعل بنفس القدر الذي تتفاعل به حالات أخرى مع المجالات الكهربائية والجاذبية، بالمقارنة مع السوائل والمواد الصلبة. كما أن للغازات لزوجة منخفضة وكثافة منخفضة .
الغاز مقابل البلازما
قد يحتوي الغاز على جسيمات أو جزيئات مشحونة كهربائيا تسمى أيونات، في الواقع، من المعتاد أن تحتوي مناطق الغاز على مناطق مشحونة عشوائية مؤقتة بسبب قوى فان دير فال. تتنافر الأيونات ذات الشحنة المتشابهة مع بعضها البعض، بينما تجذب الأيونات ذات الشحنة المعاكسة بعضها البعض. إذا كان السائل يتألف بالكامل من جسيمات مشحونة أو إذا كانت الجسيمات مشحونة بشكل دائم، فإن الحالة الناتجة للمادة هي البلازما وليست الغاز .
أمثلة على الغازات
يعتمد حالة المادة إذا كانت غازا أم لا على درجة حرارتها وضغطها، وتشمل الأنواع الشائعة للغازات عند الضغط والحرارة القياسية
- الهواء (خليط من الغازات)
- يحوي الكلور في درجة حرارة وضغط الغرفة
- الأوزون
- الأكسجين
- هيدروجين
- بخار الماء أو البخار
- قائمة الغازات الأولية
يوجد 11 غازًا عنصريًا (12 إن أُحصي الأوزون)، وخمسة جزيئات متجانسة النواة، وستة عناصر أحادية الذرة
- H 2 – الهيدروجين
- N 2 – نيتروجين
- O 2 – الأكسجين (زائد O 3 هو الأوزون)
- F 2 – الفلور
- الكلور 2 – الكلور
- هو – الهيليوم
- نيون
- أرغون
- كر – كريبتون
- XE – زينون
- آكانيوز – الرادون
باستثناء الهيدروجين الموجود في الجانب الأيسر العلوي من الجدول الدوري، تتواجد الغازات الأولية في الجانب الأيمن من الجدول، ويمكن البحث عن قوى الجذب لفهم الكثير عن التجاذب .