الغلاف الجوي للأرض عبارة عن غطاء رقيق من الغازات والجسيمات الدقيقة – تسمى معًا الهواء، وبدون هواء ستكون الأرض مجرد صخرة هامدة أخرى تدور حول الشمس، وعلى الرغم من أننا نادرًا ما ندرك ذلك ، إلا أن الهواء يحيط بنا، ونحن أكثر إدراكًا للهواء عندما يتحرك ، ويخلق الرياح مثل كل الغازات حيث يشغل الهواء مساحة.
تتجمع أنواع الغازات التي يتكون منها الهواء بالقرب من سطح الأرض أكثر من الارتفاعات العالية، وتحتاج جميع الكائنات الحية إلى بعض الغازات الموجودة في الهواء لدعم الحياة، وعلى وجه الخصوص، تعتمد جميع الكائنات الحية على الأكسجين للتنفس – حتى النباتات تحتاج إلى الأكسجين للبقاء على قيد الحياة في الليل أو عندما يكون الشمس محجوبة
تحتاج النباتات إلى ثاني أكسيد الكربون في الهواء لتنفيذ عملية التمثيل الضوئي، وهذه العملية تحدث في الغلاف الجوي في جميع الظروف الجوية، ويؤدي الجو إلى العديد من الأدوار المهمة الأخرى، بما في ذلك تعديل درجات حرارة الأرض وحماية الكائنات الحية من أشعة الشمس الضارة.
أهمية الغلاف الجوي
يكون كوكب الأرض شبيهًا بالقمر بدون غلافه الجوي، لأن الغلاف الجوي للأرض بالإضافة إلى المياه السائلة الكثيرة على سطحه هما الأساس في تميز كوكبنا في النظام الشمسي، حيث يعتمد الكثير مما يجعل الأرض استثنائية على الغلاف الجوي
أهمية الغازات
- عند البحث عن الغازات، يتبين أنه لا يمكن الاستغناء عنها للحياة على الأرض، وأنه من المستحيل العيش فيها بدون الغلاف الجوي، وإلا ستكون الأرض جامدة، لذلك نضع الأولوية على ذلك
- يعتبر ثاني أكسيد الكربون (CO2) والأكسجين (O2) من أهم الغازات للكائنات الحية.
- يعد ثاني أكسيد الكربون أحد المواد الحيوية الهامة للاستخدام من قبل النباتات في عملية التمثيل الضوئي، حيث تستخدم النباتات ثاني أكسيد الكربون والماء لتحويل طاقة الشمس إلى طاقة غذائية.
- تكوَّن هذه الطاقة الغذائية في شكل الجلوكوز (C6H12O6)، وتُنتج أيضًا النباتات الأكسجين (O2).
- يتحمل التمثيل الضوئي مسؤولية إنتاج معظم الأكسجين الموجود حاليًا في الغلاف الجوي.
التفاعل الكيميائي لعملية التمثيل الضوئي هو:
- من خلال عملية: 6CO2 + 6H2O + طاقة شمسية → C6H12O6 + 6O2، تنتج النباتات الأكسجين والغذاء، مما يخلق بيئة مواتية للحيوانات.
- في عملية التنفس، تقوم الحيوانات باستخدام الأكسجين لتحويل السكر إلى طاقة غذائية يمكن استخدامها.
- تتنفس النباتات كذلك وتستهلك بعض السكريات التي تنتجها.
التفاعل الكيميائي للتنفس هو:
- C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + طاقة قابلة للاستخدام لاحظ أن التنفس يشبه التمثيل الضوئي في الاتجاه المعاك.
- يتم في عملية التمثيل الضوئي تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين، وأثناء عملية التنفس يتم تحويل الأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون وهكذا .
أنواع الغازات الطبيعية وخصائصها
الغاز هو شكل من أشكال المادة ليس له شكل أو حجم محدد، ويمكن أن تتكون الغازات من عنصر واحد ، مثل غاز الهيدروجين (H2) ؛ قد تكون أيضًا مركبًا مثل ثاني أكسيد الكربون (CO2) أو حتى خليط من عدة غازات مثل الهواء ومن أهم الأمثلة على الغازات فيما يلي قائمة بـ 10 غازات واستخداماتها:
- الأكسجين (O2): الاستخدامات الطبية ، اللحام.
- النيتروجين (N2): إخماد الحريق ، يوفر جو خامل .
- هيليوم (رجال): بالونات ، معدات طبية.
- الأرجون (Argon): اللحام، يوفر جوا خاملا للمواد ثاني أكسيد
- الكربون (CO2): مشروبات غازية.
- الأسيتيلين (C2H2): اللحام.
- البروبان (C3H8): وقود للتدفئة ، و شوايات الغاز.
- البيوتان (C4H10): وقود لـ الولاعات والمشاعل .
- أكسيد النيتروز (N2O): دافع للجلد والتخدير.
- الفريون (مختلف مركبات الكربون الكلورية فلورية): سائل التبريد المستخدم في تكييف الهواء والثلاجات والمجمدات.
أحجام الغازات مقابل أحجام السوائل أو المواد الصلبة
- يمكن توضيح الفرق بين حجم الغاز وحجم السائل أو الصلب الذي يتكون منه بالأمثلة التالية.
- يصل حجم غرام واحد من الأكسجين السائل عند درجة حرارة غليانه (-183 درجة مئوية) إلى 0.894 مل.
- تكون كمية الغاز O2 المتساوية في الحجم عند درجة حرارة 0 مئوية وضغط جوي قدره 700 ملليمتر زئبقي، تقريبًا 800 مرة أكبر.
- يتم الحصول على نتائج مشابهة عند مقارنة أحجام المواد الصلبة والغازية.
- حيث يصل حجم غرام واحد من ثاني أكسيد الكربون الصلب إلى 0.641 مل.
- عند درجة حرارة صفر مئوية وضغط جوِّي، يبلغ حجم غاز ثاني أكسيد الكربون 556 مل، وهو أكبر من 850 ضعفًا.
- عمومًا، يزداد حجم السائل أو الصلب بمعامل يصل إلى 800 عندما يتحول إلى غاز.
- غالبًا ما تستخدم الآثار الجانبية لهذا التغيير الكبير في الحجم لتنفيذ العمل.
- يعتمد المحرك البخاري، الذي أحدث ثورة صناعية، على حقيقة أن الماء يغلي ليتحول إلى غاز (بخار) بحجم أكبر بكثير.
- لذلك، يتسرب الغاز من الحاوية التي تم تخزينها فيها، ويمكن استخدام البخار الناتج عن التسرب لأداء وظيفته.
- تطبق نفس المبدأ عند استخدام الديناميت لتفجير الصخور.
في عام 1867، اكتشف الكيميائي السويدي ألفريد نوبل أن المتفجرات السائلة القوية المعروفة بالنيتروجليسيرين يمكن امتصاصها في الطين أو نشارة الخشب لإنتاج مادة صلبة أكثر استقرارا. وبالتالي، فإنها أكثر أمانا للاستخدام. وعندما يتم تفجير الديناميت، يتحلل النيتروجليسيرين لإنتاج مزيج من غازات ثاني أكسيد الكربون والماء والنيتروجين والأكسجين. وهكذا
خصائص الغازات
تتميز الغازات بأن 29 مولا من الغاز يتم إنتاجها مقابل كل 4 مولات من السائل المتحلل، ويحتل كل مول من الغاز حجما أكبر بحوالي 800 مرة من مول السائل، وبسبب هذا التفاعل ينتج موجة صدمة تدمر أي شيء قريب منها
تحدث نفس الآلية الصغيرة عند تحضير الفشار، حيث يتم تسخين حبوب الفشار بالزيت مما يتسبب في تحويل السوائل داخل النواة إلى غازات، ويتراكم الضغط داخل النواة بشكل هائل وينفجر النواة في النهاية.
الضغط مقابل القوة
يعد حجم الغاز خاصية مميزة له، إضافة إلى الضغط الذي يمارسه على محيطه، وغالبًا ما يتعرض الكثيرون لضغط الغاز عندما يقومون بزيارة محطة الوقود لفحص ضغط إطارات دراجاتهم.
بناءً على نوع الدراجة التي لدينا، قمنا بضخ الهواء إلى الإطارات حتى يقرأ مقياس الضغط ما بين 30 و 70 رطلاً لكل بوصة مربعة (رطل/بوصة مربعة)، ويمكن الحصول على خاصيتين مهمتين للضغط من هذا المثال.
- يزداد ضغط الغاز عند إضافة كميات إضافية منه إلى الحاوية.
- يتم قياس الضغط باستخدام وحدات (مثل رطل/بوصة مربعة) التي تصف القوة التي يمارسها الغاز مقسومة على المساحة التي يتم توزيع هذه القوة عليها.
يمكن تلخيص الاستنتاج الأول بالعلاقة التالية، حيث P هو ضغط الغاز و n هو كمية الغاز في الحاوية.
قوانين الغازات في الكيمياء
قانون جاي لوساك
عندما ترتفع درجة حرارة عينة من الغاز في حاوية صلبة، يزداد ضغط الغاز أيضاً، وتؤدي الزيادة في الطاقة الحركية إلى اصطدام جزيئات الغاز بجدران الحاوية بقوة أكبر، مما يؤدي إلى زيادة الضغط.
اكتشف الكيميائي الفرنسي جوزيف جاي لوساك (1778-1850) العلاقة بين ضغط الغاز ودرجة حرارته المطلقة، وينص قانون جاي لوساك على أن ضغط كتلة معينة من الغاز يختلف بشكل مباشر مع درجة الحرارة المطلقة للغاز، عندما يظل الحجم ثابتا
لذلك، يُشبه قانون جاي لوساك قانون تشارلز إلى حد كبير، والفرق الوحيد بينهما هو نوع الحاوية. ففي تجربة قانونتشارلز، تكون الحاوية مرنة، بينما في تجربة قانون جاي-لوساك، تكون الحاوية جامدة.
تشبه التعبيرات الرياضية لقانون جاي-لوساك تلك الموجودة في قانون تشارلز:
يوضح الرسم البياني للضغط مقابل درجة الحرارة علاقة مباشرة بينهما، حيث ينخفض ضغط الغاز باستمرار عند تبريده عند حجم ثابت حتى يتحول الغاز إلى سائل.
تحت ضغط 3.00 ضغط جوي عند درجة حرارة 25 درجة مئوية، فإن الغاز يكون في غالبه هباء جوي، ويمثل خطرًا التخلص من عبوات الأيروسول عن طريق الحرق، فماذا يكون الضغط الناتج عن الهباء الجويعند درجة حرارة 845 درجة مئوية؟
المحلول
P1 = 3.00 ضغط جوي
T1 = 25 درجة مئوية = 298 كلفن
T2 = 845 درجة مئوية = 1118 ك
مجهول P2 =؟ atm
ومن خلال استخدام قانون جاي لوساك، يمكن حل الضغط المجهول (P2).
- تم تحويل درجات الحرارة أولاً إلى مقياس الكلفن.
- بعد الحل الأولي، يجب إعادة ترتيب المعادلة جبرياً للعثور على قيمة P2، حيث يساوي P2 = P1 × (T2 / T1) (14.5.2) .
- يتم استبدال الكميات المعروفة في المعادلة الأساسية وحلها الآن. P2 = 3.00 طن متري × 1118 كيلو / 298 كيلو = 11.3 طن متري (14.5.3).
- يتم التفكير في النتيجة حيث يزداد الضغط بشكل كبير بسبب زيادة درجة الحرارة.
خلاصة القول إن الضغط ودرجة الحرارة عند الحجم الثابت يتناسبان بشكل مباشر.