قانون الغاز المثالي

الغاز هو ببساطة عينة مشتتة من المادة السائلة وتتوسع بحرية لتحتل المساحة المتاحة. ومع ذلك ، فإن عددا معينا من جزيئات الغاز يشغل حجما معينا تحت درجة حرارة وضغط محددين. يمكننا وصف سلوك الغاز تحت هذه المعلمات باستخدام قانون الغاز المثالي، الذي يستخدم ثابت الغاز الشامل، R، لربط كل هذه المتغيرات.

ثابت الغاز الكوني يساوي 8.314 جول لكل مول كلفن. تمكننا هذه المعادلة من فهم علاقات الحالة في النظام الغازي. على سبيل المثال، في نظام درجة حرارة وضغط ثابتين، نعلم أن إضافة المزيد من مولات الغاز تؤدي إلى زيادة في الحجم. وبالمثل، يمكننا أن ننظر إلى نظام درجة حرارة ثابتة ومولات ونلاحظ أن انخفاض الحجم يؤدي إلى زيادة الضغط.

يتمثل أحد التحديات في أن قانون الغاز المثالي يصف الغازات التي تتصرف بشكل مثالي. إذن ماذا نعني بذلك؟ يفترض السلوك المثالي أنه أولا ، الجزيئات نفسها صغيرة بشكل لا نهائي وليس لها حجم وأن المسافة بين الجزيئات أكبر بكثير من حجم الجزيء الفردي.

ثانيا ، نفترض أن الجزيئات تتحرك باستمرار. أي تصادمات تحدث بين الجزيئات مرنة ، وحركتها خالية من الاحتكاك ، مما يعني أن الجزيئات لا تفقد الطاقة. أخيرا ، نفترض أنه لا توجد قوى بين الجزيئات تعمل بين الجزيئات ومحيطها.

لسوء الحظ ، لا تتصرف معظم الغازات بشكل مثالي. عند درجة حرارة منخفضة جدا أو ضغط مرتفع ، تكون الجزيئات قريبة جدا من بعضها البعض وبطيئة الحركة ، لذا فإن التفاعلات بين الجزيئات مهمة. وبالمثل ، فإن الغازات ذات الوزن الجزيئي المرتفع تشهد زيادة التفاعلات بسبب حجمها الكبير وكتلتها. ومع ذلك ، فإن علاقة الغاز المثالية بمثابة تقريب جيد بشكل عام.

إذن كيف نستخدم قانون الغاز المثالي لدراسة سلوك الغاز في المختبر؟ بشكل عام ، يتم قياس الضغط والحجم ودرجة الحرارة بسهولة أكبر ، ولكن ماذا عن الشامات ، وبالتالي الكتلة؟

واحدة من أبسط الطرق لقياس كتلة الغاز هي طريقة دوما. لإجراء هذا الاختبار ، يتم وضع كمية صغيرة من مركب متطاير في طوره السائل داخل أنبوب دوما ، ثم يتم وضع الأنبوب في الماء المغلي.

يحتوي المركب المتطاير على ضغط بخار مرتفع في درجة حرارة الغرفة. ضغط البخار هو الضغط الذي يمارسه البخار في حالة توازن مع مرحلته السائلة. وبالتالي ، فإن مركب متطاير ذو ضغط بخار مرتفع ينتقل من سائل إلى غاز بسرعة.

عندما يحدث هذا ، يجبر الغاز المتشكل حديثا الهواء على الخروج من أنبوب دوما بحيث يتم ملؤه بالغاز فقط. بمجرد إزالة الأنبوب من الحمام المائي وتركه في درجة حرارة الغرفة ، يتكثف الغاز لتكوين سائل مرة أخرى. بما أن الكتلة محفوظة، فإننا نعلم أن كتلة السائل المكثف تساوي كتلة الغاز الذي ملأ الحجم المعروف لأنبوب دوما.

في هذا المختبر ، ستستكشف قانون الغاز المثالي باستخدام طريقة دوما لتحديد الكتلة المولية لمادة متطايرة غير معروفة. ستقوم بعد ذلك بقياس درجة حرارة النظام وضغطه وحجمه ومعرفة مدى انحراف هذا الغاز عن المثالية.