كتاب الكيمياء الصف العاشر الفصل الثالث
الغازات
الفكرة الرئيسة الغازات تتمدد وتنتشر وتمارس الضغط وقابلة للانضغاط لأن كثافتها منخفضة وتتكون من جسيمات صغيرة دائمة الحركة
الكيمياء في حياتك
إن كنت جربت المبيت في خيمة فربما نمت على مرتبة هوائية، كيف كان الاستلقاء على المرتبة مقارنة بالاستلقاء على الأرض لقد كانت على الأرجح أكثر دفئا وأكثر راحة. خصائص المرتبة الهوائية ناتجة عن الجزيئات المكونة للهواء داخلها.
نظرية الحركة الجزيئية
لقد تعلمت أن تركيب المادة (أنواع الذرات الموجودة) وبنيتها (ترتيب الذرات) يحددان خصائصها الكيميائية، ويؤثران أيضا على الخصائص الفيزيائية للمادة انطلاقا من المظهر الخارجي بإمكانك التمييز بين الصلب والسائل کما يبينه الشكل 1، في المقابل، عادة ما تظهر المواد الغازية في درجة حرارة الغرفة خصائص فيزيائية متشابة على الرغم من تركيباتها المختلفة. لماذا يكون التنوع في السلوك بين الغازات محدودا؟ لما تختلف الخصائص الفيزيائية للغاز عن السائل والصلب؟
بحلول القرن الثامن عشر، تعرف العلماء على طريقة لجميع النواتج الغازية باحلالها محل الماء. وأصبح الأن بإمكانهم ملاحظة وقياس خصائص الغازات المنفردة. حوالي سنة 1860 اقترح كل من الكيميائيين لودفيغ بولتزمان وجيمس ماكسويل اللذين كانا يعملان في بلدين مختلفين نموذجا لتفسير خصائص الغازات.
ذلك النموذح هو نظرية الحركة الجزيئية. لأن كل الغازات التي يعرفها بولتزمان وماكسويل تحتوي على جزيئات فإن تسمية النموذج تعود على الجزيئات. للأجسام المتحركة طاقة تسمى طاقة حركية. تصف نظرية الحركة الجزيئية سلوك المادة اعتمادا على حركة جسيماتها. ذلك النموذج يقدم عدة افتراضات حول حجم وحركة وطاقة جسيمات الغاز
ضغط الغاز
هل شاهدت شخصا يحاول السير عبر الثلوج أو الوحل، أو الأسفلت الساخن يحذاء ذي کعب عالي ؟ ربما لاحظت حينئذ أن الكعب العالي يغوص في السطح اللين. الشكل 4 يبين لماذا يغوص شخص عند ارتداء الكعب العالي ولكن لا يغوص عندها يرتدي حذاء عادي. في كلتا الحالتين، ترتبط القوة الضاغطة للأسفل على السطح اللين بكتلة الشخص. مع الأحذية العادية ، تنتشر القوة على مساحة أكبر. يعرف الضغط بأنه القوة المؤثرة على وحدة المساحة، مساحة الجزء السفلي للحذاء العادي أكبر بكثير من مساحة الجزء السفلي للأحذية ذات الكعب العالي، لذا، فإن الضغط على سطح لنين بالحذاء العادي أقل مما هو عليه بالكعب العالي.
جسيمات الغاز أيضا تمارس الضغط عندما تتصادم مع جدران الإناء الحاوي لها، لأن جسيمات الغاز کلها صغيرة، بإمكانها أن تمارس ضغطا قليلا. ومع ذلك، فإن حاوية بحجم لتر بإمكانها استيعاب 10 من جسيمات الغاز، بهذا العدد من الجبهات المتصادمة، يمكن أن يكون الضغط عاليا
ضغط الهواء يحيط بالأرض غلاف جوي يمتد في الفضاء لمئات الكيلومترات. لأن الجسيمات تتحرك في الهواء في كل اتجاه، فإنها تمارس الضغط في كل الاتجاهات، ويسمى هذا الضغط بالضغط الجوي، أو ضغط الهواء يختلف ضغط الهواء من موقع إلى أخر على سطح الأرض. بما أن الجاذبية أكبر على سطح الأرض، فإن عدد الجسيمات يكون أكثر مما هو عليه في ارتفاعات أعلى حيث تكون قوة الجاذبية أقل. الجسيمات القليلة في الأماكن المرتفعة تمارس قوة أقل مقارنة بالجسيمات ذات التركيز الأعلى في الأماكن المنخفضة. لذلك يكون ضغط الهواء أقل في الأماكن الأعلى مما هو عليه في مستوى سطح البحر. عند مستوى سطح البحر، يقدر الضغط الجوي بحوالي كيلوغرام واحد لكل سنتيمتر مربع
حساب ضغط الهواء الفيزيائي الإيطالي إيفانجيلسنا نورشيللي ( 1608 - 1647
) كان أول من أثبت أن الهواء يمارس الضغط. فقد لاحظ أن مضخات المياه كانت غير قادرة على ضخ المياه أعلى من نحو m 10. فافترض أن ارتفاع عمود من السائل قد يختلف باختلاف كثافة السائل، لاختبار هذه الفكرة، صمم تورشيللي المعدات المبينة في الشكل 5. ملأ أنبوبا زجاجيا رقيقا مغلفا من طرف واحد بالزئبق. في حين غطى الطرف المفتوح حتى لا يدخل الهواء، وقام بقلب الأنبوب ووضعه (بحيث يكون الطرف المفتوح متجها لأسفل) في وعاء فيه زئبق. فانخفض ارتفاع عمود الزئبق إلى نحو واحد على أربع عشر مقارنة بعمود ماء مماثل، مما يؤكد فرضية نورشيللي بأن الزئبق هو أكثر كثافة بما يقارب أربع عشرة مرة من الماء .
قوى التشتت تذكر أن جزيئات الأكسجين غير قطبية لأن الإلكترونات تتنوع بالتساوي بين ذرتي الأكسجين المتساويتين في السالبية الكهربائية. ومع ذلك، ففي ظل الظروف المناسبة يمكن ضغط جزيئات الأكسجين إلى سائل. لكي يتكثف الأكسجين يجب أن يكون هناك قوة جذب معينة بين جزيئاته
وتدعى قوة الجذب بين جزيئات الأكسجين "قوة تشتت". قوى التشتت هي قوي ضعيفة تنجم عن التغيرات المؤقتة في كثافة الإلكترونات في السحب الإلكترونية، وتسمى فنون التشتت أحيانا قوي لندن نسبة إلى اسم الفيزيائي الألماني الأمريكي فريتز لندن الذي كان أول من وصفها
تذكر أن الإلكترونات في سحابة الإلكترونات تكون في حركة مستمرة، عندما يكون جزيئان على اتصال وثيق، وخاصة عند تصادمها، فإن سحابة الإلكترونات الجزيء تتنافر مع سحابة الإلكترونات للجزيء الآخر، فتصبح كثافة الإلكترونات حول كل نواة في لحظة معينة أكبر في جهة معينة من الصحابة، فيكون لكل جزء ثنائي قطب مؤقت. عندما تكون ثنائيات القطب المؤقتة فقريبة من بعضها البعض، فإن قوة تشتت ضعيفة توجد بين الجهات مختلفة الشحنة في ثنائيات القطب كما يبینه الشكل 9.
التحقق من فهم النص اشرح سبب تكون في التشتت.
توجد نوى التشتت بين جميع الجسيمات، تكون نوى التشتت ضعيفة بالنسبة الجسيمات الصغيرة، ويتزايد تأثيرها كلما زاد عدد الإلكترونات المشاركة. وبالتالي تزداد قوى التشتت بزيادة حجم الجسيمات. على سبيل المثال، يوجد الفلور والكلور والبروم واليود في شكل جزبنات ثنائية الذرة. تذكر أن عدد إلكترونات بتزايد من الفلور إلى الكلور والبروم ثم اليود. بها أن جزيئات الهالوجين الأكبر تضم عددا أكبر من الإلكترونات. فتتكون فطبية أكبر لثنائيات الأقطاب المؤقتة فيها، وبالتالي قوی تشتت أشت. ويفسر هذا الاختلاف في فيي لتثبت وجود الفلور والكلور في حالة غازية والبروم سائلا، واليود مادة صلبة في درجة حرارة الغرفة
التحقق من فهم النص استنتج الحالة الفيزيائية لعنصر الأستاتين في درجة حرارة الغرفة وفسر إجابتك.
القوى ثنائية القطب تضم الجزيئات القطبية ثنائيات قطب دائمة: بمعنى أن بعض مناطق جزيء قطبي تكون دائما سالبة جزئيا وبعض مناطق الجزيء الأخرى دائها موجبة جزئيا. تسمى هذه التجاذبات بين الجهات مختلفة الشحنة في الجزيئات القطبية قوى ثنائية الأقطاب. تتوجه الجزيئات القطبية المجاورة بطريقة تسمح بتراصد الجهات متعاكسة الشحنة
ربما تعلم أن الماء هو مادة توجد في شكل صلب، وسات وغاز في درجات الحرارة والضغط المعروفة على الأرض، هذه الخاصية الفريدة بالإضافة إلى غيرها التي تجعل الماء مهم للحياة تنبع من القوى التي توجد بين جزيئات الماء
القوى البين جزيئية
إذا كان لدي كل جسيمات المادة في درجة حرارة الغرفة نفس متوسط الطاقة الحركية، فلماذا تكون بعض المواد غازية وبعضها الآخر سائل أو صلب؟ يكمن الجواب في قوى التجاذب داخل وبين الجسيمات. ويطلق على قوى التجاذب التي تبقي الجسيمات معا في روابط أيونية وتساهمية وفلزية بقوى الترابط الجزيئية المفردة جزيئي يمكن أن تشير إلى ذرات أو أيونات أو جزيئات. الجدول 2 يلخص ما قرأت مسبقا حول قوى الترابط الجزيئية.
قوى الترابط الجزيئية لا تمثل جميع التجاذبات بين الجسيمات. هناك قوی جذب تدعى قوى بين جزيئية، ويمكن لهذه القوى إبقاء الجسيمات المتماثلة معا، مثل جزيئات الماء في قطرة ماء أو نوعين مختلفين من الجسيمات مثل ذرات الكربون في الجرافيت وجسيمات الليلوز في الورق. القوى البين جزينية الثلاث التي سيتم مناقشتها في هذا القسم هي قوى التشتت والقوى ثنائية القطب. والروابط الهيدروجينية، على الرغم من أن بعض القوى البين جزيئية هي أقوى من غيرها، فإن جميع القوى البين جزيئية تكون أضعف من قوى الترابط الجزيئية.