تعرف على علم الكيمياء
النظرية الحركية الجزيئية للغازات Molecular Kinetic Theory of Gases
– تساعد قوانین الغازات في التنبؤ بسلوك الغازات. ولكنھا لا تفسر على المستوى الجزیئي التغیرات في الحجم أو الضغط أو درجة الحرارة التي تحدث عند تغیر الظروف. فمثلاً، لماذا یتمدد حجم الغاز عند التسخین؟
– لقد استطاع بعض الفیزیائیین من أمثال بولتزمان Boltzmann وماكسویل (Maxwell) أن يفسروا الخواص الفیزیائیة للغازات بواسطة حركة جزیئاتھا المفردة. حيث وضح عمل بولتزمان وماكسویل الأساس لنظریة الحركة الجزیئیة للغازات.
– لقد بینت القوانین التجریبیة السابقة للغازات قابلیة الغازات للإنضغاط، قابلیة الغازات للإنتشار، تناسب حجم الغاز عكسیاً مع ضغطه وطردیاً مع درجة حرارته المطلقة. والقوانین السابقة لم تصل لتفسیر مناسب لتلك الخواص، ولھذا عمل العلماء على إیجاد تفسیر ھذه الخواص فكانت جھود ھؤلاء العلماء في نظریة سمیت بالنظریة الحركیة الجزیئیة للغازات وھي تتألف من فروض تفسر سلوك الغازات المثالیة التي تخضع لقانون الغاز المثالي.
– من المعلوم أن جزیئات الغازات في حركة مستمرة. لأجل ذلك فلا بد أن جزیئات الغازات تمتلك طاقة حركیة. وبھذا فإن النظریة الحركیة Kinetic Theory تحاول أن توجد علاقة بین الطاقة الحركیة للغازات ودرجة الحرارة.
– تعرف النظریة الخاصة بالجزيء المتحرك، بنظریة الحركة للمادة وافتراضاھا الأساسیان ھما أن جزیئات المادة تكون في حركة، وأن الحرارة عبارة عن إظھار لھذه الحركة.
– ومثل أي نظریة فإن نظریة الحركة تصور نموذجاً مقترحاً لتفسیر مجموعة من الحقائق المشاھدة. ولكي یكون النموذج مفیداً، فإنه یجب تقدیم بعضاً من الإفتراضات التوضیحیة بالنسبة لخصائصھا. ویمكن التحقق من صحة كل فرض وإمكانیة الاعتماد على النظریة ككل، من كیفیة تفسیر الحقائق بشكل مرض.
فروض النظرية الحركية للغازات المثالية Assumptions of Molecular Kinetic Theory
في عام 1857 نشر رودولف كلاوزيوس نظرية حاولت أن تشرح الملاحظات التجريبية التى لخصت قوانين: بويل ، تشارلز، دالتون، وافوجادرو.
فروض النظرية الحركية للغازات المثالية Kinetic Theory of Gases هي فروض لتفسير سلوك الغازات وتحديد صفاتها وهي:
الفرض الأول والثاني والثالث
(1) یتألف الغاز من جسیمات دقیقة (دقائق) كرویة تعرف بالجزیئات أو الذرات لكل منھا كتلة معینة وحجم معین لا یختلفان للغاز الواحد ولكن یختلفان من غاز لآخر.
(2) تتباعد الجزیئات عن بعضھا بمسافات كبیرة جداً إذا ما قورنت بحجوم الجزیئات
(بحیث أن حجم الجزیئات الفعلي یكون كمیة مھملة بالمقارنة الى الفراغ الموجود بین الجزیئات (الحیز الموجود بین الجزیئات أي أن (V=0 ولذلك فإن:
– أي ضغط على الغاز إنما یجعل الجزیئات تتقارب من بعضھا البعض أي یقل حجمھا.
– المسافات بین الجزیئات في حالة الغازات أكبر بكثیر من المسافات بین الجزیئات في الحالتین السائلة والصلبة (المسافات بین الدقائق أقل بكثیر في السوائل والمواد الصلبة).
– تفسر ھذه الخاصیة القابلیة العالیة للإنضغاط في حالة الغازات. ولذلك، فإن الغازات تكون قابلة للإنضغاط أكثر بكثیر من الجزیئات في الحالتین السائلة والصلبة.
(3) بسبب المسافات الكبیرة بین جزیئات الغاز فإن قیمة التجاذب بین جزيئات الغاز في غایة الصغر ولذلك فھي مھملة.
ومن ھنا فإنه لا توجد قوى تجاذب بین الجزیئات أي لا تمارس الجسیمات أي قوة على بعضھا البعض (ما عدا أثناء التصادم). بمعنى لا تتأثر الجزیئات ببعضھا البعض كما لا توجد قوى تنافر بینھا، وبالتالي فإن الجزیئات مستقلة تماماً كل عن الأخرى. وبذلك فإنھا تتحرك باستقلالیة وتملأ أي وعاء مھما كان حجمه وشكله.
الفرض الرابع والخامس والسادس والسابع
(4) تكون جزیئات الغاز في حركة سریعة، عشوائیة، في خطوط مستقیمة وبسرعات مختلفة وفي جمیع الإتجاھات. ویتغیر اتجاه الجزيء عندما یصطدم بجزيء آخر أو بجدار الإناء.
(5) تصطدم ھذه الدقائق مع بعضھا البعض أو مع جدران إنائھا الحاوي باصطدامات تامة المرونة (Perfectly Elastic).
– بمعنى أنھا لا تؤدي الى فقدان الغاز لأي من طاقته الحركیة بالرغم من أنه قد یوجد انتقال للطاقة بین شركاء التصادم.
– یفسر ھذا التصادم المرن بأن الجزيء عند تصادمه بجزيء آخر یفقد جزءاً من طاقته، لكنه یكتسب نفس الطاقة عندما یصطدم به جزيء آخر ولذلك فإن الطاقة الكلیة للزوج من الجزیئات یبقى دون تغییر.
– ھذا المبدأ یفسر انتشار الغاز بانتظام في جمیع أنحاء الإناء الحاوي له، أي یكون الغاز متجانساً في الإناء، فھو لا یكون محتجزاً في جزء من الإناء. ویعزى ضغط غاز ما الى اصطدام دقائق الغاز بجدار الإناء الحاوي لھذا الغاز.
– یعرف متوسط المسافة التي یقطعھا الجسیم بین تصادمین متتالین بمتوسط المسار الحر (Mean free Path) ویعتبر الزمن الذي یستغرقه التصادم ضئیلاً للغایة بالمقارنة بالزمن المستغرق بین التصادمات.
(6) یعتبر الزمن الذي یستغرقه التصادم ضئیلاً للغایة بالمقارنة بالزمن المستغرق بین التصادمات.
(7) عند لحظة معینة، فإنه في أي تجمع لجزیئات غاز، یوجد جزیئات مختلفة لھا سرعات مختلفة، وطاقات حركة مختلفة. وتتناسب متوسط الطاقة الحركیة لكل جزیئات الغاز تناسباً طردیاً مع درجة الحرارة المطلقة.
أي أن زیادة درجة الحرارة تؤدي الى إكساب الدقائق طاقة حركة والتي تعتبر مقیاساً لحرارة المادة، مما یؤدي الى زیادة سرعة الجزیئات وبالتالي تؤدي الى زیادة عدد الضربات على جدار الإناء في الثانیة وبالتالي الى زیادة الضغط.
ملاحظات هامة
– لا تخضع الغازات خضوعاً تاماً لھذه الفروض (تحید الغازات الحقیقیة عنھا). ولكن افترض غازاً وھمیاً (مثالیاً) یخضع لتلك الفروض عرف بالغاز المثالي Ideal Gas
– الغاز المثالي ھو الذي یخضع لقوانین (بویل، تشارلز، أفوجادرو).
– تسلك الغازات الحقیقیة سلوكاً قریباً من الغازات المثالیة في الظروف العادیة. (عند ضغوط أدنى من 1 atm ، ودرجات حرارة أعلى من 273 K سوف یطیع أي غاز قوانین الغازالمثالي لدرجة ملاصقة) إلا أنھا تنحرف انحرافاً ملحوظاً عن السلوك المثالي عند درجات الحرارة المنخفضة والضغوط العالیة لأنھا بذلك تقترب من الحالة السائلة.
ملخص لفروض النظرية الحركية للغازات باللغة العربية والإنجليزية Kinetic Theory of Gases
(1) یتألف الغاز من جسیمات (دقائق) تسمى جزیئات، بعیدة عن بعضھا، وذات حجم صغیر جداً لدرجة أن الحجم الفعلي للجزیئات یكون مھملاً مقارنة بالحیز الموجود بین جزیئاتھا أو مقارنة بحجم الإناء الذي توجد فیه.
A gas is composed of molecules (discrete molecules) that are separated from each other by distances far greater than their own dimensions. The molecules can be considered to be (points); that is, they possess mass but have negligible volume
(2) لا یوجد قوى تجاذب (أو تنافر) بین جسیمات الغاز أو مع جدران الإناء الذي توجد به وتكون الجزیئات مستقلة تماماً عن الأخرى.
Between collisions, the molecules exert no attractive or repulsive forces on one another; instead, each molecule travels in a straight line with a constant velocity
فروض خاصة بحركة جزيئات الغاز
(3) تتحرك جسیمات الغاز بحركة سریعة، مستمرة وعشوائیة في خطوط مستقیمة لا یتغیر اتجاھھا إلا عند اصطدامھا مع بعضھا أو مع جدران الإناء الحاوي. واصطدام الجزیئات ببعضھا اصطدامات مرنة elastic ، أي لا تفقد طاقة عند تصادمھا فلیس ھناك محصلة فقد أو اكتساب.
The gas molecules are in continuous , random, straight-line motion with varying velocities.
Gas molecules are in constant (continuous) motion in random directions, and they frequently collide with one another. Collisions among molecules are perfectly elastic. In other words, energy can be transferred from one molecule to another as a result of collision. Nevertheless, the total energy of all the molecules in a system remains the same.
(4) متوسط طاقة الحركة لجمیع الجزیئات، یتناسب طردیاً مع درجة الحرارة المطلقة.
The average kinetic energy of the molecules is proportional to the (absolute) temperature of the gas in Kelvins. Any two gases at the same temperature will have the same average kinetic energy (The average kinetic energies of molecules of different gases are equal at a given temperature)
(5) ضغط الغاز ھو نتیجة للتصادمات بین الجزیئات وجدران الوعاء الحاوي. وهو يعتمد على تكرار التصادم في وحدة المساحة وكذلك یعتمد على مدى قوة اصطدام الجزيء بالجدار.
According to the kinetic molecular theory, gas pressure is the result of collisions between molecules and the walls of their container. It depends on the frequency of collision per unit area and on how ‘hard’ the molecules strike the wall.
أسئلة توضيحية هامة على فروض النظرية الحركية الجزيئية للغازات Kinetic Theory of Gases
(1) علل: تنتشر جزیئات الغاز في جمیع أجزاء الإناء بشكل منتظم.
لأن الغازات تتحرك بسرعة في خطوط مستقیمة وبطريقة عشوائية حتي تصطدم في جدران الإناء.
(2) علل: تتسرب الغازات من أي ثقب مھما كان صغیراً.
لأن جزیئات الغاز صغیرة جداً.
(3) علل: تحتل الغازات حجماً أكبر بكثیر من الحجم الذي تشغله إذا تحولت الى سائل.
لأن جزیئات الغاز متباعدة عن بعضھا البعض.
(4) علل: یقل حجم الغاز بازدیاد الضغط.
وذلك لاقتراب الجزیئات من بعضھا البعض.
(5) علل : یزداد حجم فقاعة ھواء عندما تصعد من قاع حمام سباحة الى سطحه.
بسبب أنه كلما ارتفعت فقاعة الھواء یقل الضغط علیھا وبذلك یزداد حجمھا.
(6) علل: یزداد الضغط إذا سخن غاز في إناء مغلق
بسبب أن الحرارة تزيد الطاقة الحركية للجزئيات وبذلك تتحرك بسرعة اكبر وتصطدم بجدران الإناء وبالتالي یزداد الضغط لأن الضغط ینشأ من اصطدام جزیئات الغاز بجدران الإناء.
(7) علل: یزداد ضغط الھواء داخل إطار السیارة بصفة ملحوظة عند القیادة بسرعة عالیة.
السرعة العالیة تزید من حرارة الإطار وبالتالي تزداد الطاقة الحركیة لجزئيات الهواء داخل الإطار فیزداد اصطدامھا بجدران الإناء بشكل أكبر وبذلك یزداد الضغط.
المراجع: أسس الكيمياء العامة والفيزيائية – الجزء الأول.عمر بن عبد الله الهزازي ، قسم الكيمياء- كلية العلوم – جامعة أم القرى – المملكة العربية السعودية
