شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
گازها ،دو ویژگی برجسته دارند :الف) گازها حرکت سریع ،نامنظم و دایمی
دارند .ب) فاصله بین مولکولی در گازها بزرگ و متغیر است.
اکثر رفتارهایی که در گازها مشاهده میشود را میتوان با توجه به دو ویژگی
باال توجیه و توصیف کرد .گازها در هر ظرفی که وارد شوند ،آنرا پر میکنند .به
طوری که همه فضای ظرف در تملک آنهاست .گازها قابلیت انتشار باالیی دارند.
گاز معطری که در اتاق رها شود؛ به زودی در تمام قسمتهای اتاق قابل تشخیص
است .این رفتارها ناشی از حرکت سریع ،نامنظم و دایمی گازهاست.
چون فاصله بین مولکولهای یک گاز نسبتاً زیاد است؛ قرار گرفتن مولکولهای گاز
دیگر در بین آن آسان و به راحتی انجام میگیرد و به همین خاطر گازها به هر
نسبتی با یکدیگر مخلوط میشوند و مخلوط همگن بوجود میآورند.
مولکولهای گازی ضمن حرکت سریع و نامنظم خود به دیواره یا جداره ظرف
برخورد میکنند و نیرویی بر سطح جداره ظرف وارد میکنند .به عبارتی گازها بر
دیواره ظرف فشار وارد میکنند.
1
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
فشار به صورت نیرو بر واحد سطح تعریف میشود .فشار یک گاز برابر با نیرویی
است که گاز بر واحد سطح دیواره ظرف وارد میکند:
واحد فشار پاسکال( )Paو مقدار آن برابر نیوتن بر مترمربع:
𝐅
=𝐏
𝐀
𝒕𝑵
𝟐𝒎
𝟏 = 𝒂𝑷 𝟏 است.
با جایگزین کردن مقدار نیوتن برحسب کمیتهای اصلی ،آنگاه واحد پاسکال به
𝒈𝒌
𝟐𝒔 𝟏 𝒎.تعریف میگردد:
𝒎
𝒈𝒌 𝟏 = 𝟐𝒔
𝟐𝒎
𝟐𝒔 𝒎.
𝒈𝒌 𝟏
𝒕𝑵
=
𝟐𝒎
𝟏 = 𝒂𝑷 𝟏
شیمیدانان ،معموالً فشار گاز را در ارتباط با فشار جو اندازهگیری میکنند .برای
اندازهگیری فشار جو از یک هواسنج استفاده میکنند .فشار جو برابر یک اتمسفر
است که موجب نگه داشتن جیوه به ارتفاع 067 mmHgمیگردد .طبق رابطه زیر
میتوان فشار برحسب اتمسفر را به واحد اصلی فشار یعنی پاسکال تبدیل کرد:
𝒂𝑷𝒌 𝟓𝟐𝟑 𝟏 𝒂𝒕𝒎 = 𝟏. 𝟎𝟏𝟑𝟐𝟓 𝐱 𝟏𝟎 𝟓 𝑷𝒂 = 𝟏𝟎𝟏.
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
دانشمندان رفتارهای گازی را با جزئیات دقیقتری بررسی کردند و ماحصل آنرا به
صورت قوانین درآوردند؛ که به آنها اشاره میشود.
قانون بویل حجم مقدار معینی از یک گاز در دمای ثابت ،رابطه معکوسی با فشار
آن دارد .به این معنی که با افزایش فشار ،حجم گاز کاهش مییابد .قانون بویل
را میتوان با رابطه زیر نشان داد:
→
𝐊 = 𝐕𝐏
𝐊
𝐏
=𝐕
→
𝟏
𝐏
∝ 𝐕
در این رابطه: V ،حجم : P ،فشار و : Kمقدار ثابتی است که به مقدار ماده و
دما بستگی دارد .در زمانی که تغییر فشار و یا تغییر حجم در مقدار معینی از گاز
در دمای ثابت رخ دهد ؛ آنگاه رابطه را میتوان به صورت زیر هم نشان داد:
𝟐𝐕 𝟐𝐏 = 𝟏𝐕 𝟏𝐏 که در آن P1و V1فشار و حجم اولیه و P2و V2فشار و حجم
ثانویه است.
قانون شارل حجم مقدار معینی از یک گاز در فشار ثابت ،رابطه مستقیم با دمای
آن دارد .به این معنی که با افزایش دما ،حجم گاز زیاد میشود .دما باید به مقیاس
کلوین باشد .قانون شارل را میتوان با رابطه زیر نشان داد:
3
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
𝐕
→
𝐊=
𝐓
𝐓𝐊 =𝐕
→ 𝐓 ∝ 𝐕
در این رابطه : V ،حجم : T ،دما و : Kمقدار ثابتی است که به مقدار ماده و فشار
بستگی دارد .در زمانی که تغییر دما و یا تغییر حجم در مقدار معینی از گاز در
فشار ثابت رخ دهد ؛ آنگاه رابطه را میتوان به صورت زیر هم نشان داد:
𝟐𝐕
𝟐𝐓
=
𝟏𝐕
𝟏𝐓
که در آن V1و T1حجم و دمای اولیه و V2و T2حجم و دمای
ثانویه است.
قانون آمونتون فشار مقدار معینی از یک گاز در حجم ثابت ،رابطه مستقیم با
دمای آن دارد .به این معنی که با افزایش دما ،فشار گاز زیاد میشود .دما باید به
مقیاس کلوین باشد .قانون آمونتون را میتوان با رابطه زیر نشان داد:
𝐏
𝐊=
𝐓
→
𝐓𝐊 =𝐏
→ 𝐓 ∝ 𝐏
در این رابطه : P ،فشار : T ،دما و : Kمقدار ثابتی است که به مقدار ماده و حجم
گاز بستگی دارد .در زمانی که تغیییر دما و یا تغییر فشار در مقدار معینی از گاز
در حجم ثابت رخ دهد ؛ آنگاه رابطه را میتوان به صورت زیر هم نشان داد:
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
𝟐𝐏
𝟐𝐓
=
𝟏𝐏
𝟏𝐓
که در آن P1و T1حجم و دمای اولیه و P2و T2حجم و دمای
ثانویه است.
از طرفی بررسیهای تجربی نشان داد که حجم یک گاز در دما و فشار ثابت،
رابطه مستقیمی با مقدار گاز معموالً برحسب مول دارد .به این معنی که با زیاد
شدن مقدار گاز ،در فشار و دمای ثابت ،حجم آن افزایش مییابد.
این رفتار تجربی را میتوان با رابطه زیر نشان داد:
𝐕
𝐊=
𝒏
𝐧𝐊 =𝐕
→
→ 𝒏 ∝ 𝐕
در این رابطه : V ،حجم : n ،مقدار ماده برحسب مول و : Kمقدار ثابتی است که
به فشار و حجم گاز بستگی دارد.
در قوانین باال ،میتوان نتیجه گرفت که چهار کمیت در رفتار گاز به هم وابسته
هستند که عبارتند از :فشار ،حجم ،دما و مقدار گاز .در قوانین باال همواره دو
عامل ثابت بودند و دو عامل دیگر با تغیرات نسبت بهم رفتارهای متفاوتی را نشان
میدادند .اگر در تمام روابط باال ،تاثیر کمیتهای فیزیکی که موجب تغییر حجم
5
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
میشوند را همزمان در نظرگرفت ،منجر به یک قانون عمومی میشود .به عبارتی
از ادغام قوانین مربوط به تغییرات حجم بر اساس کمیتهای فیزیکی میتوان به
قانون کلی رسید .حجم رابطه معکوس با فشار و روابط مستقیمی با دما و مقدار
ماده (معادله )4دارد:
𝟏
∝ 𝐕
)1
𝐓 ∝ 𝐕
)2
𝐧 ∝ 𝐕
)3
𝐏
𝐧𝐓
𝟏
𝐏
∝ 𝐕
)4
با استفاده از یک ثابت ،میتوان تناسب در معادله 4را به یک تساوی تبدیل کرد
(معادله .)5در این مورد ،عدد ثابت را با Rنمایش میدهند که به ثابت جهانی
گازها معروف است.
𝐧𝐓
𝟏
𝐏
𝐑=𝐕
)5
معادله 5را میتوان به فرمت زیر تغییر (معادله )6و مرتب کرد (معادله :)0
𝒏𝑻 𝑹
𝐏
= 𝐕 )6
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
𝑻𝑹𝒏 = 𝑽𝑷
)7
معادله 0را قانون عمومی گازها گویند .گازهایی که از این قانون عمومی
پیروی کنند را گاز ایدهآل و یا گاز کامل گویند.
مقدار ثابت جهانی گازها به صورتهای زیر تعریف میشود:
𝒕𝒊𝑳 𝒂𝒕𝒎 .
𝒍𝒐𝒎 𝑲 .
𝟏𝟐𝟖𝟎 𝑹 = 𝟎.
𝑱
𝒍𝒐𝒎 𝑲 .
𝟒𝟏𝟑 𝑹 = 𝟖.
در دما و فشار متعارفی ،اغلب گازها از این معادله عمومی گازها پیروی میکنند.
در شرایط حدی (دمای پایین و فشار باال) انحراف از این قانون عمومی در رفتار
گازها مشاهده میشود .برحسب قرارداد ،فشار گاز برابر 1.0 atmو دمای آن
صفر درجه سلسیوس باشد را دما و فشار استاندارد گویند و آنرا با نماد STP
نمایش میدهند .نتایج تجربی نشان میدهند که یک مول از گاز ایدهآل در دما و
فشار استاندارد برابر 44/44 Litحجم دارند که آنرا حجم مولی گاز نیز گویند.
7
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
مثال )1-0در چه فشاری ،حجم 7/457مول از گاز نیتروژن در دمای 177 oC
به 14/7لیتر میرسد؟ اطالعات مورد نیاز:
𝒕𝒊𝑳𝒂𝒕𝒎.
𝒍𝒐𝒎𝑲.
𝟏𝟐𝟖𝟎 𝑹 = 𝟎.
پاسخ :فشار گاز را میتوان با استفاده از قانون عمومی گازها محاسبه کرد .ابتدا
دمای سلسیوس به مقیاس کلوین تبدیل میشود و سپس مقادیر کمیتهای داده شده
در معادله قانون عمومی گازها قرار داده میشود و فشار گاز محاسبه میگردد:
T= 273 + 100 = 373 K
𝑻𝑹𝒏
𝐕
=𝑷
𝒕𝒊𝑳 𝒂𝒕𝒎.
)𝑲 𝟑𝟕𝟑()
𝒍𝒐𝒎 𝑲.
𝒕𝒊𝑳 𝟖𝟑𝟔 = 𝟎.
)𝐭𝐢𝐋 𝟎 (𝟏𝟐.
→
𝑻𝑹𝒏 = 𝑽𝑷
𝟏𝟐𝟖𝟎 (𝟎. 𝟐𝟓 𝒎𝒐𝒍)(𝟎.
=𝑷
مثال )4-0چند گرم گاز منوکسید کربن ( )COرا میتوان در یک ظرف
577/7 mLدر دمای اتاق ( )45 oCو فشار 1/57 atmجمع آوری کرد؟
اطالعات مورد نیاز :ثابت جهانی گاز برابر :
𝒕𝒊𝑳𝒂𝒕𝒎.
𝒍𝒐𝒎𝑲.
اتمی عناصر کربن و اکسیژن به ترتیب 14و 16است.
𝟏𝟐𝟖𝟎 𝑹 = 𝟎.و جرم
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
پاسخ :ابتدا ،بعد از تبدیل دما به مقیاس کلوین و حجم به مقیاس لیتر و با استفاده
از قانون عمومی گازها و اطالعات داده شده ،تعداد مول گاز منوکسید کربن را
محاسبه کرد:
T= 273 + 25 = 298 K
500.0 mL = 0.500 Lit
𝑽𝑷
𝐓𝐑
=𝒏
→
𝑻𝑹𝒏 = 𝑽𝑷
)𝐭𝐢𝐋 𝟎𝟎𝟓 (𝟏. 𝟓𝟎 𝒂𝒕𝒎)(𝟎.
𝒍𝒐𝒎 𝟕𝟎𝟑𝟎 = 𝟎.
𝒕𝒊𝑳 𝒂𝒕𝒎.
𝟏𝟐𝟖𝟎 (𝟎.
)𝑲 𝟖𝟗𝟐()
𝒍𝒐𝒎 𝑲.
=𝒏
در مرحله بعد با محاسبه جرم مولی منوکسید کربن ( )COبا استفاده از جرم اتمی
عناصر تشکیل دهنده یعنی کربن و اکسیژن ،و تعداد مول منوکسید کربن از قسمت
قبل ،مقدار آن را در ظرف جمع آوری شده تعیین کرد:
CO : 12 + 16 = 28 , 1 mol CO = 28 g CO
) = 0.8596 g CO
𝑶𝑪 𝒈 𝟖𝟐
𝑶𝑪 𝒍𝒐𝒎 𝟏
9
( 0.0307 mol CO
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
مثال )3-0حجم 4/47 gگاز دی اکسید کربن ( )CO2در دمای 30 oCو فشار
4/7 atmچقدر است؟
اطالعات مورد نیاز :ثابت جهانی گاز برابر :
𝒕𝒊𝑳𝒂𝒕𝒎.
𝒍𝒐𝒎𝑲.
𝟏𝟐𝟖𝟎 𝑹 = 𝟎.و جرم
اتمی عناصر کربن و اکسیژن به ترتیب 14و 16است.
پاسخ :ابتدا ،با محاسبه جرم مولی دی کسید کربن ( )CO2با استفاده از جرم
اتمی عناصر تشکیل دهنده کربن و اکسیژن ،یعنی { }12+(2X16)=44و جرم
دی کسید کربن ،میتوان تعداد مول آنرا تعیین کرد:
𝟐𝑶𝑪 𝒍𝒐𝒎 𝟏
) = 0.05 mol CO2
𝟐𝑶𝑪 𝒈 𝟒𝟒
( 2.20 g CO2
مرحله دوم ،بعد از تبدیل دما به مقیاس کلوین ،دانستن تعداد مول گاز و با استفاده
از قانون عمومی گازها و اطالعات داده شده ،میتوان حجم گاز منوکسید کربن
را محاسبه کرد:
T= 273 + 37= 310 K
𝑻𝑹𝒏
𝐏
=𝑽
→
𝑻𝑹𝒏 = 𝑽𝑷
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
𝒕𝒊𝑳 𝒂𝒕𝒎.
)𝑲 𝟎𝟏𝟑()
𝒍𝒐𝒎 𝑲.
𝒕𝒊𝑳 𝟔𝟑𝟔 = 𝟎.
)𝒎𝒕𝒂 𝟎 (𝟐.
𝟏𝟐𝟖𝟎 (𝟎. 𝟎𝟓 𝒎𝒐𝒍)(𝟎.
=𝑽
با استفاده از قانون عمومی گازها ،میتوان چگالی گازها را حتی بدون دانستن
جرم و حجم گاز محاسبه کرد .کافی است یکسری تغییرات در قانون عمومی
ایجاد کنیم .چگالی ( ، )dبرابر تقسیم جرم ( )mبر واحد حجم ( )Vاست که به
صورت زیر نشان داده میشود:
𝒎
𝑽
=𝒅
از طرفی ،تعداد مول ( )nرا میتوان از تقسیم جرم ( )mبر جرم مولی ( )Mmبه
دست آورد:
𝒎
𝒎𝑴
=𝒏
قانون عمومی گازها را به صورت زیر تغییر آرایش میدهیم:
𝑻𝑹𝒏 = 𝑽𝑷
𝑻𝑹𝒏
𝑽
11
=𝑷
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
حاال تعداد مول یعنی جرم بر جرم مولی را در قانون عمومی گازها جایگزین
میکنیم:
𝒎
(
𝑻𝑹 )
𝒎𝑴
=𝑷
𝑽
جابجایی هایی در معادله ایجاد و آنقدر ادامه میدهیم تا در آن ،تعریف چگالی
یعنی جرم بر حجم ظاهر شود:
𝑻𝑹𝒎
𝑽 𝒎𝑴
=𝑷
𝑻𝑹𝒎
𝒎𝑴 𝑽
=𝑷
𝒎
𝑻𝑹) (
𝑽 =𝑷
𝒎𝑴
در این مرحله ،نماد چگالی ( )dرا جایگزین جرم بر حجم میکنیم:
𝑻𝑹𝒅
𝒎𝑴
بنابراین ،این رابطه را مرتب کرده و آنرا برحسب چگالی تنظیم میکنیم:
=𝑷
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
𝒎𝑴𝑷
𝑻𝑹
=𝒅
همانطوری که در رابطه باالیی میبینید ،بدون دانستن جرم و حجم گاز و در
عوض با معلوم بودن فشار ،دما و جرم مولی گاز میتوان چگالی آنرا محاسبه
کرد.
مثال )4-0چگالی گاز N2Oدر دمای 40 oCو فشار 4/5 atmچقدر است؟
اطالعات مورد نیاز :ثابت جهانی گاز برابر :
𝒕𝒊𝑳𝒂𝒕𝒎.
𝟏𝟐𝟖𝟎 𝑹 = 𝟎.و جرم
𝒍𝒐𝒎𝑲.
اتمی عناصر نیتروژن و اکسیژن به ترتیب 14و 16است.
پاسخ :ابتدا محاسبه جرم مولی با استفاده از جرم اتمی عناصر تشکیل دهنده
مولکول گازی و سپس تبدیل دما به مقیاس کلوین و سرانجام جاگذاری کمیتهای
فیزیکی در رابطه ،می توان چگالی گاز را محاسبه کرد:
N2O : (2x14)+16=44
1 mol N2O = 44 g N2O
T = 27 +273 = 300 K
13
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
𝒎𝑴𝑷
𝑻𝑹
𝒈
)
𝒍𝒐𝒎
𝟒𝟒()𝒎𝒕𝒂 𝟓 (𝟐.
𝒕𝒊𝑳 𝒂𝒕𝒎.
)𝑲 𝟎𝟎𝟑()
𝒍𝒐𝒎 𝑲.
𝟏𝟐𝟖𝟎 (𝟎.
=𝒅
=𝒅
d = 4.466 g/Lit
در اغلب موارد ،مخلوطی از گازها باهم ترکیب نمیشوند ،بلکه به صورت
مسالمت آمیزی در کنار یکدیگر ،مخلوط گازی را بوجود میآورند .در این
شرایط ،فشار مخلوطی از گازها برابر مجموع فشار اجزای مخلوط آنهاست که به
قانون فشارهای جزئی دالتون معروف است .در این حالت ،هر گاز رفتار خود را
مجزا اجراء میکند ،انگار گازها دیگر در آن فضا قرار ندارند .به عبارتی ،هر گاز
ساز خودش را میزند بدون توجه به حضور سایر گازها در مخلوط.
مثال فشار مخلوطی از گازهای C ، B ، Aو Dبرابر با مجموع فشار گازهای ، A
C ، Bو Dاست:
𝑫𝑷 = 𝑷𝑨 + 𝑷𝑩 + 𝑷𝑪 +کل𝑷
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
از طرفی دانشمندان معتقدند که فشار هر جزء در یک مخلوط گازی به تعداد
مولکولهای آن جزء در کل مولکولهای گازی و به عبارت بهتر به تعداد مولهای
آن جزء به کل مولهای گازی در مخلوط بستگی دارد .تعداد مولهای هر جزء به
کل مولهای گازی در مخلوط را کسر مولی آن جزء گویند .پس فشار هر جزء در
یک مخلوط گازی به کسر مولی آن جزء بستگی دارد .یعنی ،هر چه تعداد
مولکولها و یا مولهای یک جزء در مخلوط گازی بیشتر باشد ،سهم فشار جزئی
آن در فشار کل مخلوط گازی بیشتر است:
𝑱𝝌 ∝ 𝑱𝑷
این تناسب را میتوان به یک رابطه یا معادله تبدیل کرد که در آن ضریب تناسب
برابر فشار کل مخلوط گازی است .پس ،فشار هر جزء ( )PJدر یک مخلوط گازی
برابر با حاصلضرب کسر مولی آن جزء ( )χJدر فشار کل مخلوط گازی (کل)P
است:
𝑱𝝌 کل𝑷 = 𝑱𝑷
15
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
مثال )5-0فشار مخلوطی از 10/67 gگاز دی اکسید کربن ( )CO2و 45/67 g
گاز اکسیژن ( )O2برابر 15/7 atmاست .فشار جزئی اکسیژن را تعیین کنید.
اطالعات مورد نیاز :جرم اتمی عناصر کربن و اکسیژن به ترتیب 14و 16است.
پاسخ :ابتدا ،جرم مولی اجزای مخلوط با استفاده از جرم اتمی عناصر تشکیل
دهنده محاسبه و در مرحله بعد تعداد مول هر جزء و سپس کسر مولی اجزای
مخلوط گازی محاسبه میگردد :
CO2 : 12 + (2X16) = 44 , 1 mol CO2 = 44 g CO2
, 1 mol O2 = 32 g O2
) = 0.4 mol CO2 , nCO2 = 0.4 mol
O2 : 2x 16 = 32
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2
44 𝑔 𝐶𝑂2
( 17.60 g CO2
1 𝑚𝑜𝑙 𝑂2
) = 0.8 mol O2 , nO2 = 0.8 mol
32 𝑔 𝑂2
( 25.60 g O2
= nCO2 + nO2 = 0.4 mol + 0.8 mol = 1.2 molکلn
𝒍𝒐𝒎 𝟒 𝟎.
𝟏
=
𝒍𝒐𝒎 𝟐 𝟏.
𝟑
=
𝟐𝑶𝑪𝒏
کل 𝒏
= 𝟐𝑶𝑪𝝌
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
𝒍𝒐𝒎 𝟖 𝟎.
𝟐
=
𝒍𝒐𝒎 𝟐 𝟏.
𝟑
=
𝟐𝑶𝒏
کل 𝒏
= 𝟐𝑶𝝌
در این مرحله ،با در اختیار داشتن کسر مولی اجزای مخلوط و فشار کل مخلوط
میتوان فشارجزئی اکسیژن و حتی فشار جزء دیگر یعنی دی اکسید کربن را هم
محاسبه کرد:
𝟐
𝒎𝒕𝒂 𝟎𝟏 = )𝟑( )𝒎𝒕𝒂 𝟎 𝝌𝑶𝟐 = (𝟏𝟓.کل𝑷 = 𝟐𝑶𝑷
𝟏
𝒎𝒕𝒂 𝟓 = )𝟑( )𝒎𝒕𝒂 𝟎 𝝌𝑪𝑶𝟐 = (𝟏𝟓.کل𝑷 = 𝟐𝑶𝑪𝑷
مالحظه میکنید که فشار جزئی گاز اکسیژن ( )17 atmدو برابر فشار گاز
دی اکسید کربن ( )5 atmاست و این در حالی است که تعداد مول اکسیژن
( )7/8 molدو برابر تعداد مول دی اکسید کربن ( )7/4 molاست.
در شرایطی که دما و فشار عادی باشد؛ همه گازها به طور نسبتا کامل از قوانین
گازهای ایدهآل پیروی میکنند .ولی ،در دماهای پایین و فشار باال ،انحراف از
17
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
رفتار گاز ایدهآل نشان میدهند .زیرا در دماهای پایین حرکت مولکولهای گازی
کمتر شده و زمانی بیشتری در نزدیکی هم قرار داشته و متعاقب آن نیروی جاذبهای
بین آنها ایجاد میشود .همچنین در فشار باال ،فاصله بین مولکولی کوچکتر شده
و فرصت کافی که در کنار هم باشند؛ فراهم میشود و در پی آن نیروی جاذبه
بین مولکولهای گازی ایجاد میشود .این نیروهای جاذبه بین مولکولی مانع از
رفتار گاز ایدهآل میشود به عبارتی انحراف از رفتار گاز ایدهآل پیدا میکنند.
نیروهای جاذبه مولکولی ،در تعارض با حرکت مولکولهای گازی هستند .در نتیجه
مایع شدن گاز در دمای پایین که انرژی جنبشی مولکولهای کم است؛ آسانتر انجام
میگیرد .با پایینتر رفتن دما و افزایش فشار ،انحراف رفتار گاز از حالت ایدهآل
بیشتر و بیشتر میشود و در نهایت گاز به صورت مایع در میآید.
هرچه دمای گاز باالتر باشد ،مایع شدن آن مشکلتر شده و باید فشار زیادتری
اعمال شود .برای هر گاز دمایی وجود دارد که باالتر از آن دما ،هرچند هم فشار
زیاد شود ،مایع شدن گاز غیر ممکن میشود که آنرا دمای بحرانی گویند .در
مقابل ،فشار بحرانی کمترین فشار الزم برای مایع کردن یک گاز در دمای بحرانی
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
آن گاز میباشد .ثابتهای بحرانی برخی گازها در جداولی تنظیم شدهاند .دمای
بحرانی یک گاز ،نشانه ای از قدرت نیروی جاذبه بین مولکولی آن گاز است.
مادهای که نیروهای جاذبه ضعیفتری دارد؛ دمای بحرانی آن پایینتر است .مثالً دمای
بحرانی گاز دی اکسید کربن ( )374 Kکوچکتر از دمای بحرانی گاز آمونیاک
( )475 Kاست .پس نیروهای جاذبه در دی اکسید کربن ضعیفتر از گاز آمونیاک
است.
مایعات
انرژی جنبشی مولکولهای گازی با پایین آمدن دما کاهش مییابد .در نتیجه ،اگر
گاز به قدر کافی سرد شود ،نیروهای جاذبه بین مولکولی موجب میشود که
مولکولها متراکم شده و به مایع تبدیل شوند .در مایع ،مولکولها به همدیگر
نزدیکتر بوده و نیروی جاذبه بین مولکولی بیشتر از حالت گازی است .به این
ترتیب ،حرکت مولکولی در حالت مایع محدودتر از حالت گازی میباشد.
در مایعات ،مولکولها چنان آهسته حرکت میکنند که نیروهای جاذبه بین
مولکولی قادر به نگه داشتن مولکولها در یک حجم مشخصی است .به این ترتیب،
19
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
مایع میتواند حجم خود را حفظ کند .مایعات جاری میشوند و شکل هر ظرفی
را بخود میگیرند.
تغییر فشار تقریباً برحجم مایع تاثیری ندارد ،زیرا فضای بین مولکولی در مایع
وجود ندارد و یا خیلی ناچیر است .اما ،افزایش دما سبب افزایش اندکی در حجم
اغلب مایعات و در نتیجه موجب کاهش چگالی آنها میشود.
دو مایع انحالل ناپذیر در یکدیگر پس از مخلوط شدن در همدیگر نفوذ میکنند.
اگر مایعی را با دقت تمام بر روی مایعی با چگالی باالتر بریزیم؛ مرز بین دو مایع
به خوبی قابل مشاهده است .این مرز به تدریج به هم میریزد و پس از مدتی در
اثر نفوذ دو مایع در یکدیگر ،ناپدید میشود .نفوذ مایعات ،فرآیند بسیار آهستهتری
نسبت به نفوذ گازهاست .زیرا مولکولهای مایع نسبتاً به یکدیگر نزدیکترند و یک
مولکول طی مدت کوتاهی ،دچار برخوردهای بسیار زیادی میشود .فاصله
متوسط طی شده برای مولکولهای مایع ،بسیار کوتاهتر از مولکولهای گازی است.
در نتیجه ،گازها بسیار سریعتر از مایعات نفوذ میکنند.
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
تمام مایعات در مقابل جاری شدن از خود مقاومت نشان میدهند .این خاصیت
را ویسکوزیته یا گرانروی گویند .یکی از راههای تعیین گرانروی یک مایع ،اندازه
گیری زمان الزم برای عبور مقدار معینی از مایع ،از لوله باریکی در فشار مشخصی
است .مقاومت در مقابل جاری شدن ،عمدتاً مربوط به نیروهای جاذبه بین مولکولی
است و اندازهگیری گرانروی یک مایع ،تخیمن سادهای از قدرت این نیروهای
جاذبه بین مولکولی است .به طور کلی ،با افزایش دمای یک مایع ،نیروهای
پیوستگی توانایی کمتری برای مقابله با حرکتهای فزآینده مولکولی دارند .در نتیجه
گرانروی کاهشمییابد .از سوی دیگر ،افزایش فشار معموالً باعث افزایش
گرانروی یک مایع میشود.
یکی دیگر از خواص مایعات که از نیروهای جاذبه بین مولکولی ناشی میشود؛
کشش سطحی است .مولکولی که در مرکز یک مایع قرار دارد در تمام جهات و
بطور یکنواخت بوسیله مولکولهای اطراف جذب میشود .اما مولکولهای واقع در
سطح یک مایع فقط به سوی داخل مایع جذب میشوند .در نتیجه مولکولهای
سطحی به سوی داخل کشیده میشوند و مساحت سطح مایع به حداقل میل
11
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
میکند .این رفتار ،بیانگر شکل کروی قطرات مایع است .کشش سطحی ،معیاری
از این نیروی کشش است که از درون بر سطح مایع وارد میشود .نیرویی که باید
بر آن غلبه کرد تا مساحت سطح مایع گسترش یابد .کشش سطحی یک مایع با
افزایش دما ،کاهش مییاید .زیرا افزایش حرکت مولکولی ،سبب کاهش اثر
نیروهای جاذبه بین مولکولی میشود.
مولکولهای مایع در هر دمایی تبخیر میشوند .زیرا طبق توزیع انرژی ماکسول-
بولتزمن :همواره تعداد کمی از مولکهای پر انرژی در یک مجموعه زیادی از
مولکولها وجود دارند که اگر در سطح مایع باشند؛ با غلبه بر نیروهای جابه بین
مولکولی به فاز بخار میروند .با خروج مولکولهای پر انرژی ،دمای مایع کاهش
مییاید؛ اما بخاطر تبادل حرارتی با محیط بعد از گذشت زمان ،دما به حالت عادی
بر میگردد و در این حالت مجدداً تعدادی از مولکولهای پر انرژی واقع در سطح
مایع با غلبه بر نیروهای جاذبه بین مولکولی به فاز بخار میروند .این رفتار
چرخهای تا تبخیر کامل مایع ادامه پیدا میکند .با افزایش دمای مایع ،سرعت
تبخیر هم زیاد میشود .با افزایش دما ،انرژی جنبشی مولکولها زیاد میشود و عده
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
مولکولهایی که انرژی کافی برای فرار به فاز گازی را داشته باشند ،جزء بیشتری
از کل مولکولهای مایع را تشکیل میدهند.
قرار گرفتن یک مایع در داخل یک ظرف سر بسته ،موجب میشود که برخی از
مولکولهایی که به فاز بخار رفته بودند ،بخاطر رفتار گازی که تمام فضای باال
مایع را در تملک خود دارند و سریع ،نامنظم و دایمی حرکت میکنند به سطح
مایع برخورد کنند و به مایع تبدیل شوند .در داخل ظرف سربسته دو فرآیند :تبدیل
مایع به بخار (تبخیر) و تبدیل بخار به مایع (تراکم یا میعان) همزمان رخ میدهد.
بعد از گذشت زمان ،سرعت این دو فرآیند با هم برابر میشود که آنرا شرایط
تعادلی گویند .در این شرایط تعادلی ،تعداد مولکولهای بخار یا گازی که در باالی
مایع قرار دارند به مقدار ثابتی میرسند و فشار معینی بر سطح مایع وارد میکنند.
فشار بخار ناشی از مایع که در این شرایط تعادلی بر سطح مایع وارد میکنند را
فشار بخار مایع گویند .فشار بخار مایع ،تابع دما میباشد و با افزایش دما مقدار
آن زیاد میشود .به این ترتیب هر مایع ،فشار بخارهای معین در دماهای متفاوت
دارد .فشار بخار هر مایعی نسبت به مایع دیگر فرق میکند .فشار بخار مایع نشان
13
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
دهنده قدرت نیروهای جاذبه بین مولکولی مایع میباشد و رابطه معکوسی با آن
دارد .به این معنی که ،در یک دمای معین ،هرچه نیروهای جاذبه مولکولی مایعی
قوتیر باشد ،فشار بخار آن پایینتر است .مثالً در دمای ، 47 oCفشار بخار آب
( )7/743 atmکوچکتر از فشار بخار الکل ( )7/758 atmو آنهم کوچکتر از
فشار بخار اتر ( )7/584 atmاست .به این ترتیب نیروهای جاذبه بین مولکولی
در آب قویتر از الکل و آنهم قویتر از اتر است.
دمایی که فشار بخار مایع با فشار جو برابر شود و مایع شروع به جوشش و قلیان
کند را دما جوش مایع گویند .اگر در این شرایط ،فشار جو برابر یک اتمسفر باشد
آنرا دمای جوش نرمال گویند .هر مایعی ،دارای دمای جوش معینی است .مثال،
دمای جوش نرمال آب ، 177 oCدمای جوش نرمال الکل 08 oCو دمای جوش
نرمال اتر 35 oCاست .مایعی با نیروهای جاذبه مولکولی ضعیفتر در دمای پایینتری
به جوش میآید .از طرفی ،دمای جوش یک مایع با تغییر فشار جو تغییر میکند.
مایعات در نواحی کوهستانی که بخاطر ارتفاع باالتر فشار هوای کمتری دارند،
در دمای پایینتری میجوشند.
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
جامدات
هنگامی که یک مایع سرد میشود؛ حرکت مولکولهای آن آهسته و آهستهتر
میشود .سرانجام به دمایی میرسد که در آن دما ،انرژی جنبشی برخی مولکولها
کمتر از جاذبه بین مولکولی شده و نمیتواند مانع استقرار آنها در یک ساختار
بلوری شود .به این ترتیب جسم به تدریج متبلور میشود و به حالت جامد در
میآید .دمایی که که در آن ،جامد و مایع در فشار یک اتمسفر ،باهم در تعادل
باشند را دمای انجماد نرمال گویند .در دمای انجماد ،دمای سیستم تعادلی جامد-
مایع تا انجماد کامل تمام مایع ثابت باقی میماند.
گاهی مولکولهای مایع ،به هنگام سرد شدن ،حرکتهای بی نظم و خاص حالت
مایع را حتی در دماهای پایینتر از دمای انجماد از دست نمیدهند .چنین مایعاتی
را مایع زیر انجماد گویند .برخی مایعات میتوانند حالت زیر انجماد خود را برای
مدت طوالنی و یا حتی بطور دایم حفظ کنند .هنگام سرد شدن ،مولکولهای این
مایعات بجای آنکه شکل بلوری منظمی بخود بگیرند؛ با آرایش نامنظمی که خاص
حالت مایع است منجمد میشوند .چنین اجسامی را جامدات بیشکل گویند.
15
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
اجسامی مانند شیشه ،قیر و برخی پالستیکها ،از این نمونه ها هستند .جامدات بی
شکل ،دمای ذوب و یا دمای انجماد معینی ندارند؛ بلکه این تغییرات در گسترهای
از دما انجام میگیرد.
مولکولهای جامد هم طبق توزیع انرژی ماکسول-بولتزمن میتوانند به فاز بخار
بروند .اما از آنجایی که نیروهای جاذبه بین مولکولی در جامدات خیلی قویتر از
مایعات هستند ،تعداد خیلی کمی از مولکولهای جامد میتوانند به فاز بخار بروند.
اگر جامد در یک ظرف سربسته قرار بگیرد ،آنگاه تعدادی از مولکولهای بخار
بخاطر ویژگی گازها که حرکت سریع ،نامنظم و دایمی دارند به محض برخورد
به سطح جامد بخاطر نیروهای جاذبه خیلی قوی به جامد تبدیل میشوند .به این
ترتیب ،در محفظه بسته دو فرآیند :تبدیل جامد به بخار (تصعید) و تبدیل بخار
به جامد (چگالش) همزمان رخ میدهد و بعد از گذشت زمانی ،سرعت این دو
فرآیند باهم برابر میشود که آنرا شرایط تعادلی گویند .در این شرایط تعادلی ،
تعداد مولکولهای بخار در باالی سطح جامد به مقدار معینی میرسند و به سطح
جامد فشار وارد میکنند .فشار بخار ناشی از جامد که در شرایط تعادلی بر سطح
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
جامد وارد میکند را فشار بخار جامد گویند .هر جامد فشار بخار معینی در
دماهای متفاوت دارد .از طرفی فشار بخار هر جامد متفاوت از جامد دیگری است.
برای هر جسم میتوان تغییرات فشار بخار را برحسب دما در نظر گرفت که آنرا
نمودار فازی گویند .در این نمودار ،تغییرات فشار بخار مایع و نیز تغییرات فشار
بخار جامد را میتوان برحسب دما مشاهده کرد .با تغییر دما و نیز تغییر فشار
میتوان از تغییرات فازی جسم مطلع شد .مثالً در شکل 1-0نمودار فازی آب
ترسیم شده است.
در این نمودار ،منحنی DEمنحنی فشار بخار مایع است که به نقطه بحرانی E
ختم میشود .نقاط روی این منحنی بیانگر ،مجموعهای از شرایط دما و فشار است
که در آنها مایع و بخار میتوانند در تعادل باشند .منحنی ADمنحنی فشار بخار
جامد است که نقاط دوی منحنی بیانگر ،مجموعهای از شرایط دما و فشار است
که در آنها جامد و بخار باهم در تعادل هسنند .منحنی ، DBمنحنی دمای ذوب
و یا دمای انجماد است که در آن جامد و مایع در شرایط متفاوت دما و فشار با
17
فصل هفتم گازها ،مایعات و جامدات
هم در تعادل هستند .نقطه Dرا نقطه سه گانه گویند که در آن هر سه حالت ماده
یعنی جامد ،مایع و گاز با هم در تعادل هستند.
شکل )1-0نمودار فازی آب.
شیمی عمومی ،دکتر اسماعیل سلیمانی ،دانشگاه صنعتی شاهرود
یک نمودار فازی دیگری جهت درک بهتر در شکل 4-0نشان داده شده است:
شکل )4-0نمودار فازی یک جسم خالص.
19