گازها

گازها

اسلاید 1: گازها1

اسلاید 2: گازها در هر ظرفی که وارد شوند، آن را پر می کند.گازها بر دیواره ظرف خود فشار وارد می کنند. نیروی جاذبه بین مولکولهای یک گاز ضعیف می باشد بنابراین گازها حجم وشکل ثابتی ندارند. به طور کلی حجم مواد مختلف (جامد، مایع وگاز) به دوعامل فشار ودما بستگی دارد. این نکته را می توانیم درمعادله حالت زیر خلاصه کنیم . V=V(T, P, n)2

اسلاید 3: مولکولهای گاز دائم درحال حرکت می باشند و یا خود و با جداره ظرف برخورد کرده و جداره را به قسمت خارج می رانند یا به عبارت دیگر به جداره ظرف فشار می آورند. فشار عبارت است از نیروی وارد برسطح ودر دستگاه SIواحد فشار نیوتن برمتر مربع یا پاسکال می باشد. هوای موجود دراتمسفر نیز به سطح زمین فشار وارد می آورد. فشار3

اسلاید 4: دستگاهی که برای اندازه گیری فشار هوا بکار می رود، هوا سنج نام دارد که درشکل مقابل مشاهده می گردد. برای ساخت این دستگاه کافی است که یک لوله شیشه ای پراز جیوه را بطور معکوس روی یک تشک پر از جیوه قرار دهیم . افزایش فشار جو باعث بالا رفتن جیوه درون لوله می شود. و بسته به فشار هوا، جیوه درون لوله درارتفاع مشخصی خواهد ایستاد. این ارتفاع درسطح دریاهای آزاد 41 atm = 760 mm hg = 101352Pa

اسلاید 5: قوانین گازهاالف) قانون بویل: دردمای ثابت حجم گاز با فشار گاز نسبت عکس دارد پس می توان نوشت : K مقدار ثابتی است که به مقدار گاز ودمای آن بستگی دارد. V = Km,T / P or PV = Km,T or P1V1 = P2V2منحنی همدمای فشار-حجم در شکل روبرو مشاهده می گردد. 5V α 1/P

اسلاید 6: منحنی تغییرات فشار گاز ایده آل درمقابل 1/V ، خط مستقیم می باشد (شکل زیر) . اگر این منحنی درمورد یک گاز مستقیم نباشد، آن گاز ازقانون بویل پیروی نمی کند. انحراف ازقانون بویل از نیروهای بین مولکولی ناشی می گردد. این نوع انحراف بویژه دردماهای پائین وفشارهای زیاد دیده می شود. 6

اسلاید 7: مثال: درصفر درجه سانتیگراد وفشار 5 اتمسفر ، نمونه ای ازیک گاز، 100 لیتر حجم دارد. اگر این گاز مترکم شده درحجم آن درصفر درجه به 30لیتر برسد، فشار نهایی آن چقدر می شود؟ چون دما ثابت است از قانون بویل استفاده می کنیم: 7

اسلاید 8: ب) قانون شارل : اگر درفشار ثابت دمای گاز یک درجه سانتیگراد افزایش یابد، حجم آن به اندازه 1/273 حجم آن در صفر درجه سانتیگراد افزایش می یابد. درفشار ثابت بین حجم ودمای مطلق ( T ) رابطه مستقیم وجود خواهد داشت درحالیکه بین حجم ودمای گاز برحسب درجه سانتیگراد ارتباط مستقیم وجود ندارد. Km,pثابتی است که به مقدار وفشار گاز بستگی دارد. یا8V α T

اسلاید 9: مقیاس کلوین یک مقیاس مطلق می باشد زیرا درجه صفر کلوین پائین ترین دمای ممکن می باشد . اگر در فشار ثابت تغییرات حجم یک نمونه گاز برحسب دما رسم کنیم، خط راستی بدست می آید (شکل زیر) دمائی که درآن دما حجم گاز به صفر می رسد، صفر کلوین (-273.15 °C ) می باشد. طبق رابطه زیر دما برحسب سانتیگراد ) °C (t به دمای مطلق ( T ) تبدیل می گردد. T = t + 2739

اسلاید 10: ارتباط دما وفشار(قانون آمونتون): اگرحجم گاز ثابت باشد، تغییرات فشار آن با دمای مطلق نسبت مستقیم دارد: km,v ثابتی است که به مقدار گاز و حجم آن بستگی دارد یامنحنی فشار برحسب دما شبیه منحنی حجم – دما می باشد.10

اسلاید 11: مثال: یک ظرف ده لیتری ازگازی با فشار2 atm درصفر درجه سانتیگراد پر شده است . درچه دمائی فشار درون ظرف به 2.5 atm می رسد؟ 11

اسلاید 12: V α 1/P V α T  V α nT / P V α nمعادله حالت گازهای کامل یا ایده آل چون حجم گاز با دمای مطلق ومقدار گاز نسبت مستقیم وبا فشار گاز نسبت عکس دارد پس بنابراین : PnTVαبرای تبدیل این تناسب به یک تساوی از ثابتی به نام استفاده می کنیم وبه معادله حالت زیر که به معادله حالت گاز کامل مشهور است می رسیم .P V = n R Tیا12

اسلاید 13: R : ثابت گازها که مقدار آن بستگی به واحدهای فشار وحجم دارد . به عنوان مثال اگر فشار برحسب اتمسفر وحجم برحسب لیتر باشد، مقدار ثابت گازها 0.082 lit.atm/mol K خواهد شد. درزیر R برحسب واحدهای مختلف ذکر شده است . R = 0.082 lit.atm/mol.KR = 1.987 cal/mol.KR = 8.314 j/mol.K13

اسلاید 14: شرایط استاندارد یا متعارفی برای گازها دمای صفر درجه سانتیگراد و فشار یک اتمسفر به عنوان شرایط متعارفی درنظر گرفته می شود. یک مول ازگاز درشرایط متعارفی حجمی معادل با 22.414 لیتر دارد. به این حجم، حجم مولی استاندارد می گوئیم .14

اسلاید 15: مثال: تعداد مولهای یک گاز ایده آل را که در 87 °C وفشار atm 0.62 دارای حجم 0.452 lit می باشد را حساب کنید . PV = nRTباید دقت داشته باشیم که با توجه به واحدهای فشار وحجم ازمقدار ثابت گاز مناسب استفاده کنیم. 15

اسلاید 16: سرعتهای مولکولی قانون نفوذ ملکولی گراهاماگر گازی را دریک محفظه ای که دارای سوراخ بسیار ریزی است، قرار دهیم مولکولهائی که درمسیر خود به سوراخ برخورد می کنند، ازمحفظه خارج می شوند. میزان عبور مولکولها ازسوراخ درثانیه، سرعت عبور مولکولی با عکس جذر جرم (1 / √m) متناسب است .16

اسلاید 17: به عنوان مثال درشرایط یکسان مولکولهای هیدروژن چهار بار سریعتر ازمولکولهای اکسیژن نفوذ می کنند. ازاین روش می توانیم برای جداسازی ایزوتوپها استفاده نمائیم . بنابراین برای دوگاز A و B خواهیم داشت: 17

اسلاید 18: انحراف از قانون گازهاي كامل و معادله واندروالسدر شرايط عادي فشار و دما ، گازهاي حقيقي رفتار ايده آل دارند ، اما در فشارهاي زياد و دماهاي پائين انحراف زياد است . در نظريه جنبشي گازها فرض مي شود كه مولكولهاي گاز حجمي ندارند و هيچ نيروئي بين مولكولهاي گاز وجود ندارد. ولي چون اين دو فرض درست نيستند،گازهاي حقيقي از رفتار ايده آل انحراف دارند .18

اسلاید 19: an2/v2 به فشار اندازه گیری شده افزوده می شود تا نیروهای جاذبه بین مولکولی را تصحیح نماید. یک مولکول گاز نمی تواند در تمام حجم ظرف حرکت نماید، زیرا سایر مولکولها هم در آن ظرف هستند حجمی که مولکولهای گاز در آن می توانند حرکت کنند می توان با از کم کردن حجم مستثنی از حجم کل بدست آورد. اين معادله به معادله واندروالس نيز مشهور مي باشد. a و b مقادير ثابتي هستند كه از طريق آزمايش براي هر گاز مشخص مي شود . 19

اسلاید 20: مايعات و جامدات20

اسلاید 21: حالت مایع حدواسط بین حالت گازی و حالت جامد است.یک مایع حجم خود را حفظ می کند و نه شکل خود را.افزایش دما سبب افزایش اندکی در حجم اغلب مایعات و در نتیجه چگالی آنهاکم می شود. چون با افزایش دما یک مایع، انرژی جنبشی متوسط مولکولها افزایش یافته و این افزایش حرکت مولکولی برعلیه نیروهای بین مولکولی عمل خواهد کرد. و انبساط صورت می گیرد.نفوذ مایعات آهسته تر از نفوذ گازهاست زیرا مولکولهای مایع به هم نزدیکترند.21

اسلاید 22: گرانروي يا ويسكوزيتهمقاومت مايع در مقابل جاري شدن را گرانروي مي گوييم . گرانروي نتيجه وجود نيروي جاذبه بين مولكولي است و مقدار آن معياري از قدرت اين نيروها مي باشد . البته عوامل ديگري مانند وزن مولكولي و ساختار مولكولي نيز در گرانروي موثر مي باشند . مولكولهاي بزرگ گرانروي بالاتري دارند و مولكولهاي كوچك و كروي ، گرانروي كمتري دارند . افزايش دما باعث كاهش گرانروي و افزايش فشار ، گرانروي را افزايش مي دهد . 22

اسلاید 23: ويژگي ديگر مايعات كه ناشي از جاذبه بين مولكولها مي باشد،كشش سطحي مي باشد. مولکولی که در مرکز یک مایع قرار دارد، در تمام جهت ها و به طور یکنواخت به وسیله مولکولهای پیرامون جذب می شود. اما مولکولهای واقع در سطح یک مایع فقط به سوی داخل مایع جذب می شوند و مساحت سطح مایع به حداقل می رسد. این رفتار بیانگر شکل کروی قطره های مایع است.كشش سطحي23

اسلاید 24: انرژي جنبشي مولكولهاي یک مايع، از قانون توزيع ماكسول – بولتزمن پيروي مي كند( شكل زير) بنابراين در يك لحظه بعضي از مولكولها انرژي بيشتري دارند و بعضي ها انرژي كمتري . تبخير24

اسلاید 25: حال اگر مولكولهاي پر انرژي درحال حركت به سطح مايع برسند مي توانند برنيروهاي جاذبه بين مولكولهاي مايع غلبه كرده و به صورت گاز در آيند و به اين طريق مولكولهاي مايع تبخير مي شوند. چون در اثر تبخير مولكولهاي پر انرژي از مايع خارج مي شود دماي مايع پايين مي آيد . با افزايش دما ، سرعت تبخير زياد مي شود . مقدار گرماي لازم براي تبخير يك مول مايع در دماي معين را آنتالپی تبخير مولي ) (ΔHf مي گويند . 25

اسلاید 26: فشار بخارهر گاه در دماي ثابت، ظرف محتوي مايع را زير يك سرپوش شيشه اي قرار دهيم ، سطح مايع به تدريج پايين مي رود و پس از مدتي ثابت مي ماند ( شكل زير ). در ابتدا مولكولهاي مايع تبخير شده ووارد فضاي زير سرپوش مي شوند سپس بعضي از مولكولهاي بخار در حين حركات تصادفي خود به مايع باز مي گردند .26

اسلاید 27: در حالتي كه ديگر سطح، پايين نمي رود سرعت تبخير شدن و سرعت برگشت مولكولهاي بخار به مايع برابر مي شود . به فشار بخار زير سرپوش در حالت تعادل ، فشار بخار مايع مي گوييم . فشار بخار مايع به نوع مايع و درجه حرارت دارد . هر چه نيروي جاذبه بين مولكولهاي مايع بيشتر باشد، فشار بخار مايع كمتر مي باشد . 27

اسلاید 28: نيروي جاذبه بين مولكولهاي مايع در حدي است كه آنها را در حجم معيني نگاه مي دارد ولي آنقدر قوي نيست كه آنها را در نقاط مشخصي از شبكه بلوري نگاه دارند . نتيجه اين مي شود كه مايعات حجم مشخص ولي شكل نامشخص دارند . چون مولكولهاي مايع بر اثر نيروهاي جاذبه تا حد ممكن به يكديگر نزديك شده اند ، افزايش فشار خارجي تاثيري بر حجم مايع ندارد . 28

اسلاید 29: فشار بخار چند مايع در دماهاي مختلف در نمودار زير نشان داده شده است . 29

اسلاید 30: دماي جوشدمايي كه در آن دما فشار بخار مايع با فشار هوا برابر مي شود، دماي جوش مايع نام دارد و اگر فشار هوا يك اتمسفر باشد ، به آن دماي جوش عادي يا نرمال مي گوييم . تا هنگامي كه تمام مايع بخار نشده است ، دماي مايع ثابت باقي مي ماند . دماي جوش مايعات بستگي به فشار خارجي دارد و با كاهش فشار خارجي دماي جوش پايين مي آيد . 30

اسلاید 31: آنتالپی تبخير موليآنتالپی تبخير مولي مجموع انرژي لازم براي غلبه بر نيروهاي جاذبه بين مولكولي و نيز ايجاد فضاي لازم براي بخار حاصل از تبخير است . آنتالپی تبخير يك مايع با افزايش درجه حرارت كاهش مي يابد . تا اينكه در درجه حرارت بحراني صفر مي شود. مقدار انرژي لازم براي تبخير يك مول مايع در دماي معين را آنتالپی تبخير مولي مي گوييم (ΔHv) . 31

اسلاید 32: انرژي گرمايي آزاد شده در هنگام ميعان شدن بخار را آنتالپی ميعان مولي مي نامند. اين كميت از نظر عددي با گرماي تبخير مولي ولي با علامت منفي برابر است . كلازيوس - كلاپيرون به طور تجربي نشان دادند كه در محدوده اي از دماها رابطه زير بين آنتالپی تبخير مولي ، درجه حرارت و فشار بخار مايع وجود دارد . P فشار بخار مايع ،Δ Hv آنتالپی تبخير مولي ، R ثابت گازها ، T دماي مطلق و C مقدار ثابتي است كه مخصوص مايع مورد نظر مي باشد . بايد توجه داشته باشيم كه واحد R با واحد Δ Hv همخواني داشته باشد . 32

اسلاید 33: اگر منحني تغييرات log P را بر حسب 1 / T در دماهاي مختلف رسم كنيم ، خط راستي بدست مي آيد كه ضريب زاويه آن برابر است با : اگر رابطه كلازيوس – كلاپيرون را براي دو دماي مختلف بنويسيم به رابطه زير خواهيم رسيد . 33

اسلاید 34: مثال : فشار بخار تتراكلريد كربن در 300 K برابر 120 mm Hg و در 345 k برابر 630 mm Hg است . گرماي تبخير مولي آن را حساب كنيد . 34

اسلاید 35: دماي انجماد و دماي ذوب هر چه دماي مايع پايين مي رود انرژي جنبشي مولكولهاي مايع كم مي شود تا اينكه شروع به منجمد شدن مي كند . اگر در اين حالت بين سيستم و محيط تبادل گرمايي نباشد، بين جامد و مايع حالت تعادل ايجاد خواهد شد . درجه حرارت مربوط به اين تعادل در فشار يك اتمسفر ، دماي انجماد نرمال يا دماي ذوب عادي جامد ناميده مي شود . 35

اسلاید 36: گاهي اوقات مولكولها انرژي جنبشي خود را بيش از مقدار لازم براي جامد شدن را از دست داده اند اين مايع را مايع زیرانجماد مي گوييم .مالش جداره داخلی ظرف با ميله همزن يا اضافه كردن يك بلور كوچك به محلول سبب به هم خوردن اين حالت ناپايدار مي شود و تبلور آغاز مي گردد. 36

اسلاید 37: مقدار گرمايي كه به يك مول جامد مي دهيم تا به حالت مايع در آيد ، گرماي ذوب مولي (ΔMf) ناميده مي شود. مقدار گرمايي كه بايد از يك مول مايع در دماي انجماد گرفته شود تا متبلور گردد را گرماي مولي تبلور مي گوييم . گرماي مولي تبلور از لحاظ عددي برابر با گرماي مولي ذوب ولي با علامت مخالف، مي باشد. 37

اسلاید 38: فشار بخار جامداتمولكول هاي يك جامددر ساختار بلور نوسان می کنند وارد فاز بخار گردند بنابراين جامدات نيز داراي فشار بخار مي باشند . فشار بخار با نيروي هاي جاذبه بين مولكولي نسبت عكس دارد . بر اثر گرم كردن جامدات ، انرژي جنبشي مولكولها زياد مي شود و در نتيجه فشار بخار جامد افزايش مي يابد . در دماي ذوب ، فشار بخار جامد و فشار بخار مايع با هم برابر مي شود . 38

اسلاید 39: تصعيددر بعضي از مواد قبل از اينكه فشار بخار جامد به فشار بخار مايع برسد با فشار اتمسفر برابر مي شود. در اين مواد ، جامد بدون ذوب شدن و مايع شدن به بخار تبديل مي گردد به اين عمل تصعيد مي گوييم. اين مواد هنگامي ذوب مي گردند كه فشار محيط خارج را افزايش داده و به فشار تعادلي سيستم جامد - مايع برسانيم . ميزان گرماي لازم براي تصعيد يك مول جامد را گرماي مولي تصعيد ΔHs مي نامند . گرماي مولي تصعيد برابر است با مجموع گرماي مولي ذوب و گرماي مولي تبخير.39

اسلاید 40: نمودار حالترابطه بين حالتهاي جامد ، مايع و گاز يك جسم به عنوان تابعی از درجه حرارت و فشار را مي توان در يك نمودار حالت خلاصه كرد . شكل روبرو نمودار حالت را براي آب نشان مي دهد . 40

اسلاید 41: در اين شكل منحني OC، منحني فشار بخار مايع است كه به نقطه بحرانيC ختم مي شود.منحني OD مربوط به مايع فوق سرد می باشد. منحني OA منحني فشار بخار جامد مي باشد . خط OB منحني ذوب مي باشد. اين منحني ها در نقطه سه گانه ( نقطه O ) همدیگر را قطع مي كنند . در اين نقطه هر سه حالت جامد، مايع و بخار با يكديگر در حال تعادل مي باشند. 41

اسلاید 42: دي اكسيد كربن يكي از اين مواد مي باشد و نمودار حالت آن در زير نشان داده شده است . 42