گازها
1
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
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.
فشار
3
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
4
1 atm = 760 mm hg = 101352Pa
قوانین گازها
الف) 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 = P2V2
منحنی همدمای فشار-حجم در شکل روبرو مشاهده می گردد.
5
V α 1/P
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
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
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.
8
V α T
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 + 273
9
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
منحنی فشار برحسب دما شبیه منحنی حجم – دما می باشد.
10
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
V α 1/P
V α T V α nT / P
V α n
معادله حالت گازهای کامل یا ایده آل
چون حجم گاز با دمای مطلق ومقدار گاز نسبت مستقیم وبا فشار گاز نسبت عکس دارد پس بنابراین :
برای 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 .
12
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.K
R = 1.987 cal/mol.K
R = 8.314 j/mol.K
13
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
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 = nRT
باید دقت داشته باشیم که با توجه به واحدهای فشار وحجم ازمقدار ثابت گاز مناسب استفاده کنیم.
15
سرعتهای مولکولی قانون نفوذ ملکولی گراهام
اگر 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
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
انحراف از قانون گازهای کامل و معادله واندروالس
در شرایط عادی فشار و دما ، گازهای حقیقی رفتار ایده آل دارند ، اما در فشارهای زیاد و دماهای پائین انحراف زیاد است . در نظریه جنبشی گازها فرض می شود که مولکولهای گاز حجمی ندارند و هیچ نیروئی بین مولکولهای گاز وجود ندارد. ولی چون این دو فرض درست نیستند،گازهای حقیقی از رفتار ایده آل انحراف دارند .
18
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.
این معادله به معادله واندروالس نیز مشهور می باشد.
a و b مقادیر ثابتی هستند که از طریق آزمایش برای هر گاز مشخص می شود .
19
مایعات و جامدات
20
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
گرانروی یا ویسکوزیته
مقاومت مایع در مقابل جاری شدن را گرانروی می گوییم . گرانروی نتیجه وجود نیروی جاذبه بین مولکولی است و مقدار آن معیاری از قدرت این نیروها می باشد . البته عوامل دیگری مانند وزن مولکولی و ساختار مولکولی نیز در گرانروی موثر می باشند . مولکولهای بزرگ گرانروی بالاتری دارند و مولکولهای کوچک و کروی ، گرانروی کمتری دارند . افزایش دما باعث کاهش گرانروی و افزایش فشار ، گرانروی را افزایش می دهد .
22
ویژگی دیگر مایعات که ناشی از جاذبه بین مولکولها می باشد،کشش سطحی می 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.
کشش سطحی
23
انرژی جنبشی مولکولهای یک مایع، از قانون توزیع ماکسول – بولتزمن پیروی می کند( شکل زیر) بنابراین در یک لحظه بعضی از مولکولها انرژی بیشتری دارند و بعضی ها انرژی کمتری .
تبخیر
24
حال اگر مولکولهای پر انرژی درحال حرکت به سطح مایع برسند می توانند برنیروهای جاذبه بین مولکولهای مایع غلبه کرده و به صورت گاز در آیند و به این طریق مولکولهای مایع تبخیر می شوند. چون در اثر تبخیر مولکولهای پر انرژی از مایع خارج می شود دمای مایع پایین می آید . با افزایش دما ، سرعت تبخیر زیاد می شود .
مقدار گرمای لازم برای تبخیر یک مول مایع در دمای معین را آنتالپی تبخیر مولی ) (ΔHf می گویند .
25
فشار بخار
هر گاه در دمای ثابت، ظرف محتوی مایع را زیر یک سرپوش شیشه ای قرار دهیم ، سطح مایع به تدریج پایین می رود و پس از مدتی ثابت می ماند ( شکل زیر ). در ابتدا مولکولهای مایع تبخیر شده و
وارد فضای زیر سرپوش می شوند سپس بعضی از مولکولهای بخار در حین حرکات تصادفی خود به مایع باز می گردند .
26
در حالتی که دیگر سطح، پایین نمی رود سرعت تبخیر شدن و سرعت برگشت مولکولهای بخار به مایع برابر می شود . به فشار بخار زیر سرپوش در حالت تعادل ، فشار بخار مایع می گوییم . فشار بخار مایع به نوع مایع و درجه حرارت دارد . هر چه نیروی جاذبه بین مولکولهای مایع بیشتر باشد، فشار بخار مایع کمتر می باشد .
27
نیروی جاذبه بین مولکولهای مایع در حدی است که آنها را در حجم معینی نگاه می دارد ولی آنقدر قوی نیست که آنها را در نقاط مشخصی از شبکه بلوری نگاه دارند . نتیجه این می شود که مایعات حجم مشخص ولی شکل نامشخص دارند . چون مولکولهای مایع بر اثر نیروهای جاذبه تا حد ممکن به یکدیگر نزدیک شده اند ، افزایش فشار خارجی تاثیری بر حجم مایع ندارد .
28
فشار بخار چند مایع در دماهای مختلف در نمودار زیر نشان داده شده است .
29
دمای جوش
دمایی که در آن دما فشار بخار مایع با فشار هوا برابر می شود، دمای جوش مایع نام دارد و اگر فشار هوا یک اتمسفر باشد ، به آن دمای جوش عادی یا نرمال می گوییم .
تا هنگامی که تمام مایع بخار نشده است ، دمای مایع ثابت باقی می ماند .
دمای جوش مایعات بستگی به فشار خارجی دارد و با کاهش فشار خارجی دمای جوش پایین می آید .
30
آنتالپی تبخیر مولی
آنتالپی تبخیر مولی مجموع انرژی لازم برای غلبه بر نیروهای جاذبه بین مولکولی و نیز ایجاد فضای لازم برای بخار حاصل از تبخیر است . آنتالپی تبخیر یک مایع با افزایش درجه حرارت کاهش می یابد . تا اینکه در درجه حرارت بحرانی صفر می شود.
مقدار انرژی لازم برای تبخیر یک مول مایع در دمای معین را آنتالپی تبخیر مولی می گوییم (ΔHv) .
31
انرژی گرمایی آزاد شده در هنگام میعان شدن بخار را آنتالپی میعان مولی می نامند. این کمیت از نظر عددی با گرمای تبخیر مولی ولی با علامت منفی برابر است . کلازیوس – کلاپیرون به طور تجربی نشان دادند که در محدوده ای از دماها رابطه زیر بین آنتالپی تبخیر مولی ، درجه حرارت و فشار بخار مایع وجود دارد .
P فشار بخار مایع ،Δ Hv آنتالپی تبخیر مولی ، R ثابت گازها ، T دمای مطلق و C مقدار ثابتی است که مخصوص مایع مورد نظر می باشد . باید توجه داشته باشیم که واحد R با واحد Δ Hv همخوانی داشته باشد .
32
اگر رابطه کلازیوس – کلاپیرون را برای دو دمای مختلف بنویسیم به رابطه زیر خواهیم رسید .
33
مثال : فشار بخار تتراکلرید کربن در 300 K برابر 120 mm Hg و در 345 k برابر 630 mm Hg است . گرمای تبخیر مولی آن را حساب کنید .
34
دمای انجماد و دمای ذوب
هر چه دمای مایع پایین می رود انرژی جنبشی مولکولهای مایع کم می شود تا اینکه شروع به منجمد شدن می کند . اگر در این حالت بین سیستم و محیط تبادل گرمایی نباشد، بین جامد و مایع حالت تعادل ایجاد خواهد شد . درجه حرارت مربوط به این تعادل در فشار یک اتمسفر ، دمای انجماد نرمال یا دمای ذوب عادی جامد نامیده می شود .
35
گاهی اوقات مولکولها انرژی جنبشی خود را بیش از مقدار لازم برای جامد شدن را از دست داده اند این مایع را مایع زیرانجماد می گوییم .مالش جداره داخلی ظرف با میله همزن یا اضافه کردن یک بلور کوچک به محلول سبب به هم خوردن این حالت ناپایدار می شود و تبلور آغاز می گردد.
36
مقدار گرمایی که به یک مول جامد می دهیم تا به حالت مایع در آید ، گرمای ذوب مولی (ΔMf) نامیده می شود.
مقدار گرمایی که باید از یک مول مایع در دمای انجماد گرفته شود تا متبلور گردد را گرمای مولی تبلور می گوییم . گرمای مولی تبلور از لحاظ عددی برابر با گرمای مولی ذوب ولی با علامت مخالف، می باشد.
37
فشار بخار جامدات
مولکول های یک جامددر ساختار بلور نوسان می کنند وارد فاز بخار گردند بنابراین جامدات نیز دارای فشار بخار می باشند . فشار بخار با نیروی های جاذبه بین مولکولی نسبت عکس دارد . بر اثر گرم کردن جامدات ، انرژی جنبشی مولکولها زیاد می شود و در نتیجه فشار بخار جامد افزایش می یابد . در دمای ذوب ، فشار بخار جامد و فشار بخار مایع با هم برابر می شود .
38
تصعید
در بعضی از مواد قبل از اینکه فشار بخار جامد به فشار بخار مایع برسد با فشار اتمسفر برابر می شود. در این مواد ، جامد بدون ذوب شدن و مایع شدن به بخار تبدیل می گردد به این عمل تصعید می گوییم. این مواد هنگامی ذوب می گردند که فشار محیط خارج را افزایش داده و به فشار تعادلی سیستم جامد – مایع برسانیم .
میزان گرمای لازم برای تصعید یک مول جامد را گرمای مولی تصعید ΔHs می نامند . گرمای مولی تصعید برابر است با مجموع گرمای مولی ذوب و گرمای مولی تبخیر.
39
نمودار حالت
رابطه بین حالتهای جامد ، مایع و گاز یک جسم به عنوان تابعی از درجه حرارت و فشار را می توان در یک نمودار حالت خلاصه کرد .
شکل روبرو نمودار حالت را برای آب نشان می دهد .
40
در این شکل منحنی OC، منحنی فشار بخار مایع است که به نقطه بحرانیC ختم می شود.منحنی OD مربوط به مایع فوق سرد می باشد. منحنی OA منحنی فشار بخار جامد می باشد . خط OB منحنی ذوب می باشد. این منحنی ها در نقطه سه گانه ( نقطه O ) همدیگر را قطع می کنند . در این نقطه هر سه حالت جامد، مایع و بخار با یکدیگر در حال تعادل می باشند.
41
دی اکسید کربن یکی از این مواد می باشد و نمودار حالت آن در زیر نشان داده شده است .
42