يعتمد بعض الطلاب على المعلمين في استخراج مسائل تتعلق بقوانين الغازات لفهم سلوك الغازات، وكذلك لتحديد نوع القانون المناسب الواجب استخدامه في كل مسألة. في هذا المقال، سنستعرض معنى قوانين الغازات ونتناول بعض المسائل المتعلقة بها بشكل مفصل.
لتحميل مسائل على قوانين الغازات بصيغة PDF، يمكنك الضغط على الرابط هنا.
تعريف قوانين الغازات
على مر العصور، قام العلماء بوضع نماذج تفسر سلوك الغازات بناءً على مجموعة من العوامل، والتي سنوضحها فيما يلي:
- حجم الغاز باللتر.
- الضغط الذي يمارسه الغاز داخل الإناء.
- درجة الحرارة المطلقة للغاز بوحدة الكلفن.
- حساب كمية المادة الغازية أو عدد المولات التي يحتويها الغاز.
مسائل تتعلق بقوانين الغازات
سنقدم بعض المسائل التي تحتاج إلى تطبيق القوانين المعطاة لحلها، ومنها:
1- حساب الحجم النهائي للغاز
المسألة: ما هو الحجم النهائي (V2) لعينة من غاز حجمها الابتدائي (V1) يساوي 650 سم³ عند 25 درجة مئوية، إذا تم تسخينها إلى 400 درجة مئوية مع ثبات الضغط؟
لإيجاد حل المسألة، اتبع الخطوات التالية:
- نستخدم العلاقة: V1/ T1 = V2/ T2
- تعويض القيم وتحويل درجات الحرارة من مئوية إلى كلفن:
- 650 / (25 + 273) = V2 / (400 + 273)
- 650 / 298 = V2 / 673
- V2 = 650 (673 / 298)
- V2 = 1,468 سم³.
- تحويل الحجم إلى اللتر: V2 = 0.002 لتر.
2- حساب عدد مولات الغاز
المسألة: احسب عدد مولات الهيدروجين في 18 لترًا من الغاز عند ضغط 70 سم زئبقي ودرجة حرارة 27 درجة مئوية، مع العلم أن (R = 0.0821 L. atm/K . mol).
لحساب الحل، اتبع الخطوات التالية:
- P × V = n × R × T
- تعويض القيم مع تحويل الوحدات وفقًا للنظام العالمي:
- n = (0.0821 × (27 + 273)) / (70/67 × 18)
- مول n = 0.673.
3- حساب الحجم اللازم
المسألة: ما هو حجم الوعاء الضروري لاحتواء 0.0459 مول من غاز N2 تحت الظروف المعيارية، مع العلم بأن قيمة الثابت k = 22.4؟
لحساب الحل، يمكن مراجعة النقاط التالية:
- V = k × n
- تعويض القيم مباشرة حيث V هو حجم وعاء الغاز المطلوب لاحتواء 0.0459 مول من غاز النيتروجين في الظروف المعيارية.
- V = 0.0459 × 22.4
- V ≈ 1.3 لتر.
ما هو القانون العام للغازات
يمكننا الاستفادة من هذا القانون لفهم حركة جزيئات الغاز، حيث تتحرك عبر مسارات عشوائية وتتفاعل مع بعضها البعض داخل الإناء، مما يؤدي إلى توليد الضغط على وحدة المساحة واحتلال الغاز للحجم. الجزيئات ذات حجم صغير جدًا، مما يجعلها تحتل حيزًا ضئيلًا جدًا، وتوجد عوامل متعددة تؤثر عليها، وتشمل عدة قوانين مثل قانون بويل وقانون شارل وقانون جاي، بالإضافة إلى قوانين أخرى تحمل أسماء العلماء الذين وضعوا تلك القوانين. كل واحد من هذه القوانين يصف العلاقة بين الضغط والحجم ودرجة الحرارة وعدد مولات الغاز.
إليك 30 مسألة متنوعة حول قوانين الغازات مع الحلول:
1. قانون بويل:
إذا كان حجم 5 لترات من الغاز تحت ضغط 2 atm، فما سيكون حجمه عند ضغط 1 atm؟
- الحل:
- P1 × V1 = P2 × V2
- 2 atm × 5 L = 1 atm × V2
- V2 = 10 L
2. قانون شارل:
إذا كان حجم الغاز 3 لترات عند 300 كلفن، فما سيكون حجمه عند 600 كلفن؟
- الحل:
- V1/T1 = V2/T2
- 3 L / 300 K = V2 / 600 K
- V2 = 6 L
3. قانون جاي-لوساك:
إذا كان الضغط 1 atm عند 0 درجة مئوية، فما سيكون الضغط عند 100 درجة مئوية؟
- الحل:
- P1/T1 = P2/T2
- 1 atm / 273 K = P2 / 373 K
- P2 ≈ 1.36 atm
4. الغاز المثالي:
ما هو الضغط الناتج عن 2 مول من الغاز في 10 لترات عند درجة حرارة 300 كلفن؟
- الحل:
- PV = nRT ⟹ P = nRT/V
- P = (2 × 0.0821 × 300) / 10 ≈ 4.926 atm
5. حساب المولات:
إذا كان حجم الغاز 5 لترات وضغطه 1 atm عند 273 كلفن، كم مول من الغاز لديك؟
- الحل:
- n = PV / RT = (1 × 5) / (0.0821 × 273) ≈ 0.22 mol
6. قانون الغازات المثالية:
إذا كان لديك 1 مول من غاز مثالي عند درجة حرارة 298 كلفن، فما سيكون حجم الغاز عند ضغط 2 atm؟
- الحل:
- V = nRT/P = (1 × 0.0821 × 298) / 2 ≈ 12.2 L
7. المقارنة بين الضغوط:
إذا كان ضغط الغاز 3 atm عند 0 درجة مئوية، فما سيكون ضغطه عند 100 درجة مئوية إذا كانت نسبة الحجم ثابتة؟
- الحل:
- P2 = P1 × T2/T1 ≈ 4.1 atm
8. الحرارة والضغط:
إذا كان حجم الغاز 10 لترات عند 1 atm، فما سيكون الضغط إذا تم تسخينه إلى 400 كلفن؟
- الحل:
- P = nRT/V ≈ 3.28 atm
9. حساب الحجم:
لديك 4 مول من الغاز في درجة حرارة 350 كلفن وضغط 1 atm، ما هو حجم الغاز؟
- الحل:
- V = nRT/P ≈ 115.9 L
10. الغاز في الطقس:
إذا كان ضغط الغاز في يوم مشمس 1.5 atm وعند هطول المطر ينخفض إلى 1 atm، ما هي التغيرات التي تحدث في درجة الحرارة إذا بقي الحجم ثابتًا؟
- الحل:
- P1/T1 = P2/T2 ⟹ T2 = (2/3)T1
ختام المقال
باختصار، لقد تناولنا في هذا المقال معلومات متنوعة حول قوانين الغازات وبعض المسائل وحلولها، إضافة إلى التعريف بالقانون العام للغازات. تعتبر دراسة قوانين الغازات أساسية لفهم سلوك الغازات في مختلف الظروف.