ما هو الغاز المثالي؟ (مع أمثلة عليه)

ما هو الغاز المثالي؟

الغاز المثالي هو الغاز الذي يُفترض عدم وجود تفاعلات بين ذراته ضمن ظروف محددة من درجة حرارة مرتفعة وضغط منخفض، ويُمكن تعريف الغاز المثالي (بالإنجليزية: The Ideal Gas) بأنّه الغاز الذي تنطبق عليه قوانين الغازات كقانون بويل وقانون تشارلز، واللذين تمّ اشتقاق قانون الغاز المثالي منهما والذي يرتكز على ما يأتي:^[١]

• قوانين نيوتن في الحركة على حركة جزيئات الغازات غير المنتظمة.
• كثافة الغاز منخفضة جدًا مما يعني أنّ حجم الجزيئات أصغر بكثير من حجم الحيّز الذي يشغله الغاز ككل.
• لا تتأثر جزيئات الغاز بأي قوى خارجية باستثناء قوة التصادم قصيرة المدة.

أمثلة على الغاز المثالي

من الأمثلة على الغاز المثالي الموجود في الطبيعة (على افتراض عدم وجود أي تفاعل يُذكر بين ذرات الغاز أو جزيئاته المنفردة):^[٢]

• غاز الأكسجين ورمزه الكيميائي: O₂.
• غاز النيتروجين ورمزه الكيميائي: N₂.
• غاز ثاني أكسيد الكربون ورمزه الكيميائي: CO₂.
• الغازات الأخرى الموجودة في الغلاف الجوي للأرض.

قانون الغاز المثالي

عند دمج كل من قانون شارلز، وقانون بويل، وقانون جي لوساك يمكن اشتقاق قانون الغاز المثالي،^[٣] حيث ينص قانون الغاز المثالي على وجود علاقة تربط بين كلّ من الحجم والضغط ودرجة الحرارة لجميع الغازات ما لم يتواجد سبب ينفي وجود هذه العلاقة، ويمكن وصفه بشكل رياضي كالآتي:^[٤]

PV= nRT  

حيث إنّ:

• P: ضغط الغاز بوحدة باسكال (Pa).
• V: حجم الغاز بوحدة متر مكعب (m³).
• n: عدد المولات بوحدة المول (mol).
• R: ثابت يكافئ 8.31 جول/ (كلفن.مول).
• T: درجة الحرارة بوحدة كلفن (K).

كما يمكن استخدام القانون مع الوحدات الآتية:^[٤]

• P: ضغط الغاز بوحدة أتموسفير (atm).
• V: حجم الغاز بوحدة لتر (L).
• n: عدد المولات بوحدة مول (mol).
• R: ثابت يكافئ 0.082 (لتر.أتموسفير) / (كلفن.مول).
• T: درجة الحرارة بوحدة كلفن (K).

مسائل على قانون الغاز المثالي

فيما يأتي بعض المسائل لتوضيح كيفية تطبيق قانون الغاز المثالي بشكل رياضي:

مثال (1)

إذا كان ضغط الغاز الموجود داخل كرة سلة يكافئ 1.54 atm، وكان قطر الكرة مُقاسًا بالمترات يساوي 0.119 متر، وكانت درجة الحرارة داخل الكرة تعادل درجة حرارة الغرفة (25 درجة مئوية تقريبًا) فما عدد مولات الغاز الموجود داخل تلك الكرة؟^[٤]

الحل:

• الضغط: P= 1.54*1.013* 10^5 = 156000 Pa (بالتحويل إلى باسكال).
• الحجم: V= 4/3* π* (0.119) ^3= 0.00706 m3 (قانون حجم الكرة).
• درجة الحرارة: T= 25+273= 298 K (بالتحويل إلى كلفن).

باستخدام قانون الغاز المثالي (PV= nRT):

n= (156000*0.00706)/(8.31*298)

=0.445 مول.

مثال (2)

إذا كان حجم غاز ما يساوي 1 متر مكعب عند ضغط جوي مقداره 5*10^7 باسكال ودرجة حرارة مقدارها 300 كلفن، فما عدد مولات ذلك الغاز؟^[٣]

الحل:

لا يلزم أي تحويلات، يمكن تطبيق قانون الغاز المثالي بشكل مباشر، (PV= nRT) وبالتالي:

عدد المولات (n) = (5*10^7*1) / (8.31*300)

= 20,045 مول.

تطبيقات على قانون الغاز المثالي

يمكن استخدام قانون الغاز المثالي في العديد من التطبيقات، ومن ذلك ما يأتي:^[٥]

• حساب كثافات المواد (ρ): حيث إنّ الكثافة تعتمد بشكل مباشر على عدد المولات مع ثبات الحجم، ويتم ذلك من خلال المعادلة:

ρ= n/V

ومنه ρ= P/RT.

• حساب أحجام الغازات في التفاعلات الكيميائية (V): ويتم ذلك بالاعتماد على المعادلة الكيميائية الموزونة لتحديد العلاقة بين المواد المتفاعلة والمواد الناتجة بشكل دقيق، كما يمكن استخدام التحويلات بين الحجم والكتلة المولية، حيث إنّ

عدد المولات (n) = الكتلة/ الكتلة المولية.

ما الفرق بين الغاز المثالي والغاز الحقيقي؟

يمكن التمييز بين الغاز المثالي والغاز الحقيقي من خلال عدّة معايير، وهي كالآتي:^[٦]

• حجم الذرات أو الجزيئات مقارنة بالحجم الذي يشغله الغاز.
• مدى تطبيق نظرية الحركة الجزيئية.

في الواقع لا يوجد شيء يُجبر الغازات على التصرّف دائمًا كغاز مثالي يتميّز بعدم وجود قوى حركة جزيئية، وصغر حجم جزيئاته أو ذراته إلى حدّ كبير، فافتراض الغاز المثالي جاء أساسًا بهدف تسهيل التعامل مع الغازات وإمكانية تطبيق القانون العام للغاز المثالي عليها، إلّا أنّ هذا لا يحدث دائمًا، ومع ذلك فإن درجة الحرارة والضغط المتوافرين في مختبرات العمل الكيميائي توفّر عادةً ظروف تجعل سلوك الغاز الحقيقي كالمثالي ما يسمح بالتعامل معه على أساس ذلك، أمّا الغاز الحقيقي بشكل عام فلا يخضع لنظرية الحركة الجزيئية، وتحدث العديد من التصادمات والانجذابات بين جزيئاته وذراته.^[٦]

يمكن تواجد الغاز المثالي في ظل ظروف محدّدة يلزم توافرها لتحقيق فرضيات يستند إليها القانون العام، وهذه الظروف هي درجة الحرارة المرتفعة والضغط المنخفض، والتي تجعل الغاز يتحرك وفق النظرية الجزيئية للحركة وهذا هو الشرط الأساسي في اعتبار الغاز مثاليًا.

المراجع

1. ↑ "Perfect gas", britannica. Edited.
2. ↑ "What Are Examples of Ideal Gases?", reference. Edited.
3. ^ ^{أ ب} "Ideal Gas Law: Definition, Formula & Examples", sciencing. Edited.
4. ^ ^{أ ب ت} "What is the ideal gas law?", khanacademy. Edited.
5. ↑ "6.4: Applications of the Ideal Gas Equation", libretexts. Edited.
6. ^ ^{أ ب} "14.11: Real and Ideal Gases", libretexts. Edited.