التعرف على خصائص الغازات: دليل شامل للفهم

ما هي خصائص الغازات؟

تعد الغازات (بالإنجليزية: gases) من حالات المادة متغيرة الشكل والحجم، كما أن لديها قابلية للتمدد، والانتشار، والضغط، وتمتلك عدد من الخصائص التي تميزها عن غيرها من حالات المادة.¹

الكثافة القليلة

يتميز الغاز بكثافته القليلة مقارنة بغيره من حالات المادة، وذلك بسبب تباعد جزيئاته المفعمة بالطاقة الحركية عن بعضها بعضًا؛ نتيجة انعدام قوة الارتباط بينها.²

تسهم الكثافة القليلة بجعل الغاز أكثر سيولة، إذ تتحرك جزيئاته بسرعة عالية جدًا، مما يؤدي إلى تصادمها ببعضها بعضًا مسببةً انتشار جزيئات الغاز في الأسطوانة المملوءة به بالتساوي حسب مساحتها.²

القابلية للانضغاط

يتميز الغاز بوجود مساحة كبيرة جدًا بين جزيئاته، لذا يؤدي التأثير على الغاز بقوة ضغط معينة إلى اقتراب تلك الجزيئات من بعضها بعضًا، وبالتالي تقلص حجمه عما كان عليه.³

يتناسب حجم الغاز عكسيًا مع الضغط المؤثر، فكلما ازداد الضغط على الغاز قل حجمه، فمثلًا؛ عند زيادة الضغط من 1 (atmosphere) إلى 2 (atmosphere) فإن حجم الغاز سيقل إلى النصف.³

الانتشار والضغط 

يتميز الغاز بخاصية الانتشار حيث يسمح لجزيئاته بالانتشار داخل أي وعاء موضوع به، دون أهمية لشكل الوعاء وحجمه، وذلك بسبب ضعف قوى الترابط بين جزيئاته، ووجود المساحة الكبيرة بينها، إذ يمكن أن تختلط جزيئات نوعان من الغاز بكل سهولة، وبسرعة عالية، لتشكل خليط متجانس.⁴

تتحرك جزيئات الغاز باستمرار فتمارس الضغط على مساحة السطح الداخلي للوعاء المملوءة به، ويختلف الضغط المؤثر على سطح الوعاء وفقًا لعدة عوامل مثل: كمية الغاز الموجودة في الوعاء، ودرجة الحرارة، والضغط.⁴

ليس لها شكل أو حجم محدد

يتميز الغاز بالحركة العشوائية التي تتيح له إمكانية التمدد والتقلص حسب حجم الأسطوانة الموجود فيها، وبما يوافق شكلها، لذا فإن حجم الغاز يساوي مساحة الأسطوانة الموجود فيها، بالتالي نجد أنه لا يوجد للغاز حجم أو شكل ثابت، إنما يتخذ حجم وشكل الوعاء الذي يوضع به.⁵

تأخذ المواد في الحالة الغازية مساحة أكبر من التي تأخذها في الحالة الصلبة، أو السائلة.⁵

التوسع

يتمدد الغاز ويتوسع بارتفاع درجة الحرارة؛ إذ تعمل درجة الحرارة على زيادة الطاقة الحركية لدى جزيئات الغاز، وبالتالي ابتعادها عن بعضها البعض، كما أن إزاحة الضغط عن الغاز يؤدي إلى توسع جزيئاته وتمدده.⁶

الغاز المثالي والغاز الحقيقي

يطابق الغاز المثالي (بالإنجليزية: Ideal Gas) النظرية الحركية الجزيئية للغازات (بالإنجليزية: Kinetic theory of gases) ويتميز الغاز المثالي بخصائص نظرية الغاز المثالي،⁷ وهي:

• جزيئات الغاز المثالي لا تتخذ أي حجم أو كتلة معينة.
• لا تنجذب جزيئاته الغاز المثالي لبعضها البعض، بمعنى أنه لا يوجد قوى ترابط فيما بينها.
• اصطدامات جزيئات الغاز المثالي مرنة، وطاقتها الحركية ثابتة.

أما الغاز الحقيقي (بالإنجليزية: Real gas) فلا تنطبق عليه شروط الغاز المثالي، وذلك لأنه يتميز بعدة خصائص،⁷ وهي:

• جزيئاته ترتبط بقوى جذب.
• جزيئاته ذات حجم وكتلة محددتان.
• التصادمات غير مرنة بين الجزيئات.
• الطاقة الحركية غير ثابتة، لكن إذا توفر ضغط معين، ودرجة حرارة محددة من الممكن أن يقترب من سلوك الغاز المثالي، وعند وجود درجة حرارة منخفضة، وضغط مرتفع يبتعد عن سلوك الغاز المثالي، نتيجة انخفاض الطاقة الحركية، وقلة التصادمات، وازدياد المسافة بين جزيئات الغاز.

مفهوم النظرية الحركية للغازات

تعتمد النظرية الحركية للجزيئات (بالإنجليزية: Kinetic theory of gases) على وصف جزيئي يُستمد منه الخصائص العامة للغازات، وضعها العالم البريطاني (James Clerk Maxwell) والعالم النمساوي (Ludwig Boltzmann) في القرن 19.⁸

تعتمد النظرية الحركية على العديد من الافتراضات، ومنها ما يأتي:⁸

• يتكون الغاز من جزيئات متطابقة ومتحركة بشكل عشوائي، وبينها مسافات كبيرة مقارنة بحجمها، وذلك نتيجة لضعف قوى الارتباط فيما بينها.
• يحدث تصادم مرن بين جزيئات الغاز أي أنه لا يسبب هذا التصادم فقد للطاقة، وتكون هذه التصادمات بين جزيئات الغاز مع بعضها من ناحية، وجزيئات الغاز مع الوعاء الموضوعة فيه من ناحية أخرى.
• يحدث انتقال للطاقة الحركية بين جزيئات الغاز.

وتفسر النظرية الحركية للغازات أن كمية الضغط على جدران الأسطوانة الموجود بداخلها تعتمد على كثافة جزيئات الغاز، وارتفاع درجة الحرارة، والتي بدورها تزيد من حركة الجزيئات وتصادمها، وتسهم النظرية في اشتقاق خصائص عدة للغاز مثل اللزوجة، والتوصيل الحراري، والكهربائي، والانتشار، والسعة الحرارية، والتنقل.