ملخص اتزان السائل والبخار وضغط البخار — ثانية ثانوي

مقدمة

المادة: الكيمياء
المسار: مسار الهندسة وعلوم الحاسب
الوحدة: الفصل الأول: حالات المادة

عندما تسخّن الماء لإعداد الشاي تظهر فجأة فقاعات كبيرة تصعد من القاع. ماذا يوجد داخل هذه الفقاعات؟ ولماذا لا تظهر إلا عندما تصل درجة الحرارة إلى حد معين؟ ولماذا تطهو «حلة الضغط» الطعام أسرع؟ الإجابة عن هذه الأسئلة تكمن في مفهوم ضغط البخار وفي التوازن الخفي بين جزيئات تغادر السائل وأخرى تعود إليه.

أهداف التعلم

أن تحوّل بين وحدات الضغط: $\text{Pa}$ و $\text{hPa}$ و $\text{atm}$ و $\text{mmHg}$ .
أن تفسّر الاتزان الديناميكي بين السائل وبخاره في وعاء مغلق.
أن تعرّف ضغط البخار المشبع وتحدد العوامل التي تؤثر فيه والتي لا تؤثر.
أن تستخدم منحنيات ضغط البخار لتحديد درجات الغليان ومقارنة القوى بين الجزيئات.
أن تحسب الضغط باستخدام ارتفاع عمود الزئبق.

شرح الدرس

وحدات الضغط

الضغط هو القوة المؤثرة عموديًّا على وحدة المساحة. الباسكال $(\text{Pa})$ هو الضغط الناتج عن قوة $1\ \text{N}$ على مساحة $1\ \text{m}^2$ .

الوحدة	ما تعادله
$1\ \text{hPa}$ (هكتوباسكال)	$100\ \text{Pa}$
$1\ \text{atm}$ (ضغط جوي معتاد)	$1.013\times10^{5}\ \text{Pa}=1013\ \text{hPa}=760\ \text{mmHg}$

الاتزان بين السائل والبخار

ضع ماءً في وعاء مغلق. تحدث عمليتان في الوقت نفسه:

التبخر: جزيئات ذات طاقة حركية عالية تفلت من سطح السائل وتصبح بخارًا.
التكثف: بعض جزيئات البخار تصطدم بالسطح وتعود سائلًا.

جزيئات السائل لا تمتلك كلها الطاقة الحركية نفسها؛ فبعضها سريع وبعضها بطيء. في البداية يكون التبخر أسرع، ومع تراكم البخار يزداد معدل التكثف حتى يتساوى المعدلان. عندها يبدو أن كل شيء توقف، لكن الحركة لا تتوقف؛ لذلك تسمى هذه الحالة اتزانًا ديناميكيًّا بين السائل والبخار.

ضغط البخار المشبع

هو ضغط البخار المؤثر على سطح السائل عند الاتزان بين السائل والبخار، ويسمى اختصارًا ضغط البخار.

عوامل تؤثر فيه:

درجة الحرارة: بارتفاعها يزداد عدد الجزيئات عالية الطاقة، فيزداد ضغط البخار. والمنحنى الذي يمثل ذلك يسمى منحنى ضغط البخار.
نوع المادة: المادة ذات القوى الأضعف بين جزيئاتها تتبخر أسهل، فيكون ضغط بخارها أعلى عند درجة الحرارة نفسها: ثنائي إيثيل إيثر $>$ الإيثانول $>$ الماء.

عامل لا يؤثر فيه: حجم الوعاء أو كمية السائل؛ فما دام السائل موجودًا ودرجة الحرارة ثابتة يبقى ضغط البخار ثابتًا. فإذا كبّرنا الحجم تبخر مزيد من السائل حتى يعود الضغط إلى قيمته نفسها.

منحنيات ضغط البخار لثنائي إيثيل إيثر والإيثانول والماء؛ كل منحنى يقطع خط الضغط الجوي عند درجة غليان المادة: 34.6 و78.4 و100 درجة سيلزيوس

الغليان

الغليان هو تكوّن البخار داخل باطن السائل (فقاعات) وليس على سطحه فقط، ويحدث عندما:

\text{ضغط البخار}=\text{الضغط الخارجي (الجوي)}

لذلك فإن درجة الغليان تتغير بتغير الضغط الخارجي:

على قمة جبل (ضغط أقل) يغلي الماء عند درجة أقل من $100\,^{\circ}\text{C}$ ، فيطهى الطعام ببطء.
في حلة الضغط يُحبس البخار فيرتفع الضغط الداخلي، فيغلي الماء عند درجة أعلى من $100\,^{\circ}\text{C}$ وينضج الطعام أسرع.

والفقاعات التي تراها عند الغليان مملوءة ببخار الماء، لا بالهواء.

عمود الزئبق وقياس الضغط

إذا مُلئ أنبوب زجاجي مغلق من طرف واحد بالزئبق ثم قُلب في حوض زئبق، ينزل الزئبق حتى يستقر عمود ارتفاعه $h$ ، ويصبح الجزء العلوي من الأنبوب فراغًا.

ارتفاع العمود يتناسب طرديًّا مع الضغط الجوي: عند $1\ \text{atm}$ يكون $h=760\ \text{mm}$ .
إذا أُدخل غاز أو بخار إلى الفراغ أعلى العمود، ينخفض العمود بمقدار يساوي ضغط هذا الغاز مقدرًا بـ $\text{mmHg}$ .

أمثلة وتطبيقات

مثال 1: حوّل $0.50\ \text{atm}$ إلى $\text{Pa}$ و $\text{mmHg}$ .

$0.50\times1.013\times10^{5}\approx5.07\times10^{4}\ \text{Pa}$ ، و $0.50\times760=380\ \text{mmHg}$ .

مثال 2: إذا كان الضغط الجوي $4.052\times10^{4}\ \text{Pa}$ فما ارتفاع عمود الزئبق؟

بالتناسب: $\frac{h}{760}=\frac{4.052\times10^{4}}{1.013\times10^{5}}=0.40$ ، إذن $h=0.40\times760=304\ \text{mm}$ .

مثال 3: عند $1.013\times10^{5}\ \text{Pa}$ كان ارتفاع العمود $760\ \text{mm}$ . أُدخلت قطرات من سائل إلى الفراغ فتبخر جزء منها وبقي سائل، فاستقر العمود عند $712\ \text{mm}$ . ما ضغط البخار المشبع للسائل؟

$760-712=48\ \text{mmHg}$ ، أي $\frac{48}{760}\times1.013\times10^{5}\approx6.4\times10^{3}\ \text{Pa}$ .

مثال 4: من منحنيات ضغط البخار في الشكل: أي المواد الثلاث تتبخر أسرع عند $20\,^{\circ}\text{C}$ ؟ ثنائي إيثيل إيثر؛ لأن ضغط بخاره هو الأعلى، أي أن القوى بين جزيئاته هي الأضعف.

ملاحظات مهمة

التبخر يحدث عند أي درجة حرارة ومن السطح فقط، أما الغليان فيحدث عند درجة محددة ومن باطن السائل.
في حالة الاتزان لا يتوقف التبخر ولا التكثف؛ بل يتساوى معدلاهما.
ضغط البخار المشبع لا يتغير بتغير حجم الوعاء ما دام في الوعاء سائل ودرجة الحرارة ثابتة.
انخفاض عمود الزئبق (بالمليمتر) يساوي ضغط الغاز المُدخل (بـ $\text{mmHg}$ ).

المفاهيم الأساسية

$1\ \text{atm}=1.013\times10^{5}\ \text{Pa}=1013\ \text{hPa}=760\ \text{mmHg}$ .
الاتزان بين السائل والبخار: معدل التبخر $=$ معدل التكثف.
ضغط البخار يزداد بارتفاع درجة الحرارة وبضعف القوى بين الجزيئات.
شرط الغليان: ضغط البخار يساوي الضغط الخارجي.

ملخص الدرس

في الوعاء المغلق يصل السائل وبخاره إلى اتزان ديناميكي يتساوى فيه معدلا التبخر والتكثف، ويسمى ضغط البخار عندها ضغط البخار المشبع. هذا الضغط يزداد بارتفاع درجة الحرارة ويختلف من مادة لأخرى حسب قوة التجاذب بين جزيئاتها، لكنه لا يتأثر بكمية السائل أو حجم الوعاء. ويغلي السائل حين يصل ضغط بخاره إلى الضغط الخارجي، ولذلك تتغير درجة الغليان بتغير الضغط، ويمكن قياس الضغوط بعمود الزئبق.

أسئلة للتدريب

حوّل $1520\ \text{mmHg}$ إلى $\text{atm}$ و $\text{Pa}$ .
فسّر: الفقاعات التي تتكون عند غليان الماء لا تحتوي هواءً.
أيهما يغلي عند درجة حرارة أعلى: الماء في القاهرة أم على قمة جبل سانت كاترين؟ ولماذا؟
أُدخل بخار إلى الفراغ أعلى عمود زئبق ارتفاعه $760\ \text{mm}$ فأصبح $705\ \text{mm}$ . احسب ضغط البخار بوحدة $\text{Pa}$ .
ما أثر مضاعفة حجم وعاء مغلق يحتوي ماءً وبخاره على ضغط البخار عند ثبوت درجة الحرارة؟