ملخص كيمياء تانية ثانوي الترم الأول: قوانين الغازات

باختصار

«قوانين الغازات» (الفصل 4) من منهج الكيمياء للصف الثاني الثانوي، الترم الأول. الملخص مقسّم لـ: أهداف التعلم، المصطلحات والتعريفات الكيميائية، التفاعلات والمعادلات الكيميائية، الخواص والتركيب (الموضوع الأول)، التطبيقات والاستخدامات (الموضوع الثاني).

أهداف التعلم

فهم العلاقة بين الضغط والحجم للغاز عند ثبات درجة الحرارة (قانون بويل).
استيعاب العلاقة بين الحجم ودرجة الحرارة المطلقة للغاز عند ثبات الضغط (قانون شارل).
استخدام قانون الغاز الموحد لحساب أي من المتغيرات الثلاثة (الضغط، الحجم، درجة الحرارة) عندما لا يكون أحدها ثابتاً.
تمييز المتغيرات الثابتة والمتغيرة في مسألة الغاز وتحديد القانون المناسب.
تطبيق القوانين على مواقف حياتية (إطار دراجة، بالون طقس، أسطوانة غاز).
تجنب الأخطاء الشائعة في التعامل مع الوحدات ودرجة الحرارة المطلقة.

المصطلحات والتعريفات الكيميائية

المصطلح	التعريف
الغاز	مادة ذات جزيئات حرة الحركة، لا لها شكل ثابت ولا حجم ثابت، ويتوسع لملء أي حاوية.
الضغط (P)	القوة التي تمارسها جزيئات الغاز على وحدة مساحة داخل الحاوية؛ يُقاس بال باسكال (Pa).
الحجم (V)	المساحة التي يشغلها الغاز داخل الحاوية؛ يُقاس باللتر (L) أو المتر المكعب (m³).
درجة الحرارة المطلقة (T)	مقياس للطاقة الحرارية للغاز على مقياس كلفن (K)؛ لا يمكن أن تكون سلبية.
قانون بويل	علاقة عكسية بين الضغط والحجم عند ثبات درجة الحرارة.
قانون شارل	علاقة مباشرة بين الحجم ودرجة الحرارة المطلقة عند ثبات الضغط.
قانون الغاز الموحد (القانون المشترك)	يجمع بين قانون بويل وقانون شارل لتربط بين P, V, T معاً.
الضغط الثابت	حالة لا يتغير فيها الضغط أثناء تغير المتغيرات الأخرى.
الضغط المتغير	حالة يتغير فيها الضغط مع تغير المتغيرات الأخرى.
الغاز الموحد	نظام غازي يُطبق عليه القوانين الثلاثة معاً.
درجة الحرارة الثابتة	حالة لا يتغير فيها T أثناء تغير P أو V.
الغاز لا يتقلص حجمه	ملاحظة توضح أن الجزيئات لا تصغر حجمها عندما يزداد الضغط؛ إنما تقل المسافة بينها.
الضغط المطلق	الضغط المقاس على مقياس كامل دون أي تعديل.
الضغط النسبي	غير مذكور في النص؛ لا يُستعمل في هذا الفصل.
الغاز المثالي	غير مذكور صراحةً، لكن القوانين تُطبق على “كمية معينة من الغاز” كما في النص.

التفاعلات والمعادلات الكيميائية

قانون بويل

P1 × V1 = P2 × V2   (PV = ثابت)

نوع القانون: قانون فيزيائي (ليس تفاعل كيميائي).
الشروط: درجة الحرارة ثابتة (T = ثابت).
الملاحظة: عندما يزداد الضغط يقل الحجم عكسياً؛ لا يحدث تغير في عدد الجزيئات.

قانون شارل

V1 ÷ T1 = V2 ÷ T2   (V/T = ثابت)

نوع القانون: قانون فيزيائي.
الشروط: الضغط ثابت (P = ثابت).
الملاحظة: عند رفع درجة الحرارة المطلقة يزداد الحجم طردياً؛ لا يتغير عدد الجزيئات.

قانون الغاز الموحد (قانون بويل‑شارل)

P1 × V1 ÷ T1 = P2 × V2 ÷ T2   (PV/T = ثابت)

نوع القانون: قانون فيزيائي موحد.
الشروط: لا يُشترط ثبات أي من المتغيرات؛ يمكن أن يتغير P أو V أو T أو أكثر.
الملاحظة: يُستعمل لحساب المتغير المجهول عندما تكون القيم الأخرى معروفة.

مثال عددي (مسألة أ)

المعطى: V₁ = 200 mL = 0.200 L، P₁ = 4.0 × 10⁴ Pa، V₂ = 1.0 L، T ثابت.
المطلوب: P₂ = ؟

الحل باستخدام قانون بويل:

P₁ × V₁ = P₂ × V₂
P₂ = (P₁ × V₁) ÷ V₂
P₂ = (4.0 × 10⁴ Pa × 0.200 L) ÷ 1.0 L
P₂ = 8.0 × 10³ Pa

النتيجة: الضغط الجديد ≈ 8.0 × 10³ Pa (بدقة رقمين معنويين).

مثال عددي (مسألة ب)

المعطى: V₁ = 60 L، T₁ = 27 °C = 300 K، P₁ = 1.0 × 10⁵ Pa؛ T₂ = 87 °C = 360 K، P₂ = 2.5 × 10⁵ Pa.
المطلوب: V₂ = ؟

الحل باستخدام قانون الغاز الموحد:

P₁ × V₁ ÷ T₁ = P₂ × V₂ ÷ T₂
V₂ = (P₁ × V₁ × T₂) ÷ (P₂ × T₁)
V₂ = (1.0 × 10⁵ Pa × 60 L × 360 K) ÷ (2.5 × 10⁵ Pa × 300 K)
V₂ ≈ 28.8 L

النتيجة: الحجم الجديد ≈ 2.9 × 10¹ L (بدقة رقمين معنويين).

الخواص والتركيب (الموضوع الأول)

الغازات لا تمتلك شكلًا ثابتًا؛ تتخذ شكل الحاوية التي توضع فيها.
الضغط ينتج عن اصطدام الجزيئات بجدران الحاوية؛ كلما زادت سرعة الجزيئات (ارتفاع T) زاد الضغط.
العلاقة العكسية بين P و V (قانون بويل) تُظهر أن تقليل الحجم يزيد عدد الاصطدامات في وحدة الزمن، وبالتالي يرفع الضغط.
العلاقة الطردية بين V و T (قانون شارل) تُظهر أن رفع درجة الحرارة المطلقة يوسع المسافات بين الجزيئات، فيزيد الحجم إذا كان الضغط ثابتًا.
القانون المشترك يدمج السلوكين؛ يسمح بحساب أي متغير عندما تكون القيم الأخرى معروفة.
الضغط لا يتسبب في تقليص حجم الجزيئات نفسها؛ إنما يقل المسافة بين الجزيئات (ملاحظة في النص).

التطبيقات والاستخدامات (الموضوع الثاني)

التطبيق	كيف تُستَخدم القوانين
إطار دراجة تحت الشمس	ارتفاع T يؤدي إلى زيادة V إذا كان P ثابتًا؛ لكن الإطار صلب، لذا يزداد P داخل الإطار، ما يجعل الإطار يبدو أكثر صلابة.
بالون طقس يرتفع	مع ارتفاع الارتفاع يقل الضغط الخارجي؛ وفقًا لقانون بويل يتسع حجم الغاز داخل البالون، ومع ارتفاع T (الهواء الدافئ) يزداد الحجم أكثر.
وعاء غاز محكم في الفريزر	انخفاض T يؤدي إلى تقليل V إذا كان P ثابتًا؛ لكن الحاوية صلبة، لذا يزداد P داخل الوعاء، ما قد يسبب خطر الانفجار إذا لم يُؤخذ في الاعتبار.
تصميم أسطوانة غاز للمستشفيات	يُستَخدم القانون المشترك لتحديد الحد الأقصى للضغط عند درجات حرارة تشغيل مختلفة، لضمان سلامة الأسطوانة.
تنبؤ سلوك الغاز في الصناعات	يُستَخدم قانون بويل لتحديد حجم الغاز عند ضغط معين، وقانون شارل لتحديد تأثير الحرارة على حجم التخزين.

جدول مقارنة

الخاصية	قانون بويل	قانون شارل	قانون الغاز الموحد
العلاقة	P × V = ثابت (عكسي)	V ÷ T = ثابت (طردي)	P × V ÷ T = ثابت
المتغير الثابت	T	P	لا شرط ثابت
المتغير المتغير	P أو V	V أو T	أي من P, V, T
الوحدات	P (Pa)، V (L)	V (L)، T (K)	P (Pa)، V (L)، T (K)
التطبيق	حساب الضغط عند تغير الحجم	حساب الحجم عند تغير الحرارة	حل مسائل متعددة المتغيرات

مسائل محلولة

مسألة 1

المعطى: حجم الغاز 200 mL عند ضغط 4.0 × 10⁴ Pa. يُغيّر الحجم إلى 1.0 L مع بقاء درجة الحرارة ثابتة.
المطلوب: حساب الضغط الجديد.

الحل:

تحويل الحجم إلى لتر: 200 mL = 0.200 L.
استعمال قانون بويل: P₁ × V₁ = P₂ × V₂.
P₂ = (P₁ × V₁) ÷ V₂ = (4.0 × 10⁴ Pa × 0.200 L) ÷ 1.0 L = 8.0 × 10³ Pa.

النتيجة: الضغط الجديد = 8.0 × 10³ Pa.

مسألة 2

المعطى: 60 L من الغاز عند 27 °C (300 K) وضغط 1.0 × 10⁵ Pa. يُغيّر إلى 87 °C (360 K) وضغط 2.5 × 10⁵ Pa.
المطلوب: حساب الحجم الجديد.