شیمی فیزیک و پاسخ به سوالات

می توان این شاخه از شیمی را بخشی از علم شیمی دانست که در آن ، از اصل ها و قواعد و قانون های فیزیک جهت حل کردن مسئله استفاده می شود . و یا می توان گفت که یکی از اهداف این شاخه از شیمی ، یاد گرفتن اصول تئوری فیزیک برای توجیه کرده پدیده های شیمیایی است . یکی از زیر مجموعه های این دانش، ترمودینامیک شیمیایی است که به کمک آن می توان در باره امکان انجام یک واکنش و یا انجام ناپذیر بودن آن نظر داد . به طور مثال می توان بررسی کرد که چرا نمک طعام $\small NaCl$ ، خود به خود نمی تواند در شرایط عادی به عناصر سازنده اش تبدیل شود .

ارتباط شیمی فیزیک با سایر علوم : این ارتباط می تواند کاربردهای اقتصادی و اجتماعی این علم را بیان کند. به عنوان مثال ، با مطالعه الکتروشیمی ، به پایه و اساس پدیده‌های طبیعی مانند خوردگی فلزات پی برده و می‌توان از ضررهای اقتصادی و اجتماعی چنین پدیده‌هایی جلوگیری کرده و یا این پدیده‌ها را به مسیری مفید برای جامعه سوق داد. علاوه بر آن ، کاربردقوانین ترمودینامیک مانند “نقطه اتکیتک” در جلوگیری از ضررهای جانی و مالی پدیده‌های طبیعی مانند یخ بندان بعد از بارش برف ، بسیار مفید می‌باشد (مخلوط کردن برف و نمک بر اساس نقطه اتکیتک). و یا این که تمامی باطری‌ها و پیلهایی که وسایل زندگی ما با نیروی آنها بکار گرفته می‌شوند، براساس قوانین شیمی فیزیک ساخته شده‌اند.

سوال : مفهوم مول چیست ؟ یک مول ، مقداری از جسم است که تعداد ذرات آن ( اتم ها ، مولکول ها ، یون ها یا دیگر ذرات معین ) دقیقا با تعداد اتم های موجود در 12 گرم از کربن – 12 برابر باشد ، به تجربه ثابت شده که این تعداد $\small 6.02\times10^{23}$ تقریبا است .اگر نمونه ای دارای N ذره باشد مقدار ماده موجود در آن $\small n=\frac{N}{N_{A}}$ بوده که $\small N_{A}$ ثابت آووگادرو است . توجه داشته باشید که ثابت آووگادرو کمیتی با واحد است نه یک عدد خالص . سوال : مفهوم قانون بویل چیست ؟ طبق این قانون فشار و حجم مقدار ثابتی از گاز در دمای ثابت با تقریبی خوب به صورت :ثابت $PV=$ با هم در ارتباط هستند . یعنی در دمای ثابت ، فشار یک نمونه گاز با حجمش نسبت عکس داشته و حجم اشغال شده به وسیله گاز نیز با فشارش نسبت عکس دارد . یعنی می توان نوشت که : $\small P\alpha \frac{1}{V}\hspace{0.5cm}V=\frac{1}{P}$ منحنی تغییر فشار گاز نسبت به حجم گاز ، منحنی های هذلولی شکل هستند و اگر نمودار فشار گاز برحسب معکوس حجم را بررسی کنیم ، نمودار های خطی خواهند بود که از مبدا می گذرند . قانون بویل فقط در فشارهای پایین صادق است و گازهای حقیقی فقط وقتی که فشار گاز به سمت صفر میل می کند $\small (P\longrightarrow 0)$ از این قانون تبعیت می کنند. اگر بخواهیم قانون بویل را به صورت مولکولی توصیف کنیم می توان گفت که اگر نمونه ای از گاز تا نصف حجمش متراکم شود ، آن گاه تعداد مولکول هایی که در یک محدوده زمانی به دیواره های ظرف برخورد می کنند ، دو برابر قبل از متراکم شدن گاز است . درنتیجه نیروی متوسط اعمال شده بر دیوارها دو برابر می شود از این رو وقتی که حجم نصف شده باشد فشارگاز دو برابر شده و $\small P\times V$ مقداری ثابت باقی می ماند .

دلیل این که چرا قانون بویل بدون توجه به ماهیت شیمیایی گازها برای همه آنها به کار برده می شود ، ( فقط باید فشار پایین باشد ) این است که در فشارهای پایین ، فاصله متوسط مولکول ها به قدری زیاد است که روی یکدیگر تاثیری ندارند و مستقل از هم حرکت می کنند .

سوال : اثر دما روی یک نمونه گاز در فشارثابت چگونه است ؟ شارل و گیلوساک اثر دما را روی حجم یک نمونه گاز در فشارثابت مطالعه کردند و آن دو به طور مستقل دریافتند که در فشارهای کم و بدون توجه به ماهیت گاز ، حجم یک نمونه گاز با دما به طور خطی افزایش می یابد . یعنی می توان گفت که : ثابت= $\small \frac{V}{T}$ و این که نمودار تغییرات حجم برجسب دما حط های راستی هستند که از مبدا گذشته و درواقع خطوط هم فشار هستند .

قانون شارل -گیلوساک را می توان به فرم های مقابل نوشت . ( در فشار ثابت ) : ثابت $\small V=T\times$ و یادر ( حجم ثابت ) : ثابت $\small P=T\times$ که در آن فشار یک نمونه گاز در حجم ثابت اندازه گیری می شود . این فرم قانون شارل نشان می دهد که با کاهش دما به سمت صفر ، فشار گاز هم به سمت صفر میل می کند . برای توصیف مولکولی قانون شارل می توان از این حقیقت استفاده کرد که با افزایش دمای یک نمونه گاز ، سرعت متوسط مولکول های آن بیشر شده و با تناوب بیشتر و ضربه محکم تری به دیواره ها برخورد می کنند . از این رو به دیواره های ظرف فشار بیشتری اعمال می کنند . از قانون شارل- گیلوساک نتیجه دیگری هم گرفتیم که در یک فشار و دمای مشخص ، حجم مولی یا حجم یک مول از مولکول های یک گاز بدون توجه به ماهیت و نوع گاز یکسان خواهد بود . که این گفته شکل تازه ای از اصل آووگادرو است که بیان می کند در دما و فشارثابت ، حجم های مساوی از گازها شامل تعداد یکسانی از مولکول ها خواهند بود .

سوال : در یک فرایند صنعتی ، نتیروژن دریک ظرف با حجم ثابت تا دمای 500K حرارت داده می شود . اگر این گاز در دمای 300K با فشار 100atm وارد ظرف شود و رفتار گازکامل را داشته باشد ، در دمای 500K چه فشاری اعمال خواهد کرد ؟ ( گاز کامل ، یعنی گازی که از قانون عمومی گاز ها تبعیت کند . ) انتظار داریم که فشار بیشتر باشد ، چون دما افزایش یافته است . جون فشار متناسب با دماست پیش بینی می شود که فشار با ضریب افزایش یابد که دمای اولیه و دمای نهایی است . و حجم ثابت پس خواهد بود

$\small \frac{P_{1}}{T_{1}}=\frac{P_{2}}{T_{2}}\hspace{0.5cm}\rightarrow P_{2}=\frac{T_{2}}{T_{1}}\times P_{1}\hspace{0.5cm}P_{2}=\frac{500K}{300K}\times {(100atm})=167 atm$

اگر مقدار مشاهد شده از آزمایش برابر 183atm باشد ، تقریبا 10% خطای منفی خواهد داشت . اگر مقدار واقعی را با $\small T_[v]$ و مقدار تجربی و مشاهد شده را با $\small O_{v}$ نشان دهیم می توان درصد خطا را به این روش حساب کرد . $\small %=\frac{T_{v}-O_{v}}{T_{v}}\times100\hspace{1cm}%=\frac{167-183}{167}\times100=-9.6%$

سوال : مفهوم قانون گاز کامل چیست ؟ اگر معادلات بویل و گیلوساک را در هم ادغام کنیم ، ( ثابت $\small PV=nT\times$ ) وقتی که n و T ثابت باشند این عبارت با قانون بویل ( ثابت = $\small PV$ ) همخوانی دارد ، وقتی که n و V یا P ثابت نگه داشته شود ، را بطه : ثابت $\small PV=nT\times$ با هر دو فرم قانون شارل ( $\small P\alpha T$ و $\small V\alpha T$ ) سازگار بوده و وقتی که P و T ثابت باشند با اصل آووگادرو ( $\small V\alpha n$ ) سازگار است . ثابت تناسب برای تمام گازها یکسان و با R نمایش داده شده و ثابت گاز نامیده می شود ، که عبارت 🙁 ثابت $\small PV=nT\times$ ) معادله گاز کامل بوده و زمانی که فشار گاز به سمت صفر میل می کند دقیق تر خواهد بود . گازهای حقیق در فشارهای پایین تر ، بیشتر شبیه یک گازکامل رفتار می کند . مقدار ثابت عمومی گازها : $\small R=0.082L.atm/mol.K=8.314J/mol.K=1.98cal/mol.K$

سوال : قانون های انجماد ( منجمد شدن ) ، شامل چه مواردی می شود ؟ قانون هایی که به ویژگی های عمل انجماد و تاثیر عامل های بیرونی بر نقطه انجماد مربوط هستند ، این گونه بیان می شوند .

قانون اول : در فشار معین ، هرمایع در دمای معینی آغاز به انجماد می کند که آن را دمای انجماد یا نقطه انجماد می نامند . اگر فشار هوا برابر 1 اتمسفر باشد ، دمای انجماد هر مایع را « نقطه انجماد نرمال » آن نیز می نامند . مثلا آب در فشار یک اتمسفر ، در دمای صفر درجه سلسیوس آغاز به انجماد ( یخ زدن ) می کند .

قانون دوم : دمای انجماد یک مایع خالص ، در تمام مدت زمان انجماد آن ثابت می ماند .

قانون سوم : ضمن منجمد شدن مایع ها ، به طور کلی حجم آنها کاهش می یابد . ( زیرا عمل انجماد گرماده است ، و با کاهش سطح انرژی مواد ، از دامنه و شدت جنبش های مولکولی کاسته می شود و میزان بی نظمی کاهش می یابد . این تغییر ها با افزایش نظم و کاهش فاصله بین مولکولی همراه است و سرانجام به سمت بلوری شدن کشیده می شود . ) مگر در مورد چند مایع که به هنگام انجماد ، به علت تشکیل ساختار بلوری باز ، حجم افزایش می یابد . مانند آب و بیسموت مایع

قانون چهارم : یک مول از هر مایع در فشار معین ، مقدار معینی گرما از دست می دهد ، تا بدون تغییر دما در همان دمای انجماد تغییر حالت دهد و از حالت مایع به حالت جامد تبدیل شود . این مقدار گرمای آزاد شده را گرمای نهان ذوب آن می نامند .

قانون پنجم : افزایش فشار وارد شده بر سطح هر مایع سبب بالارفتن دمای انجماد ( نقطه انجماد ) آن می شود . ( زیرا عمل انجماد با کاش حجم همراه است ، و فشار عامل کاهش دهنده حجم است . ) مگر در مورد مایع هایی مانند : آب ، چدن مذاب و بیسموت مذاب ، ( بیسموت یک فلز نسبتاً شکننده و دارای یک درخشش فلزی نقره ای است . Bi دیامغناطیس ترین فلز با بلورهایی سخت و درشت است. این فلز هنگامی که در حالت مذاب جامد شود ۳.۳ درصد انبساط را تجربه می کند. رسانایی الکتریکی آن بسیار ضعیف است اما در حالت مایع تا حدودی بهتر از جامدعمل می کند. این ماده از نظر هدایت حرارتی ضعیف تر از همه فلزات به جز جیوه است.)