الغازات في الكيمياء

الغازات في الكيمياء

تعتبر الحالة الغازية أكثر حالات المادة حرية في حركة الجزيئات، فجزيئات الغاز تتحرك بشكل متواصل وتستطيع أن تؤثر في تحريك الأشياء باندفاعها، وهو الأمر الذي نراه في الأعاصير، وتشمل الخواص المستخدمة في وصف الغازات كلاً من درجة الحرارة، وضغط الغاز، والكم، والحجم الذي يشغله الغاز من الفراغ.

ويستطيع ضغط الهواء التسبب في انفجارات كبيرة إذا ما حدث من جوانب دون غيرها، أما إذا ما كان الضغط من جميع الجهات فإنه لا يؤدي إلى الانفجار، وهو ما يفسر عدم تأثير هذا الضغط على الإنسان أثناء التنفس، وتعتبر المهمة الرئيسية للمهندسين الكيميائيين هي تحديد خواص الغازات الناتجة عن التفاعلات الصناعية وتوفير التهوية لها أو احتوائها بما يناسب حجمها وانبعاثها لضمان أن لا تتسبب هذه الغازات في انفجار الأدوات والعبوات التي تحويها.

ويوجد عدد من القوانين التي تختص بالغازات، فالنظرية الحركية لجزيئات الغازات تنص على أن الغازات تتكون من جزيئات منفردة، وهذه الجزيئات في حالة حركة ثابتة، وينص قانون بويل للضغط على أنه كلما قل الحجم زاد الضغط، فنفس المقدار من الغاز إذا وضع في زجاجة صغيرة الحجم وزجاجة كبيرة الحجم فإن ضغطه على الزجاجة الصغيرة سيكون أكبر.

وتسمى حركة جزيئات الغاز بالانتشار، وتزداد حركة جزيئات الغاز بارتفاع درجة الحرارة لكونها تمدها بالمزيد من الطاقة، كما تزداد حركتها بنقصان الكتلة، فالجزيئات ذات الكتلة الكبيرة تتحرك بشكل أبطأ، وقد تم اكتشاف العلاقة بين درجة الحرارة وتمدد الغاز نتيجة لجهود عدد من التجريبيين الذين كانوا يلاحظون هذا السلوك في المنطاد الهوائي، فالهواء الساخن يتمدد مالئاً البالون الخاص بالمنطاد، ويكون فقاقيع تصعد به لأعلى.

وما وضع مقياس كالفن للحرارة إلا ليضيف مدىً أوسع لقياس حرارة الغازات، فيمكن من خلاله تحديد درجات حرارة تقل عن الصفر بكثير، ويطلق عليه اسم القياس المطلق لدرجة الحرارة.

أما قانون أفوجادرو فينص على أن عدداً متساوياً من المولات يوجد في الغازات ذات الأحجام المتساوية ما دام الضغط ودرجة الحرارة لم يتم تغييرهما في الوقت نفسه، ومنه تم استخلاص المعادلة المثالية للغاز، والتي يمكن من خلالها استخدام الخواص المعلومة للغاز لإيجاد الخاصية غير المعلومة، حيث تجمع المعادلة بين الضغط والحجم ودرجة الحرارة وعدد المولات.

أهم الغازات في الهواء

النيتروجين

يتكون الهواء من النيتروجين بنسبة70% والأكسجين والأرجوان، وقد فسر وجود النيتروجين في الهواء بنسبة أعلى من الأكسجين إلى كونه أقل في النشاط الكيميائي من الأكسجين، فرغم العدد الهائل من المركبات التي يكونها النيتروجين يظل أقل نشاطاً من الأكسجين.

ويدخل النيتروجين في المنظفات، وأدوية مثل الكينين المستخدم في علاج مرض الملاريا، والمورفين المستخدم لتسكين الألم، ويعرف النيتروجين بأنه أحد أهم مخصبات التربة، حيث تحتوي جذور بعض النباتات على بكتيريا تستطيع تحويل النيتروجين الموجود في الهواء إلى مركبات النترات.

وبعد أن ظل النيتروجين لفترات طويلة جزءاً من خليط التنفس الذي يستخدمه الغواصون، تم استبداله بالهيليوم نظراً لأنه لا يذوب في الدم بنفس مقدار النيتروجين، وذلك بعد أن عرف النيتروجين بتسببه في حالة تعرف بشلل الغواصين في حال ما إذا خرج الغواص من الماء بسرعة كبيرة، حيث يشعر بألم كبير وتشل أطرافه عن الحركة.

الأكسجين

الأكسجين هي المكون الرئيسي لعملية التنفس الذي تتبادل من خلاله الكائنات الحية الغازات، فالنباتات تأخذ من الهواء ثاني أكسيد الكربون وتعطيه الأكسجين وذلك من خلال عملية البناء الضوئي، بينما يقوم الإنسان والحيوان بعملية عكسية لذلك، مع الإشارة إلى أن النباتات تحتاج أيضاً إلى الأكسجين في عمليات توليد الطاقة.

ولأن الأكسجين عنصر عالي النشاط فإنه يميل بشدة للتفاعل لوصول لحالة الاستقرار، ويوجد الأكسجين في صورة جزئ ثنائي O2، أما إذا وجد بصورة فوق أكسيد وهي ذرة أكسجين واحدة، أو إذا وجد في مركبات لا توفر له الاستقرار مثل H2O2 فإنه يصبح خطيراً، نظراً للنتائج المدمرة لعمليات الأكسدة مثل تلف الفواكه والخضروات، وصدأ الحديد، وإصابة جسم الإنسان بالأمراض عند وجود هذه الشقوق الحرة من الأكسجين داخل الجسم، فهي تزيد من خطر الإصابة بالسرطان وأمراض القلب وأمراض المناعة الذاتية، وتقلل من قدرة الجسم على التخلص من السموم لاستنفادها لكميات المواد المعادلة للسموم الموجودة داخل الجسم.

وتعرف العديد من الأغذية بكونها مضادات أكسدة، ومن أمثلة ذلك الفيتامينات وخصوصاً فيتامين A وفيتامين C، وفيتامين E، ومركب الجلوتاثيون والذي يمكن تناوله كمكل غذائي بوصفة طبية، ويساعد الغذاء الغني بالبروتين الجسم على تكوين مضادات الأكسدة الداخلية بالجسم.

الهيدروجين

يدخل الهيدروجين في تركيب المركبات العضوية كالكربوهيدرات والبروتينات والدهون عن طريق ارتباطه بالكربون، ويكون الماء الذي هو مادة الحياة من خلال ارتباطه بالأكسجين، ويعتبر الهيدروجين أكثر العناصر الكيميائية تواجداً في الكون، ويستخدم في تصنيع الأمونيا، وفي عمليات الهدرجة، كما يمكن استخدامه للكشف عن تسريبات المواد الصناعية ومواد تغليف الأغذية، ويعتبر الهيدروجين أحد أهم مصادر الطاقة البديلة.

الغازات وخطر الانفجار

تعتبر التفاعلات الكيميائية في الحالة الغازية أسهل لانعدام الروابط البين جزيئية، والتي تبطأ من تفاعلات السوائل والجوامد لحاجتها لتكسير الروابط بين جزيئاتها أولاً، إلا أن الغازات تحتاج إلى التعامل معها بحذر لأن لها خواص انفجارية.

وتظهر هذه الخواص في التفاعلات الغازية بالكامل أي التي تكون المواد المتفاعلة فيها والنواتج جميعها غازات، وكذلك في التفاعلات التي يكون ناتجها غازياً كما في البارود، والذي يتكون تفاعله من نترات الفضة والكربون والكبريت، وينتج عنه مركبات النيتروجين الغازية وأكاسيد الكبريت وثاني أكسيد الكربون، وهذه الغازات هي التي تدفع الرصاصة بقوة تصل إلى 900 قدم في ثانية واحدة!

وتستخدم هذه الخاصية الانفجارية للغازات أيضاً في الوسائد الهوائية التي تفتح تلقائياً عند تعرض السيارات للحوادث، حيث يتحلل مركب مكون من الصوديوم والنيتروجين إلى غاز النيتروجين في مدة تقدر بأقل من ثانية.