تركيب الغلاف الجوي

 

تركيب الغلاف الجوي

الأرض محاطة بطبقة رقيقة مؤلفة من خليط من الغازات ندعوها بالغلاف الجوي (atmosphere). (سمكه تقريبا (mil 500)). وتحدث في هذا الخليط تفاعلات متنوعة، وكثير منها يحدث بتأثير الطاقة الشمسية. كذلك فإن كثيرا من هذه التفاعلات نافعة (beneficial) لساكني الأرض، وبعضها ينتج مواد غير مرغوبة . (undesirable products)

إن الكتلة الكلية للغلاف الجوي (كتلة الهواء) (atmosphere total mass) تقريبا 10¹⁵ x5.3 طن مكعب (metric tons)، وهو رقم كبير جدا، لكنه يظل فقط واحد على مليون من كتلة الأرض الكلية. وبما أن الهواء له وزن فهو يشكل ضغطا على الأجسام الموجودة على الكرة الأرضية. وهذا الضغط يعرف بالضغط الجوي. ويمكن توضيح هذا الضغط بتفريغ صفيحة من القصدير، فعندما يضخ الهواء إلى الخارج، فإن الضغط الجوي يجعد الصفيحة.

ويتألف الغلاف الجوي القريب من سطح الأرض (بالحجم) من النيتروجين (%78 N₂) وهو غاز خامل (unreactive gas) والأكسجين (0₂ % 21) وهو غاز عالي النشاطية وضروري للحياة، و (% 1) من غازات أخرى مثل الآرجون (Ar) وثاني أكسيد الكربون (CO₂).

تتعرض جزيئات (أو ذرات) هذه الغازات في الغلاف الجوي، مثلها مثل كل مادة، اللجذب الناتج من الجاذبية الأرضية. وإذا كان باستطاعتنا رؤية الهواء فإنه يمكن ملاحظة أن الهواء يكون كثيفا بالقرب من سطح الأرض وتقل الكثافة كلما ارتفعنا الى أعلى. والهواء خارج الطائرة التي عادة ما تملأ بالهواء عند ارتفاع 30000 قدم يكون قليلا جدا للدرجة التي لا يمكن معها تنفسه. وفي الحقيقة تقل كثافة الهواء بتسارع كبير مع زيادة الإرتفاع عن سطح الأرض (الغلاف الجوي أكثر كثافة قريبا من سطح الأرض عنه في الإرتفاعات العالية high altitudes). ولقد أوضحت الدراسات (القياسات) أن ما نسبته (% 50) من الجو يقع في مدى أربعة أميال 6.4) (km من سطح الأرض و (% 90) في مدى عشرة أميال (km16) و (%99) في مدى عشرين ميلا (km32).

وتمارس الغازات ضغطا على أي سطح تكون على اتصال معه بسبب أن جزيئات الغاز في حركة دائمة. ونحن البشر قد تكيفنا بشكل حسن فسيولوجيا مع ضغط الهواء حولنا والذي عادة لا ندرکه، تماما كما أن الأسماك غير مدركة (غير شاعرة) الضغط الماء فوقها.

 

 

الضغط الجوي

ومن السهولة إثبات الضغط الجوي، فمن الأمثلة اليومية القدرة على شرب سائل عبر ماصة، فسحب الهواء خارج الماصة عن طريق الفم يقلل الضغط (reduce the pressure) داخل الماصة، وبالتالي فإن الضغط الجوي العالي على السائل يدفعه لفوق داخل الماصة ليحل محل الهواء المسحوب.

نعيش على الأرض محاطين بخليط من الغازات التي تشكل الغلاف الجوي للأرض. وبخلاف السوائل، التي تخفق غالبا لتختلط مع بعضها والتي ربما تنفصل الى طبقات مميزة - مثل الزيت والماء، فإن الغازات دائما تختلط . علاوة على ذلك، الغازات قابلة للضغط بينما المواد الصلبة والسائلة تقريبا غير قابلة للضغط وحتى لو تم تطبيق ضغوط عالية فإن التغير في الحجم ضئيل.

إن قدرة الغازات على الخلط المتجانس (Homogeneous mixing) والقابلية للضغط (compressibility) كلاهما ناتج عن الحقيقية أن جزيئات الغاز متباعدة عن بعضها البعض ومستقلة

مع جيرانها. والخلط يحدث بسبب أن جزيئات الغاز المستقلة لها تجاذب ضعيف بالمقارنة فإن جزيئات السوائل والصلب ترص قريبا من بعضها packed closely together والتي تتأثر بقوى تجاذبات وتنافرات متنوعة والتي يمكن أن تمنع خلطها.

والقابلية للضغط ممكنة في الغازات بسبب أنه أقل من (%0.1) من الحجم للغاز النموذجي يشغل بواسطة الجزيئات نفسها عند الظروف العادية normal) (circumstances والمتبقي (%99.9 ) فراغ (empty space). بالمقارنة حوالي (% 70) من حجوم السوائل والصلب تشغل بواسطة الجزيئات.

إن سلوك الهواء يوضح نقاط هامة عن الغازات. فعلى سبيل المثال، خليط الغازات دائما متجانس.

ومن الصفات الملحوظة للغازات أنها تمارس ضغطا قابلا للقياس على جدران وعائها. ومن المألوف لدينا تعبئة كفر (pumping up) أو نفخ (inflating) بالون أننا نشعر بالصلابة (hardness) التي تنتج من الضغط الداخلي. وفي المصطلح العلمي فإن الضغط (P) يعرف بأنه القوة ( force=f ) الممارسة على وحدة المساحة ( area = a ). وفي المقابل فإن القوة تعرف بأنها ضرب الكتلة (mass) بالتسارع ( acceleration= a ) الناتج عن الجاذبية حيث ( a= 9.81 m/ s²).

والوحدة الدولية للقوة هي النيوتن (N)، حيث (N=1kgm/s²1) ، والوحدة الدولية (SI) للضغط هي الباسكال (Pa) حيث (Pa=1N/m2 =1kg/ms²1) والباسكال وحدة صغيرة جدا وتساوي تقريبا الضغط الممارس بواسطة كتلة مقدارها (mg10.2) موضوعة على مساحة قدرها (cm²1.00). ويمكن إثبات ذلك بالحسابات كما يلي :

ويمكن تصور مدى ضآلة وحدة الباسكال بمعرفة أن البنس (قطعة نقدية صغيرة بريطانية) الواحد الموضوع على رأس إصبع اليد يمارس ضغطا مقداره (Pa250). وكما أن الهواء في إطار دراجة والبنس على رأس الإصبع يمارس ضغطا فإن كتلة الغلاف الجوي الضاغطة للأسفل على سطح الأرض تمارس ضغطا نسميه الضغط الجوي .

وفي الحقيقة فإن عمودا من الهواء طوله (m²1.00) ممتد من سطح الأرض خلال الغلاف الجوي العلوي له كتلة قدرها (kg10300)، وهذه الكتلة تنتج ضغطا جويا (atmospheric pressure) تقريبا (Pa101000) أو (kPa101)، ويتضح هذا من الحساب التالي لقيمة الضغط الناتج من هذه الكتلة :

والوحدات البديلة التي تستخدم بكثرة هي mmHg=millimeter of) (mercury وatm = atmosphere ). والوحدة 1 = mm Hg1torr نسبة الى العالم الإيطالي (1647 - 1608) Evangelista Torricelli الذي قاس الضغط الجوي باستخدام البارومتر الزئبقي كما سيأتي تفصيله لاحقا إن شاء الله.

 

 

 

المصادر

1.      أحمد عبد العزير العويس و سليمان حماد الخويطر و عبد العزيز إبراهيم الواصل و عبد العزيز عبد الله السحيباني ، الكيمياء العامة ، دار الخريجي، الرياض، 1996م.

2.      جوردن م بارو، الكيمياء الفيزيائية، ترجمة أحمد محمد عزام، دار ماجروهيل، 1998م.

3.      سليمان حماد الخويطر و عبد العزيز عبد الله السحيباني، الثرموديناميك الكيميائي، دار الخريجي، الرياض، 1998م.

4.     سمير مصطفى المدني، أساسيات الكيمياء العامة، جامعة الملك سعود - النشر العلمي و المطابع، الرياض، 1998م.

5.      الكيمياء العامة - احمد بن عبدالعزيز العويس و آخرون- دار الخريجي للنشر و التوزيع ط2. 1996م.

6.     سمير مصطفى المدني ، كتاب أساسيات الكيمياء العامة ، ( منشورات جامعة الملك سعود1997 م.

7.      حسن محمد الحازمي و محمد إبراهيم الحسن ، كتاب الكيمياء العضوية ، مكتبة الخريجي 1990م.

8.     Ralph H. Petruccii and William S. Harwood, General Chemistry, Principle and Modern Applications, Prentice-Hall, New Gersey, 1997.

9.     James E. Brady and John R. Holum, Chemistry, The study of Matter and its Changes, Wiley, New York, 1993.

10.  Petter Atkins and Loretta Jones, Chemistry, Matter and Change, 3d Edition, W.H. Freedman and Co., New York, 1997.

11.    James E. Brady, General Chemistry, Principles and Structure, 5th Edition, Wiley, New York, 1990.

12.   David E. Goldberg, Schaum's Outline Series, Theory and Problems of Chemistry Foundations, International Editions, McGraw-Hill, New York, 1991.

13.   James E. Brady and John R. Holum, Fundamentals of Chemistry, 34 Edition, Wiley, New York, 1988.

14.  Raymond Chang, Chemistry, 5th Edition, International Edition, McGraw-Hill, New York, 1994.

15.   R. Abu-Etta, Y. Essa and A. El-Ansary, General Chemistry, Cairo University Press, 1998.

16.   P.W. Atkins, Physical Chemistry, Oxford Press, Oxford, UK, 1982.

17.   G.M. Barrow. Physical Chemistry, MacGraw-Hill, New York, USA, 1996.

18.  Maurice Wahba, Hanna A. Rizk, Introduction to Physical Chemistry, Anglo Egyptian, 1978.

19.   Robert A. Alberty and Robert J. Silby, Physical Chemistry, Wiley, New York, 1992.

20. Whitten, etal , General Chemistry with Qualitative Analysis , 3rd ed., Saunders college publishing