МОЛЕКУЛЯРНА КІНЕТИЧНА ТЕОРІЯ: ІСТОРІЯ, ПОСТУЛАТИ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Молекулярна кінетична теорія є тією , яка прагне до пояснити експериментальні спостереження газів з мікроскопічної точки зору. Тобто він намагається пов’язати природу та поведінку газоподібних частинок з фізичними характеристиками газу як рідини; поясніть макроскопічне з мікроскопічного.

Гази завжди цікавили вчених через свої властивості. Вони займають весь об’єм ємності, в якій вони знаходяться, здатні повністю стискатися без їх вмісту, що протистоїть найменшому опору; і якщо температура зростає, контейнер починає розширюватися і може навіть тріскатися.

Газоподібні частинки в умовах, далеких від зрідження або близьких до них. Джерело: Олів'є Клейнен та користувач: Шараянан

Багато з цих властивостей і поведінки узагальнено в законах про ідеальний газ. Однак вони розглядають газ в цілому, а не як сукупність мільйонів частинок, розсіяних у просторі; крім того, вона не надає на основі даних про тиск, об'єм і температуру додаткову інформацію щодо руху цих частинок.

Таким чином, молекулярна кінетична теорія (TCM) пропонує візуалізувати їх як рухливі сфери (верхнє зображення). Ці сфери стикаються між собою та стінами довільно і підтримують лінійну траєкторію. Однак, коли температура знижується і тиск збільшується, траєкторія сфер стає кривою.

Газ, згідно з TCM, повинен вести себе як сфери в першому кадрі зображення. Але, охолоджуючи та посилюючи тиск на них, їх поведінка далеко не ідеальна. Потім вони є справжніми газами, близькими до скраплення і, таким чином, переходять у рідку фазу.

За цих умов взаємодії між сферами стають більш важливими, до того моменту, коли їх швидкості миттєво сповільнюються. Чим ближче вони до скраплення, тим більш кривими стають їх траєкторії (вставки праворуч), а їх зіткнення менш енергійні.

Історія

Даніель Бернуллі

Ідею цих сфер, краще названих атомами, вже розглядав римський філософ Лукрецій; не для газів, а для твердих, статичних предметів. З іншого боку, у 1738 р. Даніель Бернуллі застосував атомне бачення до газів і рідин, уявивши їх як невпорядковані сфери, що рухаються в усіх напрямках.

Однак його робота порушила закони фізики в той час; тіло не могло вічно рухатися, тому неможливо було подумати, що набір атомів і молекул зіткнеться один з одним, не втрачаючи енергії; тобто існування пружних зіткнень було неможливим.

Рудольф Клаус

Через століття інші автори підкріпили TCM моделлю, де газоподібні частинки рухалися лише в одному напрямку. Однак Рудольф Клаузіус зібрав свої результати та зібрав більш повну модель ТКМ, за допомогою якої він прагнув пояснити закони про ідеальний газ, продемонстровані Бойлом, Чарльзом, Далтоном та Авогадро.

Джеймс Клерк Максвелл і Людвіг Больцман

У 1859 році Джеймс Клерк Максвелл заявив, що газоподібні частинки демонструють діапазон швидкостей при заданій температурі, і що їх набір можна розглядати за допомогою середньої молекулярної швидкості.

Тоді в 1871 р. Людвіг Больцман пов’язав існуючі ідеї з ентропією, і те, як газ термодинамічно завжди прагне зайняти якомога більше місця однорідним і стихійним шляхом.

Постулати молекулярної кінетичної теорії

Для розгляду газу з його частинок необхідна модель, в якій виконуються певні постулати чи припущення; постулати, які логічно повинні вміти передбачати та пояснювати (наскільки вірно) макроскопічні та експериментальні спостереження. При цьому згадуються та описуються постулати TCM.

Об'єм газоподібних частинок незначний

У ємності, наповненій газоподібними частинками, вони розходяться і віддаляються один від одного в усіх куточках. Якби мить їх можна було зібрати в певній точці контейнера без зрідження, було б помічено, що вони займають лише незначну частину об'єму ємності.

Це означає, що контейнер, навіть якщо він містить мільйони газоподібних частинок, насправді більш порожній, ніж повний (співвідношення об'єм-порожнеча набагато менше 1); тому, якщо його бар'єри дозволяють, він і газ, що знаходиться всередині нього, можуть різко стискатися; оскільки врешті-решт частинки дуже малі, як і їх об'єм.

Об'ємно-недійсні відносини газу в ємності. Джерело: Габріель Болівар.

Наведене вище зображення точно ілюструє вище, використовуючи газ синюватого кольору.

Привабливі сили між частинками дорівнюють нулю

Газоподібні частинки всередині ємності стикаються одна з одною, не маючи достатнього часу для їх взаємодії, щоб набрати силу; ще менше, коли головним чином їх оточує молекулярний вакуум. Безпосереднім наслідком цього є те, що їх лінійні шляхи дозволяють повністю охопити об'єм контейнера.

Якби цього не було, контейнер з "химерною" та "лабіринтною" формою мав би вологі ділянки внаслідок конденсації газу; натомість частинки пересуваються через весь контейнер з повною свободою, не зупиняючи їх сили їх взаємодії.

Траєкторії газоподібних частинок, коли взаємодії нульові або незначні (А., лінійні), і коли вони важливі (Б., криві). Джерело: Габріель Болівар.

Лінійні траєкторії верхнього зображення (А.) демонструють цей постулат; хоча траєкторії вигнуті (B.), це показує, що між частинками є взаємодії, які неможливо ігнорувати.

Газоподібні частинки завжди в русі

З перших двох постулатів також сходить той факт, що частинки газу ніколи не припиняють рухатися. Після розмиття в ємності вони стикаються один з одним і з його стінками, при цьому сила і швидкість прямо пропорційні абсолютній температурі; ця сила є, тиск.

Якби газоподібні частинки на мить перестали рухатись, «язики диму» були б свідками всередині контейнера, що з'явилися з нізвідки, з достатньою кількістю часу, щоб розташуватися у вакуумі та надати випадкові форми.

Зіткнення між частинками і стінками ємності є пружними

Якщо всередині ємності переважають лише пружні зіткнення між газоподібними частинками і стінками ємності, конденсація газу ніколи не відбудеться (доки фізичні умови не зміняться); або що те саме, що говорити про те, що вони ніколи не відпочивають і завжди стикаються.

Це тому, що при пружних зіткненнях немає чистої втрати кінетичної енергії; частинка стикається зі стіною і підстрибує з однаковою швидкістю. Якщо частинка при зіткненні сповільнюється, інша прискорюється, не виробляючи тепла чи звуку, що розсіює кінетичну енергію будь-якого з них.

Кінетична енергія не залишається постійною

Рух частинок випадковий і хаотичний, так що не всі мають однакову швидкість; так само, як це відбувається, наприклад, на шосе або в натовпі. Одні більш енергійні та їдуть швидше, а інші повільно, чекаючи зіткнення, щоб пришвидшити їх.

Щоб описати його швидкість, тоді необхідно обчислити середнє значення; і при цьому по черзі отримують середню кінетичну енергію газоподібних частинок або молекул. Оскільки кінетична енергія всіх частинок постійно змінюється, усереднення дозволяє краще контролювати дані і можна працювати з більшою надійністю.

Середня кінетична енергія дорівнює заданій температурі для всіх газів

Середня молекулярна кінетична енергія (EC _mp ) в ємності змінюється з температурою. Чим вище температура, тим вища буде енергія. Оскільки це середній показник, можуть бути частинки або гази, які мають більшу чи меншу енергію щодо цього значення; деякі швидше і деякі повільніше.

Математично можна показати, що EC _mp залежить виключно від температури. Це означає, що незалежно від того, яким є газ, його маса чи молекулярна структура, його ЕC _mp буде однаковим при температурі T і змінюватиметься лише у разі збільшення чи зменшення. З усіх постулатів це, мабуть, найбільш актуальне.

А як щодо середньої молекулярної швидкості? На відміну від EC _mp , молекулярна маса дійсно впливає на швидкість. Чим важча частина газової частинки або молекули, природно очікувати, що вона рухатиметься повільніше.

Приклади

Ось короткі приклади того, як ТКМ зуміла пояснити закони ідеального газу. Хоча це не вирішено, інші явища, такі як дифузія та викид газів, також можуть бути пояснені ТКМ.

Закон Бойла

Якщо об'єм ємності стиснутий при постійній температурі, відстань, яку повинні пройти газоподібні частинки, щоб зіткнутися зі стінками, зменшується; що дорівнює збільшенню частоти таких зіткнень, внаслідок чого виникає більший тиск. Оскільки температура залишається постійною, EC _mp також є постійною.

Закон Чарльза

Якщо ви збільшите T, EC _mp збільшиться. Газоподібні частинки будуть рухатися швидше і більше разів стикатимуться зі стінками ємності; тиск збільшується.

Якщо стіни будуть гнучкими, здатними розширюватися, їх площа стане більшою, а тиск знизиться, поки не стане постійним; і як результат, обсяг також збільшиться.

Закон Далтона

Якщо до просторого контейнера, що надходить із менших ємностей, додали кілька літрів різних газів, то його загальний внутрішній тиск був би рівний сумі парціальних тисків, що здійснюються кожним видом газу окремо.

Чому? Тому що всі гази починають стикатися між собою та розходитися однорідно; взаємодія між ними дорівнює нулю, а в контейнері переважає вакуум (постулати TCM), так що це як би кожен газ був один, здійснюючи свій тиск окремо, без втручання інших газів.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання, P 426-431.
2. Фернандес Пабло. (2019). Молекулярно-кінетична теорія. Вікс. Відновлено з: vix.com
3. Джонс, Ендрю Цимерман. (7 лютого 2019 р.). Кінетична молекулярна теорія газів. Відновлено з: thinkco.com
4. Холл Ненсі. (5 травня 2015 р.). Кінетична теорія газів. Дослідницький центр Глена Відновлено: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (9 жовтня 2018 р.). Основи кінетичної молекулярної теорії. Хімія LibreTexts. Відновлено з: chem.libretexts.org
6. Кінетична молекулярна теорія. Відновлено з: chemed.chem.purdue.edu
7. Вікіпедія. (2019). Кінетична теорія газів. Відновлено з: en.wikipedia.org
8. Топпр. (sf). Кінетична молекулярна теорія газів. Відновлено з: toppr.com