MOLEKULÁRIS KINETIKAI ELMÉLET: TÖRTÉNELEM, POSZTULÁCIÓK ÉS PÉLDÁK - KÉMIA - 2026

A molekuláris kinetika elmélete az, amely a gázok kísérleti megfigyeléseinek mikroszkopikus szempontból történő magyarázatát célozza. Vagyis megpróbálja a gáznemű részecskék jellegét és viselkedését a gáz, mint folyadék fizikai tulajdonságaival összekapcsolni; magyarázza a makroszkopikus mikroszkopikus.

A gázok tulajdonságai miatt mindig is érdeklődtek a tudósok számára. A tartály teljes térfogatát elfoglalják, amelyben találhatók, és teljes mértékben összenyomhatók anélkül, hogy tartalmuk a lehető legkevesebb ellenállásba ütközne; és ha a hőmérséklet megemelkedik, a tartály elkezd tágulni, és akár meg is repedhet.

Gáznemű részecskék a cseppfolyósodástól távoli vagy közeli körülmények között. Forrás: Olivier Cleynen és felhasználó: Sharayanan

Ezeknek a tulajdonságoknak és viselkedésnek a sokát az ideális gázszabályok foglalják össze. Ugyanakkor a gáz egészét tekintik, nem pedig az űrben szétszórt részecskék millióinak gyűjteményeként; továbbá a nyomás-, térfogat- és hőmérsékleti adatok alapján nem nyújt további információkat e részecskék mozgásáról.

Ezért javasolja a molekuláris kinetikai elmélet (TCM) mobil gömbökké ábrázolását (felső kép). Ezek a gömbök önkényesen ütköznek egymással és a falakkal, és fenntartják a lineáris pályát. Amikor azonban a hőmérséklet csökken és a nyomás növekszik, a gömbök pályája görbül.

A gáznak, a TCM szerint, úgy kell viselkednie, mint a kép első képén lévő gömböknek. De hűtve és növelve a rájuk nehezedő nyomást, viselkedésük messze nem ideális. Ezután valódi gázok, közel cseppfolyósodnak és így folyékony fázisba kerülnek.

Ilyen körülmények között a gömbök közötti kölcsönhatások fontosabbá válnak, amíg sebességük pillanatra lelassul. Minél közelebb vannak a cseppfolyósításhoz, annál görbebbé válnak a pályák (jobbra beillesztve), és ütközésük kevésbé energikus.

Történelem

Daniel Bernoulli

Lucretius római filozófus már megfontolta ezen szférák, jobban atomoknak nevezett gondolatait; nem gázokra, hanem szilárd, statikus tárgyakra. Másrészt, 1738-ban Daniel Bernoulli alkalmazta az atomi látást a gázokra és a folyadékokra, úgy képzelve őket, hogy rendezetlen gömbök minden irányba mozognak.

Munkája azonban megsértette az akkori fizikai törvényeket; egy test nem tudott örökké mozogni, tehát lehetetlen volt azt gondolni, hogy atomok és molekulák halmaza egymással ütközik anélkül, hogy energiájukat elvesztenék; vagyis a rugalmas ütközések nem léteztek.

Rudolf clausius

Egy évszázaddal később más szerzők megerősítették a TCM-et egy olyan modellel, amelyben a gáznemű részecskék csak egy irányba mozogtak. Rudolf Clausius azonban összeállította eredményeit és összeállította a TCM teljesebb modelljét, amellyel megkísérelte megmagyarázni az ideális gázszabályokat, amelyeket Boyle, Charles, Dalton és Avogadro mutattak be.

James Clerk Maxwell és Ludwig Boltzmann

James Clerk Maxwell 1859-ben kijelentette, hogy a gáznemű részecskék egy adott hőmérsékleten számos sebességet mutatnak, és ezek egy sorát átlagmolekuláris sebesség alapján lehet figyelembe venni.

Aztán 1871-ben Ludwig Boltzmann a meglévő ötleteket összekapcsolta az entrópiával, és hogy a termodinamikailag mindig a gáz a lehető legtöbb helyet foglalja el homogén és spontán módon.

A molekuláris kinetika elmélete

A részecskékből származó gáz figyelembevétele érdekében olyan modellre van szükség, amelyben bizonyos feltételezések vagy feltételezések teljesülnek; olyan posztulátumok, amelyeknek logikusan képeseknek kell lennie a makroszkopikus és kísérleti megfigyelések előrejelzésére és magyarázására (a lehető leghűségesebben). A TCM posztulátumokat megemlítették és leírták.

A gáznemű részecskék térfogata elhanyagolható

Gáznemű részecskékkel töltött tartályban ezek szétszóródnak és távolodnak egymástól minden sarokban. Ha egy pillanatra őket mind a tartály egy adott pontján, cseppfolyósítás nélkül össze lehet hozni, megfigyelhető, hogy csak a tartály térfogatának elhanyagolható részét foglalják el.

Ez azt jelenti, hogy a tartály, még ha millió millió gáznemű részecskét is tartalmaz, valójában inkább üres, mint teljes (térfogat-hézag arány kevesebb, mint 1); ezért, ha akadályai lehetővé teszik, akkor a benne levő gáz hirtelen összenyomható; mivel a végén a részecskék nagyon kicsi, mint a térfogatuk is.

A tartályban lévő gáz térfogat-hányados viszonya. Forrás: Gabriel Bolívar.

A fenti kép pontosan illusztrálja a fentieket kékes színű gáz felhasználásával.

A részecskék közötti vonzó erők nulla

A tartály belsejében lévő gáz-halmazállapotú részecskék ütköznek egymással anélkül, hogy kölcsönhatásuk időtartama erős lenne; még kevésbé, ha a molekuláris vákuum főként körülveszi őket. Ennek közvetlen következménye az, hogy lineáris útvonaluk lehetővé teszi számukra, hogy teljes mértékben befedjék a tartály térfogatát.

Ha nem ez lenne a helyzet, akkor a "bizarr" és "labirintus" alakú tartályoknak gázkondenzáció eredményeként nedves régiók lennének; ehelyett a részecskék teljes szabadságon haladnak át az egész tartályon anélkül, hogy kölcsönhatásuk erői megállíthatnák őket.

A gáznemű részecskék trajektóriái, ha az interakciók nullák vagy jelentéktelenek (A., lineáris), és ha fontosak (B., görbék). Forrás: Gabriel Bolívar.

A felső kép (A.) lineáris pályái ezt a posztulátumot mutatják; míg ha a pályák görbe (B.), ez azt mutatja, hogy vannak olyan interakciók, amelyeket a részecskék között nem lehet figyelmen kívül hagyni.

A gáznemű részecskék mindig mozgásban vannak

Az első két posztulációtól kezdve az a tény, hogy a gázszemcsék soha nem állnak meg mozogni, szintén konvergálnak. Miután elmosódtak a tartályban, összeütköznek egymással és a fallal, az abszolút hőmérsékletre közvetlenül arányos erővel és sebességgel; ez az erő nyomás.

Ha a gáznemű részecskék egy pillanatra abbahagyják a mozgást, akkor a tartály belsejében "füstnyelvek" figyelhetők meg, amelyek semmiből jönnek ki, és elegendő idő áll rendelkezésre vákuumban történő elrendezésre és véletlenszerű alakzatok kialakítására.

A szemcsék és a tartály falai közötti ütközések rugalmasak

Ha csak a gáznemű részecskék és a tartály falai között rugalmas rugalmas ütközések dominálnak a tartály belsejében, akkor a gáz kondenzációja soha nem fordul elő (mindaddig, amíg a fizikai feltételek nem változnak); vagy mi ugyanaz, mint azt mondani, hogy soha nem pihennek és mindig ütköznek.

Ennek oka az, hogy rugalmas ütközéseknél a kinetikus energia nettó veszteséggel jár; egy részecske ütközik a fallal és azonos sebességgel ugrál fel. Ha egy részecske ütközéskor lelassul, a másik felgyorsul, anélkül, hogy hőt vagy hangot bocsátana ki, amely eloszlatja egyikük kinetikus energiáját.

A kinetikus energia nem állandó

A részecskék mozgása véletlenszerűen és kaotikusan zajlik, tehát nem mindegyiknek van azonos sebessége; éppúgy, mint például egy autópályán vagy egy tömegben. Néhányan energikusabbak és gyorsabban haladnak, mások lassúak, és várnak egy ütközésre, hogy felgyorsítsák őket.

A sebesség leírására ezután ki kell számítani egy átlagot; és ezzel megkapjuk a gáznemű részecskék vagy molekulák átlagos kinetikus energiáját. Mivel az összes részecske kinetikus energiája folyamatosan változik, az átlagolás lehetővé teszi az adatok jobb irányítását és nagyobb megbízhatósággal használható.

Az átlagos kinetikus energia megegyezik egy adott hőmérséklettel minden gáz esetében

A tartályban levő átlagos molekuláris kinetikus energia (EC _mp) a hőmérséklettől függően változik. Minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb az energia. Mivel ez egy átlag, lehetnek olyan részecskék vagy gázok, amelyeknek ezen értékhez viszonyítva több vagy kevesebb energiája van; néhány gyorsabb, mások lassabb.

Matematikailag kimutatható, hogy az EC _mp kizárólag a hőmérséklettől függ. Ez azt jelenti, hogy függetlenül a gáz tömegétől vagy molekuláris szerkezetétől, az EC _mp ugyanaz lesz T hőmérsékleten, és csak akkor változik, ha növekszik vagy csökken. Az összes posztuláció közül ez talán a legrelevánsabb.

És mi lesz az átlagos molekuláris sebességgel? Az EC _mp-vel ellentétben a molekulatömeg befolyásolja a sebességet. Minél nehezebb a gáz részecske vagy molekula, természetesen számíthat arra, hogy lassabban mozog.

Példák

Íme rövid példa arra, hogy a TCM hogyan magyarázta meg az ideális gázszabályokat. Bár nem foglalkoznak más kérdésekkel, például gázok diffúziójával és kiáramlásával, a TCM segítségével is megmagyarázhatók.

Boyle törvénye

Ha a tartály térfogatát állandó hőmérsékleten összenyomják, akkor csökken a távolság, amelynek a gáznemű részecskéknek el kell jutniuk ahhoz, hogy ütközjenek a fallal; ami megegyezik az ilyen ütközések gyakoriságának növekedésével, ami nagyobb nyomást eredményez. Mivel a hőmérséklet állandó marad, az EC _mp is állandó.

Charles törvény

Ha növeli a T-t, az EC _mp növekszik. A gáznemű részecskék gyorsabban mozognak, és többször ütköznek a tartály falával; a nyomás növekszik.

Ha a falak rugalmasak, képesek kinyúlni, területük nagyobb lesz, és a nyomás csökken, amíg állandóvá nem válik; ennek eredményeként a hangerő is növekedni fog.

Dalton törvénye

Ha több liter különféle gázt adagolnánk egy tágasabb tartályból, kisebb méretű tartályokból származik, akkor annak teljes belső nyomása egyenlő lenne az egyes gáztípusok által külön-külön gyakorolt ​​parciális nyomások összegével.

Miért? Mivel az összes gáz összeütközik egymással és homogénen diszpergálódik; a kölcsönhatás nulla, és a tartályban a vákuum uralkodik (TCM posztulál), tehát olyan, mintha minden gáz önmagában lenne, külön-külön nyomást gyakorolva a többi gáz beavatkozása nélkül.

Irodalom

1. Whitten, Davis, Peck és Stanley. (2008). Kémia. (8. kiadás). CENGAGE Learning, P 426-431.
2. Fernandez Pablo. (2019). Molekuláris kinetikai elmélet. Vix. Helyreállítva: vix.com
3. Jones, Andrew Zimmerman. (2019. február 7.) A gázok kinetikai molekuláris elmélete. Helyreállítva: gondolat.com
4. Hall Nancy. (2015. május 5.). A gázok kinetikai elmélete. Glenn Kutatóközpont. Helyreállítva: grc.nasa.gov
5. Blaber M. és Lower S. (2018. október 9.). A kinetikai molekuláris elmélet alapjai. Kémia LibreTexts. Helyreállítva: chem.libretexts.org
6. A kinetikai molekuláris elmélet. Helyreállítva: chemed.chem.purdue.edu
7. Wikipedia. (2019). A gázok kinetikai elmélete. Helyreállítva: en.wikipedia.org
8. Toppr. (Sf). A gázok kinetikai molekuláris elmélete. Helyreállítva: toppr.com