MOLEKULĀRĀ KINĒTISKĀ TEORIJA: VĒSTURE, POSTULĀTI UN PIEMĒRI - ĶĪMIJA - 2025

Molekulārais kinētiskā teorija ir viens, kas vēlas , lai izskaidrotu eksperimentālo novērojumu gāzes no mikroskopisko viedokļa. Tas ir, tas mēģina saistīt gāzveida daļiņu raksturu un izturēšanos ar gāzes kā šķidruma fizikālajām īpašībām; izskaidrot makroskopisko no mikroskopiskā.

Gāzes to īpašību dēļ vienmēr ir interesējušas zinātniekus. Tie aizņem visu tvertnes tilpumu, kurā tie atrodas, un tos var pilnībā saspiest, bez to satura pretstatot vismazāko pretestību; un, ja temperatūra paaugstinās, trauks sāk izplesties un var pat plaisāt.

Gāzveida daļiņas apstākļos, kas ir tālu no sašķidrināšanas vai tuvu tai. Avots: Olivier Cleynen un lietotājs: Sharayanan

Daudzas no šīm īpašībām un izturēšanās ir apkopotas ideālās gāzes likumos. Tomēr viņi uzskata gāzi kopumā, nevis miljonu daļiņu kolekciju, kas izkaisīta kosmosā; turklāt, pamatojoties uz datiem par spiedienu, tilpumu un temperatūru, tas nesniedz papildu informāciju par to, kā šīs daļiņas pārvietojas.

Tieši tad molekulārā kinētiskā teorija (TCM) ierosina tās vizualizēt kā mobilās sfēras (augšējais attēls). Šīs sfēras patvaļīgi saduras viena ar otru un sienām, un tām ir lineāra trajektorija. Tomēr, pazeminoties temperatūrai un palielinoties spiedienam, sfēru trajektorija kļūst izliekta.

Gāzei, pēc TCM domām, ir jāuzvedas tāpat kā sfērām attēla pirmajā kadrā. Bet, atdzesējot un palielinot spiedienu uz viņiem, viņu izturēšanās ir tālu no ideālas. Pēc tam tās ir īstas gāzes, kuras gandrīz sašķidrinās un tādējādi nonāk šķidrā fāzē.

Šajos apstākļos mijiedarbība starp sfērām kļūst arvien nozīmīgāka, līdz to ātrums īslaicīgi palēninās. Jo tuvāk tie ir sašķidrināšanai, jo līkākās viņu trajektorijas kļūst (labajā pusē iespraustas), un viņu sadursmes ir mazāk enerģiskas.

Vēsture

Daniels Bernoulli

Šo sfēru, labāk sauktu par atomiem, ideju jau bija apsvēris romiešu filozofs Lukrecijs; nevis gāzēm, bet cietiem, statiskiem priekšmetiem. No otras puses, Daniels Bernoulli 1738. gadā piemēroja atomu redzējumu gāzēm un šķidrumiem, iztēlojoties tos kā nesakārtotus sfēras, kas pārvietojas visos virzienos.

Viņa darbs tomēr tajā laikā pārkāpa fizikas likumus; ķermenis nevarēja kustēties mūžīgi, tāpēc nebija iespējams domāt, ka atomu un molekulu kopums saduras viens ar otru, nezaudējot enerģiju; tas ir, elastīgu sadursmju esamība nebija iespējama.

Rūdolfs clausius

Gadsimtu vēlāk citi autori pastiprināja TCM ar modeli, kurā gāzveida daļiņas pārvietojās tikai vienā virzienā. Rūdolfs Klausius tomēr apkopoja savus rezultātus un apkopoja pilnīgāku TCM modeli, ar kuru viņš mēģināja izskaidrot ideālos gāzes likumus, kurus demonstrēja Boils, Čārlzs, Daltons un Avogadro.

Džeimss Klerks Maksvels un Ludvigs Boltsmans

Džeimss Klerks Maksvels 1859. gadā ierosināja, ka gāzveida daļiņas uzrāda dažādu ātrumu diapazonu noteiktā temperatūrā, un to kopumu var apsvērt, izmantojot vidējo molekulāro ātrumu.

Tad 1871. gadā Ludvigs Boltzmans savienoja esošās idejas ar entropiju un to, kā gāzes termodinamiski vienmērīgi un spontāni mēdz aizņemt pēc iespējas vairāk vietas.

Molekulārās kinētiskās teorijas postulāti

Lai ņemtu vērā gāzi no tās daļiņām, ir nepieciešams modelis, kurā ir izpildīti noteikti postulāti vai pieņēmumi; postulāti, kuriem loģiski jāspēj paredzēt un izskaidrot (cik iespējams ticami) makroskopiskos un eksperimentālos novērojumus. Tomēr tika minēti un aprakstīti TCM postulāti.

Gāzveida daļiņu tilpums ir niecīgs

Tvertnē, kas piepildīta ar gāzveida daļiņām, tās izkliedējas un attālinās viena no otras visos stūros. Ja kādu brīdi tos visus varētu salikt noteiktā konteinera vietā bez sašķidrināšanas, tiktu novērots, ka tie aizņem tikai nenozīmīgu konteinera tilpuma daļu.

Tas nozīmē, ka konteiners, pat ja tajā ir miljoniem gāzveida daļiņu, faktiski ir tukšāks nekā pilns (tilpuma un tukšuma attiecība ir daudz mazāka par 1); tāpēc, ja to pieļauj barjeras, to un tajā esošās gāzes var pēkšņi saspiest; jo galu galā daļiņas ir ļoti mazas, tāpat kā to tilpums.

Gāzes tilpuma un tukšuma attiecība traukā. Avots: Gabriel Bolívar.

Augšējais attēls precīzi ilustrē iepriekšminēto, izmantojot zilganas krāsas gāzi.

Starp daļiņām pievilcīgie spēki ir nulle

Gāzveida daļiņas konteinera iekšpusē saduras viena ar otru bez pietiekami daudz laika, lai to mijiedarbība iegūtu stiprību; vēl mazāk, ja tas, kas viņus galvenokārt ieskauj, ir molekulārais vakuums. Tiešas sekas tam ir tas, ka to lineārie ceļi ļauj viņiem pilnībā aptvert tvertnes tilpumu.

Ja tas tā nebūtu, tvertnei ar “dīvainu” un “labirintīna” formu gāzes kondensācijas rezultātā būtu mitri reģioni; tā vietā daļiņas pārvietojas pa visu trauku ar pilnu brīvību, bez to mijiedarbības spēka apturēšanas.

Gāzveida daļiņu trajektorijas, kad mijiedarbība ir niecīga vai nenozīmīga (A., lineāra) un kad tā ir svarīga (B., līknes). Avots: Gabriel Bolívar.

Augšējā attēla (A.) lineārās trajektorijas parāda šo postulātu; lai gan, ja trajektorijas ir izliektas (B.), tas parāda, ka starp mijiedarbībām nav iespējams ignorēt.

Gāzveida daļiņas vienmēr atrodas kustībā

Sākot ar diviem pirmajiem postulātiem, saplūst arī tas, ka gāzes daļiņas nekad nepārstāj kustēties. Pēc trauka izplūšanas tie saduras viens ar otru un ar tā sienām ar spēku un ātrumu, kas tieši proporcionāls absolūtai temperatūrai; šis spēks ir, spiediens.

Ja gāzveida daļiņas uz brīdi pārstātu kustēties, konteinera iekšienē parādītos "dūmu mēles", kas parādījās no nekurienes, ar pietiekami daudz laika, lai sakārtotos vakuumā un iegūtu nejaušas formas.

Sadursmes starp daļiņām un tvertnes sienām ir elastīgas

Ja tvertnes iekšpusē dominē tikai elastīgas gāzveida daļiņu un tvertnes sienu sadursmes, gāzes kondensācija nekad nenotiks (ja vien fiziskie apstākļi nemainās); vai kas ir tas pats, kas teikt, ka viņi nekad atpūšas un vienmēr saduras.

Tas notiek tāpēc, ka elastīgās sadursmēs kinētiskā enerģija netiek zaudēta; daļiņa saduras ar sienu un atlec ar tādu pašu ātrumu. Ja daļiņa, saduroties, palēninās, otra paātrinās, neradot siltumu vai skaņu, kas izkliedē kāda no tām kinētisko enerģiju.

Kinētiskā enerģija nepaliek nemainīga

Daļiņu kustība ir nejauša un haotiska, tā ka ne visiem ir vienāds ātrums; tāpat kā notiek, piemēram, uz šosejas vai pūlī. Daži ir enerģiskāki un ceļo ātrāk, bet citi lēni, gaidot sadursmi, lai tos paātrinātu.

Pēc tam, lai aprakstītu tā ātrumu, ir jāaprēķina vidējā vērtība; un līdz ar to pēc kārtas tiek iegūta gāzveida daļiņu vai molekulu vidējā kinētiskā enerģija. Tā kā visu daļiņu kinētiskā enerģija pastāvīgi mainās, vidējā vērtība ļauj labāk kontrolēt datus, un to var strādāt ar lielāku ticamību.

Vidējā kinētiskā enerģija ir vienāda ar noteikto temperatūru visām gāzēm

Vidējā molekulārā kinētiskā enerģija (EC _mp ) traukā mainās līdz ar temperatūru. Jo augstāka temperatūra, jo augstāka būs enerģija. Tā kā tas ir vidējais, var būt daļiņas vai gāzes, kurām ir vairāk vai mazāk enerģijas attiecībā uz šo vērtību; daži attiecīgi ātrāk un citi lēnāk.

Matemātiski var parādīt, ka EC _mp ir atkarīga tikai no temperatūras. Tas nozīmē, ka neatkarīgi no tā, kāda ir gāze, tās masa vai molekulārā struktūra, tās EC _mp būs vienāda temperatūrā T un mainīsies tikai tad, ja tā palielināsies vai samazinās. No visiem postulātiem tas, iespējams, ir visatbilstošākais.

Un kā ir ar vidējo molekulāro ātrumu? Atšķirībā no EC _mp , molekulārā masa ietekmē ātrumu. Jo smagāka ir gāzes daļiņa vai molekula, jo ir dabiski sagaidīt, ka tā kustēsies lēnāk.

Piemēri

Šeit ir īsi piemēri, kā TCM ir izdevies izskaidrot ideālos gāzes likumus. Lai arī tas nav apskatīts, ar TCM var izskaidrot arī citas parādības, piemēram, gāzu difūziju un izsvīdumu.

Boilija likums

Ja tvertnes tilpums tiek saspiests nemainīgā temperatūrā, samazinās attālums, kas gāzveida daļiņām jābrauc, lai saduras ar sienām; kas ir vienāds ar šādu sadursmju biežuma palielināšanos, kā rezultātā rodas lielāks spiediens. Tā kā temperatūra paliek nemainīga, nemainīga ir arī EC _mp .

Kārļa likums

Ja palielināsit T, palielināsies EC _MP . Gāzveida daļiņas pārvietojas ātrāk un vairāk reizes saduras ar tvertnes sienām; spiediens palielinās.

Ja sienas ir elastīgas un spēj paplašināties, to laukums kļūs lielāks un spiediens samazināsies, līdz tas kļūst nemainīgs; un rezultātā palielināsies arī apjoms.

Daltona likums

Ja ietilpīgam tvertnei pievienotu vairākus litrus dažādu gāzu, kas nāk no mazākām tvertnēm, tad kopējais iekšējais spiediens būtu vienāds ar daļējo spiedienu summu, ko rada katrs gāzes tips atsevišķi.

Kāpēc? Tā kā visas gāzes sāk savstarpēji sadurties un viendabīgi izkliedēties; mijiedarbība starp tām nav notikusi, un tvertnē dominē vakuums (TCM postulē), tāpēc ir tā, it kā katra gāze būtu viena pati, spiedienu izdara atsevišķi, neiejaucoties pārējām gāzēm.

Atsauces

1. Vaitens, Deiviss, Peks un Stenlijs. (2008). Ķīmija. (8. izd.). CENGAGE mācīšanās, P 426-431.
2. Fernandess Pablo. (2019. gads). Molekulārā kinētiskā teorija. Vix. Atgūts no: vix.com
3. Džounss, Endrjū Zimmermans. (2019. gada 7. februāris). Gāzu kinētiskā molekulārā teorija. Atgūts no: domaco.com
4. Hall Nancy. (2015. gada 5. maijs). Gāzu kinētiskā teorija. Glennas pētījumu centrs. Atgūts no: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (2018. gada 9. oktobris). Kinētiskās molekulārās teorijas pamati. Ķīmija LibreTexts. Atgūts no: chem.libretexts.org
6. Kinētiskā molekulārā teorija. Atgūts no: chemed.chem.purdue.edu
7. Wikipedia. (2019. gads). Gāzu kinētiskā teorija. Atgūts no: en.wikipedia.org
8. Toppr. (sf). Gāzu kinētiskā molekulārā teorija. Atgūts no: toppr.com