МОЛЕКУЛАРНА КИНЕТИЧКА ТЕОРИЈА: ИСТОРИЈА, ПОСТУЛАТИ И ПРИМЕРИ - ХЕМИЈА - 2026

Молекулска Кинетичка теорија је она која настоји да објасни експерименталних запажања гасова из микроскопског перспективе. То јест, покушава повезати природу и понашање гасовитих честица са физичким карактеристикама гаса као течности; објасните макроскопски из микроскопског.

Гасови су одувек занимали научнике због њихових својстава. Они заузимају целу запремину контејнера у коме се налазе, способни да се потпуно сакупе без да се њихов садржај супротстави најмање отпору; а ако се температура повећа, посуда се почиње ширити и чак може пукнути.

Гасовите честице у условима који су далеко од или близу утековања. Извор: Оливиер Цлеинен и Корисник: Схараианан

Многа од ових својстава и понашања сажето су у законима о идеалном гасу. Међутим, гас сматрају целином, а не као збиром милиона честица разбацаних по простору; осим тога, на основу података о притиску, запремини и температури не даје даље информације о кретању тих честица.

Стога молекуларна кинетичка теорија (ТЦМ) предлаже да их визуализује као покретне сфере (горња слика). Ове сфере се сударају једна са другом и зидови произвољно и одржавају линеарну путању. Међутим, када се температура смањи и притисак расте, путања сфера постаје закривљена.

Плин се, према ТЦМ-у, мора понашати попут сфера у првом кадру слике. Али хлађењем и појачавањем притиска на њих, њихово понашање је далеко од идеалног. Они су тада прави гасови, близу подвргавања течности и тако прелазе у течну фазу.

Под тим условима, интеракције између сфера постају важније, до те мере да се њихове брзине тренутно успоравају. Што су ближе укапљењу, то ће више закривити њихове путање (уметнути с десне стране), а њихови судари су мање енергични.

Историја

Даниел Берноулли

Идеју о овим сферама, боље названим атомима, већ је разматрао римски филозоф Лукрециј; не за гасове, већ за чврсте статичке предмете. С друге стране, Даниел Берноулли је 1738. године примијенио атомску визију на гасове и течности замисливши их као неуредне сфере које се крећу у свим смјеровима.

Његов рад је, међутим, тада кршио законе физике; тело се није могло вечно кретати, па је било немогуће мислити да ће се скуп атома и молекула сударити један са другим без губљења енергије; то јест, постојање еластичних судара није било могуће.

Рудолф цлаусиус

Век касније, други аутори су ојачали ТЦМ моделом где су се гасовите честице кретале у само једном правцу. Рудолф Цлаусиус је, међутим, саставио своје резултате и саставио потпунији модел ТЦМ-а којим је покушао објаснити законе о идеалном гасу које су показали Боиле, Цхарлес, Далтон и Авогадро.

Јамес Цлерк Маквелл и Лудвиг Болтзманн

Године 1859. Џејмс Клерк Максвел предложио је да гасовите честице показују распон брзина при датој температури и да се њихов скуп може размотрити просечном молекулском брзином.

Затим је 1871. Лудвиг Болтзманн повезао постојеће идеје са ентропијом, и како гас термодинамички увек заузима што више простора на хомогени и спонтани начин.

Постулати теорије молекуларне кинетике

За разматрање гаса из његових честица потребан је модел у којем су испуњени одређени постулати или претпоставке; постулати који логично морају бити у стању да предвиде и објасне (што је верније могуће) макроскопска и експериментална запажања. Уз то су наведени и описани постулати ТЦМ.

Запремина гасовитих честица је занемарљива

У контејнеру напуњеном гасовитим честицама, они се распршују и удаљавају један од другог у свим угловима. Кад би се на тренутак сви могли саставити на одређеној тачки у контејнеру, без укапљивања, уочило би се да заузимају само занемарљив део запремине контејнера.

То значи да је контејнер, чак и ако садржи милионе гасовитих честица, заправо празнији од пуног (омјер запремина-празан много мањи од 1); према томе, ако му препреке то допуштају, онда и гас у њему могу се нагло компримовати; јер су на крају честице врло мале, колика је и њихова запремина.

Количински неисправан однос гаса у контејнеру. Извор: Габриел Боливар.

Горња слика тачно приказује горе наведено, користећи гас плавкасто обојене.

Привлачне силе између честица су једнаке нули

Гасовите честице унутар контејнера сударају се једна с другом без довољно времена да њихове интеракције добију снагу; још мање кад је оно што их углавном окружује молекуларни вакуум. Непосредна последица тога је да им линеарни путеви омогућавају да потпуно обухвате запремину контејнера.

Да то није случај, контејнер "бизарног" и "лавиринтинског" облика имао би влажна подручја као резултат кондензације гаса; уместо тога, честице путују кроз цео контејнер са потпуном слободом, а да их сила њихових интеракција не заустави.

Путање гасовитих честица када су интеракције ништавне или незнатне (А., линеарне) и када су важне (Б., кривуље). Извор: Габриел Боливар.

Линеарне путање горње слике (А.) демонстрирају овај постулат; док су путање закривљене (Б.), то показује да постоје интеракције које се међу честицама не могу занемарити.

Гасовите честице су увек у покрету

Из прва два постулата, конвергира се и чињеница да се гасне честице никада не престају кретати. Једном када се замагљују у контејнеру, сударају се један са другим и са његовим зидовима, снагом и брзином директно пропорционалном апсолутној температури; ова сила је притисак.

Када би се гасовите честице на тренутак престале кретати, у контејнеру би се видели „језици дима“, који се никуда ничу, с довољно времена да се распоређу у вакууму и дају насумичне облике.

Судари између честица и зидова спремника су еластични

Ако унутар контејнера преовладавају само еластични судари између гасовитих честица и зидова спремника, кондензација гаса никада неће доћи (све док се физички услови не промене); или шта је исто што и рећи да се никада не одмарају и увек се сударају.

То је зато што код еластичних судара нема губитка кинетичке енергије; честица се судара са зидом и одбија се истом брзином. Ако се честица успорава, друга се убрзава, не производећи топлину или звук који расипа кинетичку енергију било ког од њих.

Кинетичка енергија не остаје константна

Кретање честица је случајно и хаотично, тако да немају сви исту брзину; као што се дешава, на пример, на аутопуту или у гужви. Неки су енергичнији и путују брже, док други полако чекају судар да их убрзају.

Да бисте описали његову брзину, тада је потребно израчунати просек; и с тим се заузврат добија просечна кинетичка енергија гасовитих честица или молекула. Како се кинетичка енергија свих честица стално мења, просечење омогућава бољу контролу података и може се радити са већом поузданошћу.

Просечна кинетичка енергија је једнака датој температури за све гасове

Просечна молекулска кинетичка енергија (ЕЦ _мп ) у посуди се мења са температуром. Што је температура већа, то ће бити и већа енергија. Будући да је просек, може постојати честице или гасови који у односу на ову вредност имају више или мање енергије; неки бржи, а неки спорији.

Може се математички показати да ЕЦ _мп зависи искључиво од температуре. То значи да без обзира на гас, његова маса или молекуларна структура, његов ЕЦ _мп ће бити исти на температури Т и варираће само ако се повећава или смањује. Од свих постулата ово је можда најрелевантније.

А шта је са просечном молекуларном брзином? За разлику од ЕЦ _мп , молекуларна маса утиче на брзину. Што су теже честице гаса или молекула, природно је очекивати да ће се он кретати спорије.

Примери

Ево кратких примера како је ТЦМ успео да објасни законе о идеалном гасу. Иако се не баве, друге појаве, попут дифузије и изливања гасова, такође се могу објаснити ТЦМ-ом.

Боилеов закон

Ако се запремина контејнера компримира на константној температури, смањује се раздаљина коју гасовите честице морају прећи да би се сударале са зидовима; што је једнако повећању учесталости таквих судара, што резултира већим притиском. Како температура остаје константна, ЕЦ _мп је такође константан.

Цхарлес Лав

Ако повећате Т, ЕЦ _{мп ће се} повећати. Гасовите честице ће се брже кретати и више пута се сударати са зидовима посуде; притисак се повећава.

Ако су зидови флексибилни, способни да се шире, њихова површина ће постати већа и притисак ће пасти док не постане сталан; и као резултат тога, количина се такође повећава.

Далтонов закон

Ако би се у пространи контејнер додало неколико литара различитих гасова, који долазе из мањих контејнера, његов укупни унутрашњи притисак био би једнак збиру парцијалних притисака које врши свака врста гаса одвојено.

Зашто? Јер сви гасови почињу да се сударају један са другим и распршују се хомогено; међудјеловања између њих су нула, а вакуум преовлађује у посуди (ТЦМ постулати), тако да је као да је сваки гас сам, вршећи свој притисак појединачно, без уплитања осталих гасова.

Референце

1. Вхиттен, Давис, Пецк и Станлеи. (2008). Хемија. (8. изд.). ЦЕНГАГЕ Леарнинг, П 426-431.
2. Фернандез Пабло. (2019). Молекуларна кинетичка теорија. Вик. Опоравак од: вик.цом
3. Јонес, Андрев Зиммерман. (7. фебруара 2019). Кинетичка молекуларна теорија гасова. Опоравак од: тхинкцо.цом
4. Халл Нанци. (5. маја 2015.). Кинетичка теорија гасова. Гленн Ресеарцх Центер. Опоравак од: грц.наса.гов
5. Блабер М. и Ловер С. (9. октобра 2018.). Основе кинетичке молекуларне теорије. Цхемистри ЛибреТектс. Опоравак од: цхем.либретектс.орг
6. Кинетичка молекуларна теорија. Опоравак од: цхемед.цхем.пурдуе.еду
7. Википедиа. (2019). Кинетичка теорија гасова. Опоравак од: ен.википедиа.орг
8. Топпр. (сф) Кинетичка молекуларна теорија гасова. Опоравак од: топпр.цом