МОЛЕКУЛЯРНА КИНЕТИЧНА ТЕОРИЯ: ИСТОРИЯ, ПОСТУЛАТИ И ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

На молекулно кинетичната теория е тази, която има за цел да обясни експериментални наблюдения на газове от микроскопични перспектива. Тоест, той се опитва да свърже естеството и поведението на газообразните частици с физичните характеристики на газа като течност; обяснете макроскопичното от микроскопичното.

Газовете винаги са представлявали интерес за учените поради свойствата им. Те заемат целия обем на контейнера, в който се намират, като могат да бъдат напълно компресирани, без съдържанието им да се противопостави на най-малкото съпротивление; и ако температурата се повиши, контейнерът започва да се разширява и дори може да се напука.

Газообразни частици в условия, далеч от близко до втечняване или близки до тях. Източник: Оливие Клейнен и Потребител: Шараянан

Много от тези свойства и поведение са обобщени в законите за идеалния газ. Те обаче разглеждат газа като цяло, а не като съвкупност от милиони частици, разпръснати в пространството; освен това, не предоставя, въз основа на данни за налягане, обем и температура, допълнителна информация относно това как се движат тези частици.

Именно тогава теорията на молекулярната кинетика (TCM) предлага да ги визуализира като подвижни сфери (горно изображение). Тези сфери се сблъскват една с друга и стените произволно и поддържат линейна траектория. Когато обаче температурата се понижи и налягането се повиши, траекторията на сферите става извита.

Един газ, според TCM, трябва да се държи като сферите в първия кадър на изображението. Но, като охлажда и увеличава натиска върху тях, тяхното поведение далеч не е идеално. След това те са истински газове, близки до втечняване и по този начин преминават в течна фаза.

При тези условия взаимодействията между сферите стават по-важни до степен, че скоростите им се забавят за момент. Колкото по-близо са до втечняване, толкова по-криви стават техните траектории (вмъкване вдясно), а сблъсъците им са по-малко енергични.

история

Даниел Бернули

Идеята за тези сфери, по-добре наречени атоми, вече е била разгледана от римския философ Лукреций; не за газове, а за твърди, статични обекти. От друга страна, през 1738 г. Даниел Бернули прилага атомното зрение върху газове и течности, представяйки ги за неуредични сфери, движещи се във всички посоки.

Работата му обаче нарушава законите на физиката по онова време; тяло не може да се движи вечно, така че беше невъзможно да се мисли, че набор от атоми и молекули ще се сблъскат помежду си, без да губят енергията си; тоест съществуването на еластични сблъсъци не беше възможно.

Рудолф Клаус

Век по-късно други автори подсилват TCM с модел, при който газообразните частици се движат само в една посока. Рудолф Клаус, обаче, събра своите резултати и сглоби по-цялостен модел на ТКМ, с който се опита да обясни законите за идеалния газ, демонстрирани от Бойл, Чарлз, Далтън и Авогадро.

Джеймс Клерк Максуел и Лудвиг Болцман

През 1859 г. Джеймс Клерк Максуел заявява, че газообразните частици проявяват диапазон от скорости при дадена температура и че набор от тях може да се разгледа със средна молекулна скорост.

Тогава през 1871 г. Лудвиг Болцман свързва съществуващите идеи с ентропията и как газовият термодинамично винаги има тенденция да заема възможно най-много пространство по хомогенен и спонтанен начин.

Постулати от молекулярната кинетична теория

За да се вземе предвид газът от неговите частици, е необходим модел, в който са изпълнени определени постулати или предположения; постулати, които логично трябва да могат да предвиждат и обясняват (възможно най-вярно) макроскопичните и експериментални наблюдения. Това каза, постулатите на TCM са споменати и описани.

Обемът на газообразните частици е незначителен

В контейнер, пълен с газообразни частици, те се разпръскват и се отдалечават една от друга във всички ъгли. Ако за момент всички те биха могли да се съберат в определена точка в контейнера, без втечняване, ще се отбележи, че те заемат само незначителна част от обема на контейнера.

Това означава, че контейнерът, дори ако съдържа милиони газообразни частици, всъщност е по-празен, отколкото пълен (съотношение обем-празен много по-малко от 1); следователно, ако бариерите му позволяват, той и газът в него могат да бъдат компресирани рязко; тъй като в крайна сметка частиците са много малки, какъвто е и техният обем.

Обемно-невалидна връзка на газ в контейнер. Източник: Габриел Боливар.

Изображението по-горе точно илюстрира горното, използвайки синкав цвят.

Атрактивните сили между частиците са нула

Газообразните частици вътре в контейнера се сблъскват помежду си без достатъчно време, за да могат взаимодействията им да придобият сила; още по-малко, когато това, което основно ги заобикаля, е молекулен вакуум. Непосредствено следствие от това е, че техните линейни пътища им позволяват да обхванат напълно обема на контейнера.

Ако това не беше така, контейнер с "причудлива" и "лабиринтинова" форма би имал влажни участъци в резултат на кондензация на газ; вместо това частиците пътуват през целия контейнер с пълна свобода, без силата на взаимодействията им да ги спира.

Траектории на газообразните частици, когато взаимодействията са нулеви или незначителни (А., линейни) и когато са важни (Б., криви). Източник: Габриел Боливар.

Линейните траектории на горното изображение (А.) демонстрират този постулат; докато ако траекториите са извити (Б.), това показва, че има взаимодействия, които не могат да бъдат игнорирани между частиците.

Газовите частици са винаги в движение

От първите два постулата се сближава и фактът, че газовите частици никога не спират да се движат. Веднъж замъглени в контейнера, те се сблъскват помежду си и със стените му, със сила и скорост, пряко пропорционални на абсолютната температура; тази сила е, натиск.

Ако газообразните частици спряха да се движат за миг, „езици на дим“ щяха да станат свидетели вътре в контейнера, излизащи от нищото, с достатъчно време да се подредят във вакуум и да дадат произволни форми.

Сблъсъците между частиците и стените на контейнера са еластични

Ако вътре в контейнера преобладават еластични сблъсъци между газообразните частици и стените на контейнера, кондензацията на газа никога няма да се случи (стига физическите условия да не се променят); или какво е същото като да кажеш, че те никога не почиват и винаги се сблъскват.

Това е така, защото при еластични сблъсъци няма нетна загуба на кинетична енергия; частица се сблъсква със стената и отскача със същата скорост. Ако частица при сблъскване се забави, другата се ускорява, без да произвежда топлина или звук, който разсейва кинетичната енергия на всеки от тях.

Кинетичната енергия не остава постоянна

Движението на частиците е случайно и хаотично, така че не всички имат еднаква скорост; точно както се случва например на магистрала или в тълпа. Някои са по-енергични и пътуват по-бързо, докато други са бавни и чакат сблъсък, който да ги ускори.

За да се опише скоростта му, е необходимо да се изчисли средна стойност; и с това на свой ред се получава средната кинетична енергия на газообразните частици или молекули. Тъй като кинетичната енергия на всички частици непрекъснато се променя, осредняването позволява по-добър контрол на данните и може да се работи с по-голяма надеждност.

Средната кинетична енергия е равна на дадена температура за всички газове

Средната молекулна кинетична енергия (EC _mp) в контейнер се променя с температурата. Колкото по-висока е температурата, толкова по-висока ще бъде енергията. Тъй като е средна стойност, може да има частици или газове, които имат повече или по-малко енергия по отношение на тази стойност; някои съответно по-бързи и по-бавни.

Може да се покаже математически, че EC _mp зависи изключително от температурата. Това означава, че без значение какъв е газът, неговата маса или молекулна структура, неговият EC _mp ще бъде същият при температура Т и ще варира само ако се увеличи или намали. От всички постулати това е може би най-релевантното.

А какво ще кажете за средната молекулна скорост? За разлика от EC _mp, молекулната маса действително влияе на скоростта. Колкото по-тежка е газовата частица или молекула, естествено е да се очаква тя да се движи по-бавно.

Примери

Ето кратки примери как TCM успя да обясни законите за идеалния газ. Въпреки че не са разгледани, други явления, като дифузия и изливане на газове, също могат да бъдат обяснени с TCM.

Законът на Бойл

Ако обемът на контейнера се компресира при постоянна температура, разстоянието, което газообразните частици трябва да изминат, за да се сблъскат със стените, намалява; което е равно на увеличаване на честотата на подобни сблъсъци, което води до по-голямо налягане. Тъй като температурата остава постоянна, EC _mp също е постоянна.

Чарлз Лоу

Ако увеличите T, EC _{mp ще се} увеличи. Газообразните частици ще се движат по-бързо и ще се сблъскват със стените на контейнера повече пъти; налягането се увеличава.

Ако стените са гъвкави, способни да се разширяват, тяхната площ ще стане по-голяма и налягането ще спадне, докато не стане постоянно; и в резултат обемът също ще се увеличи.

Законът на Далтън

Ако към просторен контейнер се добавят няколко литра различни газове, идващи от по-малки контейнери, общото му вътрешно налягане би било равно на сбора от частичните налягания, упражнявани от всеки тип газ поотделно.

Защо? Защото всички газове започват да се сблъскват помежду си и да се разпръскват хомогенно; взаимодействията между тях са нулеви и вакуумът преобладава в контейнера (TCM постулати), така че сякаш всеки газ е сам, упражнявайки налягането си поотделно, без намесата на останалите газове.

Препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. (2008 г.). Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Learning, P 426-431.
2. Фернандес Пабло. (2019). Молекулярна кинетична теория. VIX. Възстановено от: vix.com
3. Джоунс, Андрю Цимерман. (7 февруари 2019 г.). Кинетична молекулярна теория на газовете. Възстановено от: thinkco.com
4. Хол Нанси. (5 май 2015 г.). Кинетична теория на газовете. Изследователски център Глен Възстановени от: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (9 октомври 2018 г.). Основи на кинетичната молекулярна теория. Химия LibreTexts. Възстановено от: chem.libretexts.org
6. Кинетичната молекулярна теория. Възстановени от: chemed.chem.purdue.edu
7. Wikipedia. (2019). Кинетична теория на газовете. Възстановено от: en.wikipedia.org
8. Toppr. (SF). Кинетична молекулярна теория на газовете. Възстановено от: toppr.com