МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ: ИСТОРИЯ, ПОСТУЛАТЫ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2024

Молекулярная кинетическая теория является той , которая стремится к объяснить экспериментальные наблюдения газов с микроскопической точки зрения. То есть он пытается связать природу и поведение газовых частиц с физическими характеристиками газа как жидкости; объясните макроскопическое из микроскопического.

Газы всегда интересовали ученых своими свойствами. Они занимают весь объем контейнера, в котором они находятся, и могут быть полностью сжаты без противодействия их содержимому с наименьшим сопротивлением; а при повышении температуры емкость начинает расширяться и даже может треснуть.

Газообразные частицы в условиях, далеких или близких к ожижению. Источник: Оливье Клейнен и пользователь: Шараянан

Многие из этих свойств и поведения обобщены в законах идеального газа. Однако они рассматривают газ как единое целое, а не как совокупность миллионов частиц, рассеянных в космосе; Кроме того, он не предоставляет на основе данных о давлении, объеме и температуре дополнительную информацию о том, как эти частицы движутся.

Таким образом, молекулярная кинетическая теория (TCM) предлагает визуализировать их как подвижные сферы (верхнее изображение). Эти сферы сталкиваются друг с другом и стенками произвольно, сохраняя линейную траекторию. Однако при понижении температуры и повышении давления траектория сфер становится искривленной.

Газ, согласно TCM, должен вести себя как сферы в первом кадре изображения. Но, охлаждая и увеличивая давление на них, их поведение далеко от идеального. Тогда это настоящие газы, близкие к сжижению и переходящие в жидкую фазу.

В этих условиях взаимодействия между сферами становятся более важными до такой степени, что их скорости на мгновение замедляются. Чем ближе они к разжижению, тем более извилистыми становятся их траектории (вставка справа), а их столкновения менее энергичны.

История

Даниэль Бернулли

Идея этих сфер, которые лучше называть атомами, уже рассматривалась римским философом Лукрецием; не для газов, а для твердых статических объектов. С другой стороны, в 1738 году Даниэль Бернулли применил атомное видение к газам и жидкостям, представив их как неупорядоченные сферы, движущиеся во всех направлениях.

Однако его работа нарушала законы физики того времени; тело не может двигаться вечно, поэтому невозможно было думать, что набор атомов и молекул будет сталкиваться друг с другом, не теряя своей энергии; то есть существование упругих столкновений было невозможным.

Рудольф Клаузиус

Спустя столетие другие авторы подкрепили ТКМ моделью, в которой газовые частицы движутся только в одном направлении. Рудольф Клаузиус, однако, собрал свои результаты и собрал более полную модель TCM, с помощью которой он стремился объяснить законы идеального газа, продемонстрированные Бойлем, Чарльзом, Далтоном и Авогадро.

Джеймс Клерк Максвелл и Людвиг Больцманн

В 1859 году Джеймс Клерк Максвелл предположил, что газообразные частицы демонстрируют диапазон скоростей при заданной температуре, и что их набор можно рассматривать с помощью средней молекулярной скорости.

Затем в 1871 году Людвиг Больцман связал существующие идеи с энтропией и тем, как термодинамически газ всегда имеет тенденцию занимать как можно больше места однородным и спонтанным образом.

Постулаты молекулярно-кинетической теории

Чтобы рассматривать газ из его частиц, необходима модель, в которой выполняются определенные постулаты или предположения; постулаты, которые логически должны уметь предсказывать и объяснять (насколько возможно достоверно) макроскопические и экспериментальные наблюдения. При этом упоминаются и описываются постулаты TCM.

Объем газообразных частиц незначителен.

В контейнере, заполненном газообразными частицами, они рассеиваются и удаляются друг от друга во всех углах. Если бы на мгновение все они могли быть собраны вместе в определенной точке контейнера без разжижения, было бы замечено, что они занимают лишь незначительную часть объема контейнера.

Это означает, что контейнер, даже если он содержит миллионы газообразных частиц, на самом деле более пустой, чем полный (отношение объема к пустоте намного меньше 1); поэтому, если это позволяют его барьеры, он и газ внутри него могут быть резко сжаты; поскольку в конечном итоге частицы очень маленькие, как и их объем.

Соотношение объема и пустоты газа в баллоне. Источник: Габриэль Боливар.

Изображение выше точно иллюстрирует вышесказанное с использованием газа голубоватого цвета.

Силы притяжения между частицами равны нулю.

Газообразные частицы внутри контейнера сталкиваются друг с другом без достаточного времени для того, чтобы их взаимодействия приобрели силу; еще меньше, когда их в основном окружает молекулярный вакуум. Непосредственным следствием этого является то, что их линейные пути позволяют им полностью охватывать объем контейнера.

Если бы это было не так, контейнер с «причудливой» и «лабиринтной» формой имел бы влажные области в результате конденсации газа; вместо этого частицы перемещаются по всему контейнеру с полной свободой, без остановки их взаимодействия.

Траектории газовых частиц, когда взаимодействия нулевые или незначительные (A., линейные), и когда они важны (B., кривые). Источник: Габриэль Боливар.

Линейные траектории верхнего изображения (A.) демонстрируют этот постулат; в то время как если траектории изогнуты (B.), это показывает, что существуют взаимодействия, которые нельзя игнорировать между частицами.

Газообразные частицы всегда в движении

Из первых двух постулатов, тот факт, что частицы газа никогда не прекращают движение, также сходится. Расплывшись в контейнере, они сталкиваются друг с другом и с его стенками с силой и скоростью, прямо пропорциональными абсолютной температуре; эта сила есть давление.

Если бы газообразные частицы на мгновение перестали двигаться, внутри контейнера были бы видны «языки дыма», появляющиеся из ниоткуда, с достаточным количеством времени, чтобы собраться в вакууме и принять случайные формы.

Столкновения между частицами и стенками контейнера упругие.

Если внутри контейнера преобладают только упругие столкновения между газовыми частицами и стенками контейнера, конденсация газа никогда не произойдет (до тех пор, пока не изменятся физические условия); или что то же самое, что сказать, что они никогда не отдыхают и всегда сталкиваются.

Это связано с тем, что при упругих столкновениях нет чистой потери кинетической энергии; частица сталкивается со стенкой и отскакивает с той же скоростью. Если при столкновении частица замедляется, другая ускоряется, не производя тепла или звука, которые рассеивают кинетическую энергию любой из них.

Кинетическая энергия не остается постоянной

Движение частиц случайное и хаотичное, поэтому не все имеют одинаковую скорость; как это бывает, например, на шоссе или в толпе. Некоторые из них более энергичны и движутся быстрее, а другие медленнее, ожидая столкновения, чтобы ускорить их.

Чтобы описать его скорость, необходимо вычислить среднее значение; и с этим, в свою очередь, получается средняя кинетическая энергия газовых частиц или молекул. Поскольку кинетическая энергия всех частиц постоянно изменяется, усреднение позволяет лучше контролировать данные и может работать с большей надежностью.

Средняя кинетическая энергия равна заданной температуре для всех газов.

Средняя молекулярная кинетическая энергия (EC _mp ) в контейнере изменяется с температурой. Чем выше температура, тем выше будет энергия. Поскольку это среднее значение, могут быть частицы или газы, которые обладают большей или меньшей энергией по сравнению с этим значением; некоторые быстрее и некоторые медленнее соответственно.

Математически можно показать, что EC _mp зависит исключительно от температуры. Это означает, что независимо от того, что это за газ, его масса или молекулярная структура, его EC _mp будет одинаковым при температуре T и будет изменяться только при увеличении или уменьшении. Из всех постулатов этот, пожалуй, самый актуальный.

А как насчет средней скорости молекул? В отличие от EC _mp , молекулярная масса действительно влияет на скорость. Естественно ожидать, что чем тяжелее частица или молекула газа, тем медленнее они будут двигаться.

Примеры

Вот краткие примеры того, как TCM удалось объяснить законы идеального газа. Хотя это и не рассматривается, другие явления, такие как диффузия и истечение газов, также можно объяснить с помощью TCM.

Закон Бойля

Если объем контейнера сжимается при постоянной температуре, расстояние, которое газовые частицы должны пройти, чтобы столкнуться со стенками, уменьшается; что равно увеличению частоты таких столкновений, что приводит к увеличению давления. Поскольку температура остается постоянной, EC _mp также остается постоянным.

Чарльз Лоу

Если вы увеличите T, EC _mp увеличится. Газообразные частицы будут двигаться быстрее и больше раз сталкиваться со стенками контейнера; давление увеличивается.

Если стены гибкие, могут расширяться, их площадь увеличится, и давление будет падать, пока не станет постоянным; и в результате громкость тоже увеличится.

Закон Дальтона

Если бы в просторный баллон было добавлено несколько литров различных газов, поступающих из меньших баллонов, его полное внутреннее давление было бы равно сумме парциальных давлений, оказываемых каждым типом газа отдельно.

Зачем? Потому что все газы начинают сталкиваться друг с другом и однородно диспергироваться; взаимодействия между ними равны нулю, а в контейнере преобладает вакуум (постулаты TCM), так что это как если бы каждый газ был один, оказывая свое давление индивидуально без вмешательства других газов.

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning, P 426-431.
2. Фернандес Пабло. (2019). Молекулярно-кинетическая теория. Vix. Получено с: vix.com
3. Джонс, Эндрю Циммерман. (7 февраля 2019 г.). Кинетическая молекулярная теория газов. Получено с: thinkco.com
4. Холл Нэнси. (5 мая 2015 г.). Кинетическая теория газов. Исследовательский центр Гленна. Получено с: grc.nasa.gov
5. Блабер М. и Лоуэр С. (9 октября 2018 г.). Основы кинетической молекулярной теории. Химия LibreTexts. Получено с: chem.libretexts.org
6. Кинетическая молекулярная теория. Получено с: chemed.chem.purdue.edu
7. Wikipedia. (2019). Кинетическая теория газов. Получено с: en.wikipedia.org
8. Toppr. (SF). Кинетическая молекулярная теория газов. Получено с: toppr.com