MOLEKYYLI-KINEETTINEN TEORIA: HISTORIA, POSTULAATIT JA ESIMERKIT - KEMIA - 2026

Molekyyli kineettinen teoria on sellainen, jossa pyritään on selittää kokeellisia havaintoja kaasujen mikroskooppisen näkökulmasta. Toisin sanoen se yrittää yhdistää kaasumaisten hiukkasten luonteen ja käyttäytymisen kaasun fysikaalisiin ominaisuuksiin nesteenä; selitä makroskooppinen mikroskooppisesta.

Kaasut ovat aina kiinnostaneet tutkijoita ominaisuuksiensa vuoksi. Ne vievät koko säiliön tilavuuden, jossa ne sijaitsevat, ja ne voidaan puristaa kokonaan ilman, että niiden sisältö vastustaa vähiten vastustusta; ja jos lämpötila nousee, säiliö alkaa laajentua ja voi jopa halkeilla.

Kaasumaiset hiukkaset olosuhteissa, jotka ovat kaukana tai lähellä nesteytymistä. Lähde: Olivier Cleynen ja käyttäjä: Sharayanan

Monet näistä ominaisuuksista ja käyttäytymisistä on yhteenveto ihanteellisesta kaasulaista. He kuitenkin katsovat kaasua kokonaisuutena eikä miljoonien avaruudessa hajallaan olevien hiukkasten kokoelmana; Lisäksi se ei tarjoa paine-, tilavuus- ja lämpötilatietojen perusteella lisätietoja näiden hiukkasten liikkumisesta.

Siksi molekyylikineettinen teoria (MCT) ehdottaa sitten niiden visualisointia liikkuvina palloina (ylempi kuva). Nämä pallat törmäävät toistensa ja seinien kanssa mielivaltaisesti ja ylläpitävät lineaarista suuntausta. Kuitenkin kun lämpötila laskee ja paine kasvaa, pallojen lentorata muuttuu kaarevaksi.

Kaasun on TCM: n mukaan toimittava kuvan ensimmäisessä kehyksessä olevien pallojen tavoin. Jäähdyttämällä ja lisäämällä niihin kohdistuvaa painetta heidän käyttäytymisensä ovat kuitenkin kaukana ideaalista. Ne ovat tällöin todellisia kaasuja, jotka ovat lähellä nesteytymistä ja menevät siten nestefaasiin.

Näissä olosuhteissa pallojen välinen vuorovaikutus tulee entistä tärkeämmäksi siihen pisteeseen, että niiden nopeudet hidastuvat hetkellisesti. Mitä lähemmäksi ne ovat nesteytyttäviä, sitä kaarevammat niiden reitit muuttuvat (upotettu oikealla) ja törmäykset ovat vähemmän energisiä.

Historia

Daniel Bernoulli

Roomalainen filosofi Lucretius oli jo pohtinut ajatusta näistä palloista, joita kutsutaan paremmin atomiksi; ei kaasuille, mutta kiinteille, staattisille esineille. Toisaalta, vuonna 1738 Daniel Bernoulli sovelsi atominäyttöä kaasuihin ja nesteisiin kuvitellessaan niitä epäjärjestyneinä palloina, jotka liikkuvat kaikkiin suuntiin.

Hänen työnsä kuitenkin rikkoi tuolloin fysiikan lakeja; keho ei voinut liikkua ikuisesti, joten oli mahdotonta ajatella, että joukko atomeja ja molekyylejä törmääisi keskenään menettämättä energiaaan; ts. elastisten törmäysten olemassaolo ei ollut mahdollista.

Rudolf clausius

Vuosisataa myöhemmin muut kirjoittajat vahvistivat TCM: ää mallilla, jossa kaasumaiset hiukkaset liikkuivat vain yhteen suuntaan. Rudolf Clausius kuitenkin koonnut tulokset ja koonnut täydellisemmän TCM-mallin, jolla hän yritti selittää Boylen, Charlesin, Daltonin ja Avogarron esittämät ihanteelliset kaasulait.

James Clerk Maxwell ja Ludwig Boltzmann

Vuonna 1859 James Clerk Maxwell totesi, että kaasumaisilla hiukkasilla on eri nopeudet tietyssä lämpötilassa ja että joukko näistä voidaan ottaa huomioon keskimääräisen molekyylinopeuden avulla.

Sitten vuonna 1871 Ludwig Boltzmann yhdisti olemassa olevat ideat entropiaan ja kuinka kaasu termodynaamisesti pyrkii aina viettämään mahdollisimman paljon tilaa homogeenisella ja spontaanilla tavalla.

Molekyyli-kineettisen teorian postulaatit

Hiukkasista tulevan kaasun huomioon ottamiseksi tarvitaan malli, jossa tietyt oletukset tai oletukset täyttyvät; postulaatit, joiden on loogisesti kyettävä ennustamaan ja selittämään (mahdollisimman todenmukaisesti) makroskooppiset ja kokeelliset havainnot. TCM-postulaatit mainitaan ja kuvataan.

Kaasumaisten hiukkasten tilavuus on vähäinen

Kaasumaisilla hiukkasilla täytetyssä astiassa nämä hajoavat ja liikkuvat toisistaan ​​kaikissa kulmissa. Jos ne kaikki voitaisiin hetkeksi koota yhteen säiliön tiettyyn pisteeseen ilman nesteyttämistä, huomataan, että ne vievät vain vähäisen osan säiliön tilavuudesta.

Se tarkoittaa, että säiliö, vaikka se sisältää miljoonia kaasumaisia ​​hiukkasia, on itse asiassa tyhjempi kuin täysi (tilavuus-huokossuhde on paljon vähemmän kuin 1); siksi, jos sen esteet sallivat sen, se ja siinä oleva kaasu voidaan puristaa äkillisesti; koska loppujen lopuksi hiukkaset ovat hyvin pieniä, samoin kuin niiden tilavuus.

Kaasun tilavuus-tyhjä suhde säiliössä. Lähde: Gabriel Bolívar.

Yllä oleva kuva kuvaa tarkkaan edellä mainittua sinertävän kaasun avulla.

Hiukkasten väliset houkuttelevat voimat ovat nolla

Säiliön sisällä olevat kaasumaiset hiukkaset törmäävät keskenään ilman, että niiden vuorovaikutukset saavat tarpeeksi aikaa vahvistua; vielä vähemmän, kun se, mikä pääasiassa ympäröi niitä, on molekyylipaine. Välittömänä seurauksena on, että niiden lineaaristen reittien ansiosta ne voivat täysin kattaa säiliön tilavuuden.

Jos näin ei olisi, "omituisen" ja "labyrintiinisen" muodon säiliössä olisi kosteita alueita kaasun tiivistymisen seurauksena; sen sijaan hiukkaset kulkevat koko astian läpi täysin vapaasti, ilman että vuorovaikutuksensa voima lopettaa ne.

Kaasumaisten hiukkasten radat, kun vuorovaikutukset ovat tyhjiä tai merkityksettömiä (A., lineaariset) ja kun ne ovat tärkeitä (B., käyrät). Lähde: Gabriel Bolívar.

Yläkuvan (A.) lineaariset suuntaviivat osoittavat tämän postulaatin; Vaikka reitit ovat kaarevat (B.), se osoittaa, että hiukkasten välillä on vuorovaikutuksia, joita ei voida sivuuttaa.

Kaasumaiset hiukkaset ovat aina liikkeessä

Kahdesta ensimmäisestä postulaatista alkaen se, että kaasuhiukkaset eivät koskaan pysähdy liikkumaan, myös konvergoituu. Kun astia on hämärtynyt, ne törmäävät toisiinsa ja sen seiniin voiman ja nopeuden kanssa, joka on suoraan verrannollinen absoluuttiseen lämpötilaan; tämä voima on paine.

Jos kaasumaiset hiukkaset lakkaavat liikkumasta hetkeksi, säiliön sisällä havaitaan "savukieliä", jotka nousevat tyhjästä, riittävästi aikaa järjestää itsensä tyhjiössä ja antaa satunnaisia ​​muotoja.

Hiukkasten ja säiliön seinämien väliset törmäykset ovat joustavia

Jos kaasumaisten hiukkasten ja säiliön seinämien välillä on hallitsevia vain elastisia törmäyksiä säiliön sisällä, kaasun tiivistymistä ei tapahdu koskaan (niin kauan kuin fysikaaliset olosuhteet eivät muutu); tai mikä on samaa kuin sanoa, että he eivät koskaan lepää ja ovat aina törmäämässä.

Tämä johtuu siitä, että elastisissa törmäyksissä ei ole kineettisen energian nettohäviötä; hiukkanen törmää seinään ja pomppii samalla nopeudella. Jos hiukkanen törmäyksen aikana hidastuu, toinen kiihtyy tuottamatta lämpöä tai ääntä, joka hajottaa jommankumman niistä kineettisen energian.

Kineettinen energia ei pysy vakiona

Hiukkasten liike on satunnainen ja kaoottinen, joten kaikilla ei ole sama nopeus; aivan kuten tapahtuu esimerkiksi moottoritiellä tai väkijoukossa. Jotkut ovat energisempiä ja matkustavat nopeammin, kun taas toiset ovat hitaita, odottaen törmäystä nopeuttaakseen heitä.

Sen nopeuden kuvaamiseksi on sitten laskettava keskiarvo; ja tällä tavoin saadaan vuorostaan ​​kaasumaisten hiukkasten tai molekyylien keskimääräinen kineettinen energia. Koska kaikkien hiukkasten kineettinen energia muuttuu jatkuvasti, keskiarvoistaminen mahdollistaa datan paremman hallinnan ja sitä voidaan käyttää suuremmalla luotettavuudella.

Keskimääräinen kineettinen energia on yhtä suuri kuin annettu lämpötila kaikille kaasuille

Säiliön keskimääräinen molekyylikineettinen energia (EC _mp) muuttuu lämpötilan mukana. Mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi energia tulee. Koska se on keskiarvo, voi olla hiukkasia tai kaasuja, joilla on enemmän tai vähemmän energiaa tähän arvoon nähden; jotkut nopeammin ja toiset hitaammin.

Matemaattisesti voidaan osoittaa, että EC _mp riippuu yksinomaan lämpötilasta. Tämä tarkoittaa, että riippumatta siitä, mikä kaasu on, sen massa tai molekyylirakenne, sen EC _mp on sama lämpötilassa T ja muuttuu vain, jos se kasvaa tai laskee. Kaikista postulaateista tämä on kenties olennaisin.

Entä keskimääräinen molekyylinopeus? Toisin kuin EC _mp, molekyylimassa vaikuttaa nopeuteen. Mitä raskaampi kaasuhiukkas tai molekyyli on, on luonnollista olettaa sen liikkuvan hitaammin.

esimerkit

Tässä on lyhyitä esimerkkejä siitä, kuinka TCM on onnistunut selittämään ihanteelliset kaasulait. TCM: llä voidaan selittää myös muita ilmiöitä, kuten kaasujen diffuusiota ja effuusiota.

Boylen laki

Jos säiliön tilavuus puristetaan jatkuvassa lämpötilassa, etäisyys, jonka kaasumaisten hiukkasten on kuljettava törmäämään seinien kanssa, vähenee; joka on yhtä suuri kuin tällaisten törmäysten taajuuden lisääntyminen, mikä johtaa suurempaan paineeseen. Koska lämpötila pysyy vakiona, myös EC _mp on vakio.

Charles Law

Jos nostat T: tä, EC _mp kasvaa. Kaasumaiset hiukkaset liikkuvat nopeammin ja törmäävät useammin säiliön seinämiin; paine kasvaa.

Jos seinät ovat joustavia ja kykenevät laajenemaan, niiden pinta-ala kasvaa ja paine laskee, kunnes se muuttuu vakiona; ja seurauksena myös äänenvoimakkuus kasvaa.

Daltonin laki

Jos tilavaan säiliöön lisätään useita litraa erilaisia ​​kaasuja, jotka tulevat pienemmistä säiliöistä, sen kokonaispaine olisi yhtä suuri kuin kunkin kaasutyypin erikseen kohdistamien osapaineiden summa.

Miksi? Koska kaikki kaasut alkavat törmätä keskenään ja hajota tasaisesti; niiden välinen vuorovaikutus on nolla, ja tyhjiö on vallitseva säiliössä (TCM postulaatteja), joten on ikään kuin kukin kaasu olisi yksinään, suorittaen paineensa yksittäin ilman muiden kaasujen häirintää.

Viitteet

1. Whitten, Davis, Peck ja Stanley. (2008). Kemia. (8. painos). CENGAGE Learning, P 426-431.
2. Fernandez Pablo. (2019). Molekyylinen kineettinen teoria. VIX. Palautettu: vix.com
3. Jones, Andrew Zimmerman. (7. helmikuuta 2019). Kaasujen kineettinen molekyyliteoria. Palautettu osoitteesta: gondo.com
4. Hall Nancy. (5. toukokuuta 2015). Kaasujen kineettinen teoria. Glennin tutkimuskeskus. Palautettu: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (9. lokakuuta 2018). Kineettisen molekyyliteorian perusteet. Kemia LibreTexts. Palautettu osoitteesta: chem.libretexts.org
6. Kineettinen molekyyliteoria. Palautettu: chemed.chem.purdue.edu
7. Wikipedia. (2019). Kaasujen kineettinen teoria. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
8. Toppr. (SF). Kaasujen kineettinen molekyyliteoria. Palautettu osoitteesta: toppr.com