MOLEKULARNA KINETIČKA TEORIJA: POVIJEST, POSTULATI I PRIMJERI - KEMIJA - 2025

Molekularna kinetička teorija je ona koja nastoji da objasni eksperimentalnih zapažanja plinova iz mikroskopskog perspektive. Odnosno, pokušava povezati prirodu i ponašanje plinovitih čestica s fizičkim karakteristikama plina kao tekućine; objasnite makroskopski iz mikroskopske.

Plinovi su oduvijek zanimali znanstvenike zbog njihovih svojstava. Oni zauzimaju cjelokupni volumen spremnika u kojem se nalaze, sposobni su biti potpuno sabijeni bez da se njihov sadržaj suprotstavi najmanje otporu; a ako se temperatura poveća, spremnik se počinje širiti i može čak puknuti.

Plinaste čestice u uvjetima koji su daleko od ili blizu ukapljivanja. Izvor: Olivier Cleynen i korisnik: Sharayanan

Mnoga od tih svojstava i ponašanja sažeti su u zakonima o idealnom plinu. Međutim, oni plin smatraju cjelinom, a ne kao skupom milijuna čestica razasutih u svemiru; Nadalje, na temelju podataka o tlaku, volumenu i temperaturi ne daje daljnje informacije o kretanju tih čestica.

Upravo stoga teorija molekularne kinetike (TCM) predlaže da ih se prikaže kao pokretne sfere (gornja slika). Te se sfere sudaraju jedna s drugom i zidovi proizvoljno, te održavaju linearnu putanju. Međutim, kada se temperatura smanji i tlak raste, putanja sfera postaje zakrivljena.

Plin se, prema TCM-u, mora ponašati poput sfera u prvom kadru slike. Ali, hlađenjem i pojačavanjem pritiska na njih, njihovo je ponašanje daleko od idealnog. Oni su tada pravi plinovi, blizu su tečenja i tako prelaze u tekuću fazu.

Pod tim uvjetima, interakcije između sfera postaju važnije, do te mjere da se njihove brzine trenutačno usporavaju. Što su bliže ukapljenju, to će više zakriviti njihove putanje (umetnuti s desne strane), a njihovi sudari su manje energični.

Povijest

Daniel Bernoulli

Zamisao ovih sfera, bolje nazvanih atoma, već je razmatrao rimski filozof Lucretius; ne za plinove, već za čvrste statičke predmete. S druge strane, Daniel Bernoulli je 1738. primijenio atomsku viziju na plinove i tekućine zamišljajući ih kao neuredne sfere koje se kreću u svim smjerovima.

Njegov je rad, međutim, tada kršio zakone fizike; tijelo se nije moglo vječno kretati, pa je bilo nemoguće misliti da će se skup atoma i molekula sudariti jedan s drugim bez gubitka energije; to jest postojanje elastičnih sudara nije bilo moguće.

Rudolf clausius

Stoljeće kasnije, drugi su autori pojačali TCM modelom gdje su se plinovite čestice kretale u samo jednom smjeru. Rudolf Clausius, međutim, sastavio je svoje rezultate i sastavio cjelovitiji model TCM-a s kojim je pokušao objasniti zakone o idealnom plinu koje su pokazali Boyle, Charles, Dalton i Avogadro.

James Clerk Maxwell i Ludwig Boltzmann

1859. James Clerk Maxwell predložio je da plinovite čestice pokazuju raspon brzina pri određenoj temperaturi i da se njihov skup može razmotriti prosječnom molekulskom brzinom.

Tada je 1871. Ludwig Boltzmann povezao postojeće ideje s entropijom, i kako plin termodinamički uvijek zauzima što je više moguće prostora na homogen i spontan način.

Postulati teorije molekularne kinetike

Za razmatranje plina iz njegovih čestica potreban je model u kojem su ispunjeni određeni postulati ili pretpostavke; postulati koji logično moraju biti u stanju predvidjeti i objasniti (što vjernije moguće) makroskopska i eksperimentalna opažanja. U skladu s tim spomenuti su i opisani TCM postulati.

Volumen plinovitih čestica je zanemariv

U spremniku napunjenom plinovitim česticama, oni se raspršuju i udaljavaju jedan od drugog u svim kutovima. Kad bi se na trenutak svi mogli sastaviti u određenoj točki spremnika, bez ukapljivanja, primijetio bi da zauzimaju samo zanemariv dio volumena spremnika.

To znači da je spremnik, čak i ako sadrži milijune plinovitih čestica, zapravo prazniji od punog (omjer volumen - prazan mnogo manji od 1); prema tome, ako mu prepreke to dopuštaju, on i plin unutar njega mogu se naglo komprimirati; jer su na kraju čestice vrlo male, kolika je i njihova zapremina.

Volumen-prazni odnos plina u spremniku. Izvor: Gabriel Bolívar.

Gornja slika precizno prikazuje gore spomenuto, koristeći plin plavkasto obojene.

Privlačne sile između čestica su jednake nuli

Plinaste čestice unutar spremnika sudaraju se jedna s drugom bez dovoljno vremena da njihove interakcije dobiju snagu; još manje kad je ono što ih uglavnom okružuje molekularni vakuum. Neposredna posljedica toga je da im linearni putevi omogućuju im da potpuno obuhvate volumen spremnika.

Da to nije slučaj, spremnik "bizarnog" i "labirintinskog" oblika imao bi vlažna područja kao rezultat kondenzacije plina; umjesto toga, čestice putuju kroz cijeli spremnik s potpunom slobodom, a da ih sila njihovih interakcija ne zaustavi.

Putanja plinovitih čestica kada su međudjelovanja ništavne ili neznatne (A., linearne), a kad su važne (B., krivulje). Izvor: Gabriel Bolívar.

Ravne linearne putanje gornje slike (A.) demonstriraju ovaj postulat; dok su putanje zakrivljene (B.), to pokazuje da postoje interakcije koje se među česticama ne mogu zanemariti.

Plinovne čestice su uvijek u pokretu

Iz prva dva postulata, konvergira se i činjenica da se plinske čestice nikada ne prestaju kretati. Jednom kada se zamagljuju u spremniku, sudaraju se međusobno i sa zidovima iste, silom i brzinom izravno proporcionalnom apsolutnoj temperaturi; ta sila je, pritisak.

Kad bi se plinovite čestice na trenutak prestale kretati, u kontejneru bi se vidjeli "jezici dima", koji se pojavljuju niotkuda, s dovoljno vremena da se slože u vakuumu i daju nasumične oblike.

Sudari između čestica i zidova spremnika su elastični

Ako unutar spremnika prevladavaju samo elastični sudari između plinovitih čestica i zidova spremnika, kondenzacija plina nikada neće doći (sve dok se fizički uvjeti ne promijene); ili što je isto što i reći da se nikada ne odmaraju i uvijek se sudaraju.

To je zato što kod elastičnih sudara nema gubitka kinetičke energije; čestica se sudara sa zidom i odskače istom brzinom. Ako se čestica prilikom sudaranja usporava, druga se ubrzava, ne proizvodeći toplinu ili zvuk koji rasipa kinetičku energiju bilo kojeg od njih.

Kinetička energija ne ostaje konstantna

Kretanje čestica je slučajno i kaotično, tako da nemaju svi jednaku brzinu; baš kao što se događa, na primjer, na autoputu ili u gužvi. Neki su energičniji i putuju brže, dok drugi polako čekaju sudar kako bi ih ubrzali.

Za opisivanje njegove brzine potrebno je izračunati prosjek; i s tim se dobiva zauzvrat prosječna kinetička energija plinovitih čestica ili molekula. Kako se kinetička energija svih čestica stalno mijenja, prosječenje omogućava bolju kontrolu podataka i može se raditi s većom pouzdanošću.

Prosječna kinetička energija jednaka je datoj temperaturi za sve plinove

Prosječna molekularna kinetička energija (EC _mp) u spremniku mijenja se s temperaturom. Što je temperatura viša, to će biti i veća energija. Budući da je prosjek, mogu postojati čestice ili plinovi koji u odnosu na tu vrijednost imaju više ili manje energije; neki brži, a neki sporiji.

Može se matematički pokazati da EC _mp ovisi isključivo o temperaturi. To znači da bez obzira na plin, njegova masa ili molekularna struktura, njegov EC _mp bit će isti pri temperaturi T i mijenjat će se samo ako se povećava ili smanjuje. Od svih postulata ovo je možda najrelevantnije.

A što je s prosječnom molekularnom brzinom? Za razliku od EC _mp, molekularna masa utječe na brzinu. Što su teže čestice plina ili molekule, prirodno je očekivati ​​da će se on kretati sporije.

Primjeri

Evo kratkih primjera kako je TCM uspio objasniti zakone idealnih plinova. Iako se ne bave, druge pojave, poput difuzije i izlivanja plinova, također se mogu objasniti TCM-om.

Boyleov zakon

Ako se volumen spremnika komprimira na konstantnoj temperaturi, smanjuje se udaljenost plinovitih čestica kako bi se sudarali sa zidovima; što je jednako povećanju učestalosti takvih sudara, što rezultira većim pritiskom. Kako temperatura ostaje konstantna, EC _mp je također konstantan.

Charles Law

Ako povećate T, EC _{mp će se} povećati. Plinaste čestice brže će se kretati i sudarati se sa zidovima spremnika više puta; pritisak se povećava.

Ako su zidovi fleksibilni, mogu se proširiti, njihovo će područje postati veće i pritisak će pasti dok ne postane stalan; a kao rezultat toga, volumen će se također povećavati.

Daltonov zakon

Ako bi se u prostrani spremnik dodalo nekoliko litara različitih plinova koji dolaze iz manjih spremnika, njegov ukupni unutarnji tlak bio bi jednak zbroju parcijalnih tlakova koje vrši svaka vrsta plina zasebno.

Zašto? Jer svi plinovi počinju se sudarati jedan s drugim i raspršiti se homogeno; međudjelovanja između njih su nula, a vakuum prevladava u spremniku (TCM postulati), tako da je to kao da je svaki plin sam, vršeći svoj pritisak pojedinačno, bez uplitanja ostalih plinova.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck i Stanley. (2008). Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje, P 426-431.
2. Fernandez Pablo. (2019). Molekularna kinetička teorija. Vix. Oporavak od: vix.com
3. Jones, Andrew Zimmerman. (7. veljače 2019.). Kinetička molekularna teorija plinova. Oporavilo od: misel.com
4. Hall Nancy. (5. svibnja 2015.). Kinetička teorija plinova. Istraživački centar Glenn Oporavak od: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (9. listopada 2018.). Osnove kinetičke molekularne teorije. Kemija LibreTexts. Oporavak od: chem.libretexts.org
6. Kinetička molekularna teorija. Oporavak od: chemed.chem.purdue.edu
7. Wikipedia. (2019). Kinetička teorija plinova. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
8. Toppr. (SF). Kinetička molekularna teorija plinova. Oporavilo od: toppr.com