MOLEKULINĖS KINETIKOS TEORIJA: ISTORIJA, POSTULATAI IR PAVYZDŽIAI - CHEMIJA - 2025

Molekulinė kinetinė teorija yra viena, kuri siekia , kad paaiškinti eksperimentinius stebėjimus dujų iš mikroskopinių perspektyvos. T. y., Bandoma susieti dujinių dalelių pobūdį ir elgesį su fizinėmis dujų, kaip skysčio, savybėmis; paaiškinti makroskopinį iš mikroskopinio.

Dujos mokslininkus visada domino dėl jų savybių. Jie užima visą talpyklos, kurioje jie yra, tūrį, todėl ją galima visiškai suspausti, kad jo turinys nekeltų mažiausio pasipriešinimo; o pakilus temperatūrai indas pradeda plėstis ir gali net įtrūkti.

Dujinės dalelės, esančios toli ar iki skystinimo. Šaltinis: Olivier Cleynen ir vartotojas: Sharayanan

Daugybė šių savybių ir elgsenos yra apibendrinti idealių dujų įstatymuose. Tačiau jie laiko dujas visuma, o ne milijonų dalelių, išsibarsčiusių erdvėje, rinkiniu; be to, remiantis slėgio, tūrio ir temperatūros duomenimis, nepateikiama papildomos informacijos apie tai, kaip šios dalelės juda.

Taigi tada molekulinė kinetinė teorija (TCM) siūlo jas vizualizuoti kaip judančias sferas (viršutinį vaizdą). Šios sferos savavališkai susiduria viena su kita ir su sienomis ir palaiko tiesinę trajektoriją. Tačiau, mažėjant temperatūrai ir didėjant slėgiui, rutulių trajektorija tampa kreivė.

Dujos, pasak TCM, turi elgtis kaip sferos pirmame vaizdo kadre. Tačiau vėsindami ir didindami spaudimą jiems, jų elgesys toli gražu nėra idealus. Tada jos yra tikros dujos, beveik suskystinamos ir patenka į skystąją fazę.

Esant tokioms sąlygoms, sferų sąveika tampa svarbesnė, kad jų greitis akimirksniu sulėtėja. Kuo arčiau jų suskystinimas, tuo kreivesnės jų trajektorijos (įterptos dešinėje) ir jų susidūrimai nėra tokie energingi.

Istorija

Danielius Bernoulli

Šių sferų, geriau vadinamų atomais, idėją jau svarstė Romos filosofas Lukrecijus; ne dujoms, o kietiems, statiniams daiktams. Kita vertus, 1738 m. Danielis Bernoulli pritaikė atominį regėjimą dujoms ir skysčiams, įsivaizduodamas juos kaip netvarkingus sferus, judančius į visas puses.

Tačiau jo darbas tuo metu pažeidė fizikos įstatymus; kūnas negalėjo judėti amžinai, todėl buvo neįmanoma pamanyti, kad atomų ir molekulių rinkinys susidurs vienas su kitu neprarasdamas savo energijos; y., elastinių susidūrimų buvimas nebuvo įmanomas.

Rudolfas Clausius

Po šimtmečio kiti autoriai sustiprino TCM modeliu, kuriame dujinės dalelės judėjo tik viena kryptimi. Tačiau Rudolfas Clausius sudarė savo rezultatus ir surinko išsamesnį TCM modelį, su kuriuo jis bandė paaiškinti idealius dujų įstatymus, kuriuos parodė Boyle'as, Charlesas, Daltonas ir Avogadro.

Jamesas Clerkas Maxwellas ir Ludwigas Boltzmannas

1859 m. Džeimsas Clerkas Maxwellas pasiūlė, kad dujinės dalelės tam tikroje temperatūroje būtų greičio diapazonu, ir kad jų rinkinį galima įvertinti atsižvelgiant į vidutinį molekulinį greitį.

Tada 1871 m. Ludwigas Boltzmannas siejo esamas idėjas su entropija ir tuo, kaip termodinamiškai dujos visada linkusios užimti kuo daugiau vietos homogeniškai ir spontaniškai.

Molekulinės kinetikos teorijos postulatai

Norint įvertinti dujas iš jų dalelių, reikia modelio, kuriame būtų įvykdyti tam tikri postulatai ar prielaidos; postulatai, kurie logiškai turi sugebėti numatyti ir paaiškinti (kiek įmanoma ištikimiau) makroskopinius ir eksperimentinius stebėjimus. TCM postulatai yra paminėti ir aprašyti.

Dujinių dalelių tūris yra nereikšmingas

Talpykloje, užpildytoje dujinėmis dalelėmis, jos pasiskirsto ir tolsta viena nuo kitos visuose kampuose. Jei akimirką jie visi galėtų būti sujungti tam tikrame konteinerio taške be skystinimo, būtų pastebima, kad jie užima tik nedidelę talpyklos dalį.

Tai reiškia, kad konteineris, net jei jame yra milijonai dujinių dalelių, iš tikrųjų yra daugiau tuščias nei pilnas (tūrio ir tuščio santykis daug mažesnis nei 1); todėl, jei kliūtys tai leidžia, jį ir jame esančias dujas galima staigiai suspausti; nes galų gale dalelės yra labai mažos, kaip ir jų tūris.

Dujų tūrio ir tūrio santykis konteineryje. Šaltinis: Gabrielis Bolívaras.

Aukščiau pateiktas vaizdas tiksliai parodo aukščiau pateiktą, naudodamas melsvos spalvos dujas.

Tarp dalelių esančios patraukliosios jėgos yra lygios nuliui

Dujinės dalelės talpyklos viduje susiduria viena su kita per mažai laiko, kad jų sąveika sustiprėtų; dar mažiau, kai tai, kas juos supa, yra molekulinis vakuumas. Tiesioginė to pasekmė yra tai, kad tiesiniai jų keliai leidžia visiškai apimti konteinerio tūrį.

Jei taip nėra, „keistos“ ir „labirintinės“ formos indas dėl drėgmės kondensacijos turėtų drėgnas sritis; vietoj to, dalelės visiškai laisvai keliauja per visą talpyklą, nesustabdydamos jų sąveikos jėgos jas sustabdo.

Dujinių dalelių trajektorijos, kai sąveika yra nulinė arba nereikšminga (A., tiesinė) ir kai jos yra svarbios (B., kreivės). Šaltinis: Gabrielis Bolívaras.

Viršutinio vaizdo tiesiosios trajektorijos (A.) parodo šį postulatą; o jei trajektorijos yra išlenktos (B.), tai rodo, kad tarp dalelių yra sąveika, kurios negalima ignoruoti.

Dujinės dalelės visada juda

Nuo pirmųjų dviejų postulatų susilieja ir tai, kad dujų dalelės niekada nesustoja judėti. Susilieję talpykloje, jie susiduria vienas su kitu ir su jo sienomis, jėga ir greičiu, tiesiogiai proporcingu absoliučiai temperatūrai; ši jėga yra, slėgis.

Jei dujinės dalelės akimirksniu nustotų judėti, konteinerio viduje būtų matomi „dūmų liežuviai“, kylantys iš niekur, turint pakankamai laiko susitvarkyti vakuume ir suteikti atsitiktines formas.

Dalelių ir talpyklos sienelių susidūrimai yra elastingi

Jei talpyklos viduje vyrauja tik elastingi dujinių dalelių ir konteinerio sienelių susidūrimai, dujų kondensacija niekada neįvyks (tol, kol nesikeis fizinės sąlygos); arba kas yra tas pats, kas sakyti, kad jie niekada ilsisi ir visada susikerta.

Taip yra todėl, kad elastinguose susidūrimuose nėra jokių kinetinės energijos nuostolių; dalelė susiduria su siena ir atsimuša tuo pačiu greičiu. Jei susidūrusi dalelė lėtėja, kita įsibėgėja, nesukurdama šilumos ar garso, kuris išsklaidytų bet kurios iš jų kinetinę energiją.

Kinetinė energija nesikeičia

Dalelių judėjimas yra atsitiktinis ir chaotiškas, todėl ne visos turi vienodą greitį; kaip atsitinka, pavyzdžiui, užmiestyje ar minioje. Kai kurie yra energingesni ir keliauja greičiau, o kiti - lėtai, laukdami susidūrimo, kad juos pagreitintų.

Norint apibūdinti jo greitį, reikia apskaičiuoti vidurkį; ir tuo būdu savo ruožtu gaunama vidutinė dujinių dalelių ar molekulių kinetinė energija. Kadangi kinetinė visų dalelių energija nuolat kinta, vidurkis leidžia geriau valdyti duomenis ir gali būti naudojamas patikimiau.

Vidutinė kinetinė energija yra lygi nurodytai visų dujų temperatūrai

Vidutinė molekulinė kinetinė energija (EC _mp ) indelyje kinta priklausomai nuo temperatūros. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnė bus energija. Kadangi tai yra vidurkis, gali būti dalelių ar dujų, turinčių daugiau ar mažiau energijos šios vertės atžvilgiu; kai kurie greičiau ir kiti lėčiau.

Matematiškai galima parodyti, kad EC _mp priklauso tik nuo temperatūros. Tai reiškia, kad nesvarbu, kokios yra dujos, jų masė ar molekulinė struktūra, jų EC _mp bus vienoda T temperatūroje ir skirsis tik padidėjus ar sumažėjus. Iš visų postulatų tai turbūt aktualiausia.

O kaip vidutinis molekulinis greitis? Skirtingai nuo EC _mp , molekulinė masė daro įtaką greičiui. Kuo sunkesnė dujų dalelė ar molekulė, natūralu tikėtis, kad ji judės lėčiau.

Pavyzdžiai

Čia yra trumpi pavyzdžiai, kaip TCM sugebėjo paaiškinti idealius dujų įstatymus. Nors jie nėra nagrinėjami, kiti reiškiniai, tokie kaip dujų difuzija ir išsiskyrimas, taip pat gali būti paaiškinti naudojant TCM.

Boyle'io dėsnis

Jei talpyklos tūris suspaudžiamas esant pastoviai temperatūrai, sumažėja atstumas, kurį dujinės dalelės turi nuvažiuoti, kad susidurtų su sienomis; kuris yra lygus tokių susidūrimų dažnio padidėjimui, dėl ko padidėja slėgis. Kadangi temperatūra išlieka pastovi, EC _mp taip pat yra pastovi.

Karolio įstatymas

Jei padidinsite T, padidės EC _mp . Dujinės dalelės judės greičiau ir daugiau kartų susidurs su konteinerio sienomis; slėgis padidėja.

Jei sienos yra lanksčios, gali plėstis, jų plotas taps didesnis ir slėgis mažės, kol taps pastovus; ir dėl to apimtis taip pat padidės.

Daltono dėsnis

Jei į erdvią talpyklą, į kurią patenka iš mažesnių talpyklų, būtų įpilama keli litrai skirtingų dujų, jos bendras vidinis slėgis būtų lygus dalinio slėgio, kurį daro kiekvienos rūšies dujas atskirai, sumai.

Kodėl? Nes visos dujos pradeda susidurti viena su kita ir tolygiai pasiskirstyti; jų tarpusavio sąveika yra lygi nuliui, o talpykloje vyrauja vakuumas (TCM postulatai), todėl tarsi kiekvienos dujos būtų atskirai, veikdamos savo slėgį atskirai, nesikišdamos į kitas dujas.

Nuorodos

1. Whittenas, Davisas, Peckas ir Stanley. (2008). Chemija. (8-asis leidimas). CENGAGE mokymasis, P 426-431.
2. Fernandezas Pablo. (2019 m.). Molekulinės kinetikos teorija. Vix. Atgauta iš: vix.com
3. Jonesas, Andrew Zimmermanas. (2019 m. Vasario 7 d.). Dujų kinetinė molekulinė teorija. Atgauta iš: thinkco.com
4. Hall Nancy. (2015 m. Gegužės 5 d.). Kinetinė dujų teorija. Gleno tyrimų centras. Atkurta iš: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (2018 m. Spalio 9 d.). Kinetinės molekulinės teorijos pagrindai. Chemija „LibreTexts“. Atkurta iš: chem.libretexts.org
6. Kinetinė molekulinė teorija. Atgauta iš: chemed.chem.purdue.edu
7. Vikipedija. (2019 m.). Kinetinė dujų teorija. Atkurta iš: en.wikipedia.org
8. Toppr. (sf). Dujų kinetinė molekulinė teorija. Atkurta iš: toppr.com