MOLEKULÁRNA KINETICKÁ TEÓRIA: HISTÓRIA, POSTULÁTY A PRÍKLADY - CHÉMIA - 2026

Molekulárna kinetická teória je ten, ktorý sa snaží , aby vysvetliť experimentálne pozorovania plynov z mikroskopického hľadiska. To znamená, že sa snaží spojiť povahu a správanie plynných častíc s fyzikálnymi charakteristikami plynu ako tekutiny; vysvetliť makroskopické z mikroskopu.

Plyny boli pre vedcov vždy zaujímavé kvôli ich vlastnostiam. Zaberajú celý objem nádoby, v ktorej sú umiestnené, a môžu byť úplne stlačené bez toho, aby ich obsah bol v rozpore s najmenším odporom; a ak sa teplota zvýši, nádoba sa začne rozširovať a môže dokonca prasknúť.

Plynné častice v podmienkach ďaleko od skvapalnenia alebo blízko skvapalnenia. Zdroj: Olivier Cleynen a užívateľ: Sharayanan

Mnohé z týchto vlastností a správania sú zhrnuté v zákonoch o ideálnom plyne. Považujú však plyn za celok a nie za súbor miliónov častíc rozptýlených vo vesmíre; okrem toho neposkytuje na základe údajov o tlaku, objeme a teplote ďalšie informácie týkajúce sa pohybu týchto častíc.

Preto molekulárna kinetická teória (TCM) navrhuje ich vizualizáciu ako mobilných sfér (horný obrázok). Tieto gule sa navzájom zrážajú so stenami ľubovoľne a udržiavajú lineárnu trajektóriu. Keď však teplota klesne a tlak sa zvýši, dráha guľôčok sa zakriví.

Plyn sa podľa TCM musí správať ako gule v prvom ráme obrázka. Ich ochladzovaním a zvyšovaním tlaku na ne však nie je ani zďaleka ideálne. Potom sú to skutočné plyny, ktoré sú blízko k skvapalneniu, a teda vstupujú do kvapalnej fázy.

Za týchto podmienok sa vzájomné pôsobenie medzi sférami stáva dôležitejšie do tej miery, že sa ich rýchlosti dočasne spomalia. Čím bližšie sú k skvapalneniu, tým krivejšia je ich trajektória (vsunutá napravo) a ich zrážky sú menej energické.

histórie

Daniel Bernoulli

Myšlienku týchto sfér, lepšie nazývaných atómy, už zvážil rímsky filozof Lucretius; nie pre plyny, ale pre pevné, statické objekty. Na druhej strane Daniel Bernoulli v roku 1738 aplikoval atómové videnie na plyny a kvapaliny tým, že ich predstavoval ako neusporiadané gule pohybujúce sa vo všetkých smeroch.

Jeho práca však v tom čase porušovala fyzikálne zákony; telo sa nemohlo večne hýbať, takže nebolo možné si myslieť, že skupina atómov a molekúl sa navzájom zráža bez straty energie; to znamená, že existencia elastických zrážok nebola možná.

Rudolf clausius

O storočie neskôr posilnili ostatní autori TCM model, v ktorom sa plynné častice pohybovali iba jedným smerom. Rudolf Clausius však zostavil svoje výsledky a zostavil kompletnejší model TCM, pomocou ktorého sa snažil vysvetliť ideálne zákony o plyne, ktoré demonštrovali Boyle, Charles, Dalton a Avogadro.

James Clerk Maxwell a Ludwig Boltzmann

V roku 1859 James Clerk Maxwell navrhol, aby plynné častice vykazovali pri danej teplote rozsah rýchlostí a aby sa ich súbor mohol posúdiť pomocou priemernej molekulovej rýchlosti.

V roku 1871 Ludwig Boltzmann spojil existujúce myšlienky s entropiou a ako termodynamicky plyn vždy inklinuje homogénnym a spontánnym spôsobom zaberať čo najväčší priestor.

Postuláty teórie molekulárnej kinetiky

Na zváženie plynu z jeho častíc je potrebný model, v ktorom sú splnené určité postuláty alebo predpoklady; postuláty, ktoré logicky musia byť schopné predvídať a vysvetľovať (čo najvernejšie) makroskopické a experimentálne pozorovania. To znamená, že sú uvedené a opísané predpoklady TCM.

Objem plynných častíc je zanedbateľný

V nádobe naplnenej plynnými časticami sa tieto rozptyľujú a pohybujú sa od seba vo všetkých rohoch. Ak by sa na chvíľu mohli všetky spojiť v určitom bode v nádobe bez skvapalnenia, bolo by pozorované, že zaberajú iba zanedbateľnú časť objemu nádoby.

To znamená, že nádoba, aj keď obsahuje milióny plynných častíc, je v skutočnosti prázdnejšia ako plná (objemovo-pólový pomer oveľa menší ako 1); preto, ak to jeho prekážky umožňujú, môžu byť prudko stlačené spolu s plynom v ňom; pretože nakoniec sú častice veľmi malé, rovnako ako ich objem.

Objemovo-neplatný vzťah plynu v nádobe. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Obrázok hore presne ilustruje vyššie uvedené použitie s použitím modrasto sfarbeného plynu.

Atraktívne sily medzi časticami sú nulové

Plynné častice vo vnútri nádoby sa navzájom zrážajú bez dostatočného času na to, aby si ich vzájomné pôsobenie získalo pevnosť; ešte menej, keď ich obklopuje hlavne molekulárne vákuum. Okamžitým dôsledkom toho je, že ich lineárne dráhy im umožňujú úplne pokryť objem nádoby.

Ak by tomu tak nebolo, nádoba s „bizarným“ a „labyrintovým“ tvarom by mala v dôsledku kondenzácie plynu vlhké oblasti; namiesto toho častice cestujú celým kontajnerom s úplnou voľnosťou bez toho, aby ich interakcie ich zastavili.

Dráhy plynných častíc, keď sú interakcie nulové alebo nevýznamné (A., lineárne) a keď sú dôležité (B., krivky). Zdroj: Gabriel Bolívar.

Lineárne dráhy horného obrazu (A.) demonštrujú tento postulát; zatiaľ čo ak sú trajektórie zakrivené (B.), ukazuje to, že existujú interakcie, ktoré nemožno ignorovať medzi časticami.

Plynné častice sú vždy v pohybe

Z prvých dvoch postulátov sa zbližuje aj skutočnosť, že častice plynu sa nikdy neprestanú pohybovať. Keď sú v nádobe rozmazané, zrazia sa navzájom a so svojimi stenami silou a rýchlosťou priamo úmernou absolútnej teplote; táto sila je, tlak.

Keby sa plynné častice na chvíľu zastavili, vo vnútri nádoby by sa objavili „jazyky dymu“, vychádzajúce z ničoho, s dostatočným časom, aby sa usporiadali vo vákuu a poskytli náhodné tvary.

Zrážky medzi časticami a stenami nádoby sú elastické

Ak vo vnútri nádoby prevládajú iba elastické zrážky medzi plynnými časticami a stenami zásobníka, nikdy nedôjde ku kondenzácii plynu (pokiaľ sa nezmenia fyzikálne podmienky); alebo to, čo je rovnaké ako tvrdenie, že nikdy neodpočívajú a vždy sa zrážajú.

Je to tak preto, že pri elastických zrážkach nedochádza k žiadnej čistej strate kinetickej energie; častica narazí na stenu a odrazí sa rovnakou rýchlosťou. Ak sa častica pri zrážaní spomalí, druhá sa zrýchli bez toho, aby vytvárala teplo alebo zvuk, ktorý rozptyľuje kinetickú energiu jednej z nich.

Kinetická energia nezostáva konštantná

Pohyb častíc je náhodný a chaotický, takže nie všetky majú rovnakú rýchlosť; rovnako ako napríklad na diaľnici alebo v dave. Niektoré z nich sú energickejšie a cestujú rýchlejšie, zatiaľ čo iné sú pomalé a čakajú na kolíziu, ktorá ich urýchli.

Na popísanie jeho rýchlosti je potom potrebné vypočítať priemer; a tým sa získa priemerná kinetická energia plynných častíc alebo molekúl. Pretože kinetická energia všetkých častíc sa neustále mení, spriemerovanie umožňuje lepšiu kontrolu údajov a môže sa pracovať s väčšou spoľahlivosťou.

Priemerná kinetická energia sa rovná danej teplote pre všetky plyny

Priemerná molekulárna kinetická energia (EC _mp ) v nádobe sa mení s teplotou. Čím vyššia je teplota, tým vyššia bude energia. Pretože je to priemer, môžu existovať častice alebo plyny, ktoré majú viac alebo menej energie vzhľadom na túto hodnotu; niektoré rýchlejšie a iné pomalšie.

Matematicky je možné dokázať, že EC _mp závisí výlučne od teploty. To znamená, že bez ohľadu na to, aký je plyn, jeho hmotnosť alebo molekulárna štruktúra, jeho EC _mp bude rovnaká pri teplote T a bude sa meniť iba vtedy, ak sa zvýši alebo zníži. To je asi najdôležitejšie zo všetkých postulátov.

A čo priemerná molekulová rýchlosť? Na rozdiel od EC _mp , molekulová hmotnosť ovplyvňuje rýchlosť. Čím ťažšia je plynná častica alebo molekula, je prirodzené očakávať, že sa bude pohybovať pomalšie.

Príklady

Tu je niekoľko príkladov toho, ako sa TCM podarilo vysvetliť zákony o ideálnom plyne. Aj keď to nie je riešené, pomocou TCM je možné vysvetliť aj iné javy, ako je difúzia a výtok plynov.

Boyleov zákon

Ak je objem zásobníka stlačený pri konštantnej teplote, zmenšuje sa vzdialenosť, ktorú musia plynné častice prejsť, aby sa zrazili so stenami; čo sa rovná zvýšeniu frekvencie takýchto zrážok, čo vedie k väčšiemu tlaku. Pretože teplota zostáva konštantná, EC _mp je tiež konštantná.

Charles Law

Ak zvýšite T, zvýši sa EC _mp . Plynné častice sa budú pohybovať rýchlejšie a zrážať sa so stenami nádoby viackrát; tlak sa zvyšuje.

Ak sú steny pružné a schopné sa rozširovať, ich plocha sa zväčší a tlak klesne, až kým sa nestane konštantným; výsledkom bude zvýšenie objemu.

Daltonov zákon

Ak by sa do priestrannej nádoby, ktorá pochádza z menších nádob, pridalo niekoľko litrov rôznych plynov, jej celkový vnútorný tlak by sa rovnal súčtu parciálnych tlakov vyvíjaných každým druhom plynu osobitne.

Prečo? Pretože všetky plyny sa navzájom zrážajú a homogénne sa rozptyľujú; interakcie medzi nimi sú nulové a vákuum prevláda v nádobe (predpoklady TCM), takže je to akoby každý plyn bol sám, vyvíjal svoj tlak jednotlivo bez rušenia ostatných plynov.

Referencie

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning, P 426-431.
2. Fernandez Pablo. (2019). Molekulárna kinetická teória. Vix. Obnovené z: vix.com
3. Jones, Andrew Zimmerman. (7. februára 2019). Kinetická molekulárna teória plynov. Získané z: thinkco.com
4. Hall Nancy. (5. mája 2015). Kinetická teória plynov. Výskumné centrum Glenn. Získané z: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (9. októbra 2018). Základy teórie kinetických molekúl. Chémia LibreTexts. Obnovené z: chem.libretexts.org
6. Kinetická molekulárna teória. Získané z: chemed.chem.purdue.edu
7. Wikipedia. (2019). Kinetická teória plynov. Obnovené z: en.wikipedia.org
8. Toppr. (SF). Kinetická molekulárna teória plynov. Obnovené z: toppr.com