MOLEKULARNA KINETIČNA TEORIJA: ZGODOVINA, POSTULATI IN PRIMERI - KEMIJA - 2025

Molekularna kinetična teorija je tista, ki si prizadeva , da pojasni eksperimentalne ugotovitve plinov iz mikroskopski perspektive. To pomeni, da skuša povezati naravo in obnašanje plinastih delcev s fizikalnimi lastnostmi plina kot tekočine; razložite makroskopsko iz mikroskopskega.

Plini so znanstvenike že od nekdaj zanimali zaradi njihovih lastnosti. Zasedajo celoten volumen posode, v kateri se nahajajo, in se lahko popolnoma stisnejo, ne da bi njihova vsebina nasprotovala najmanjšemu uporu; in če se temperatura poveča, se posoda začne širiti in se lahko celo pokvari.

Plinasti delci v pogojih, ki so daleč od utekočinjanja ali blizu njih. Vir: Olivier Cleynen in uporabnik: Sharayanan

Mnoge od teh lastnosti in vedenja so povzete v zakonih o idealnem plinu. Vendar plin obravnavajo kot celoto in ne kot skupek milijonov delcev, raztresenih po vesolju; poleg tega na podlagi podatkov o tlaku, prostornini in temperaturi ne nudi dodatnih informacij o tem, kako se ti delci premikajo.

Zato molekularna kinetična teorija (TCM) predlaga, da bi jih vizualizirali kot mobilne sfere (zgornja slika). Te krogle se trčijo med seboj in stene poljubno in vzdržujejo linearno usmeritev. Ko pa se temperatura zniža in tlak naraste, postane pot kroglice ukrivljena.

Plin se po TCM mora obnašati kot krogle v prvem kadru slike. Toda njihovo hlajenje in povečanje pritiska nanje še zdaleč ni idealno. Nato so pravi plini, ki so blizu utekočinjanja in tako preidejo v tekočo fazo.

V teh pogojih interakcije med sferami postanejo pomembnejše, tako da se njihove hitrosti v trenutku upočasnijo. Bližje kot je utekočinjanje, bolj ukrivljene postanejo njihove poti (vstavljena na desni) in njihovi trki so manj energični.

Zgodovina

Daniel Bernoulli

Zamisel o teh sferah, bolje imenovanih atomi, je že obravnaval rimski filozof Lukrecij; ne za pline, ampak za trdne, statične predmete. Po drugi strani je Daniel Bernoulli leta 1738 atomski vid uporabil na plinih in tekočinah, tako da jih je predstavljal kot neurejene sfere, ki se premikajo v vse smeri.

Njegovo delo pa je takrat kršilo zakone fizike; telo se ni moglo večno premikati, zato si je bilo nemogoče misliti, da bi nabor atomov in molekul trčil med seboj, ne da bi izgubil svojo energijo; to pomeni, da obstoj elastičnih trkov ni bil mogoč.

Rudolf clausius

Stoletje pozneje so drugi avtorji TCM okrepili z modelom, kjer so se plinasti delci gibali le v eno smer. Rudolf Clausius pa je zbral svoje rezultate in sestavil popolnejši model TCM, s katerim je skušal razložiti zakone o idealnem plinu, ki so jih pokazali Boyle, Charles, Dalton in Avogadro.

James Clerk Maxwell in Ludwig Boltzmann

Leta 1859 je James Clerk Maxwell izjavil, da imajo plinasti delci različno hitrost pri določeni temperaturi in da je njihov nabor mogoče upoštevati s povprečno molekulsko hitrostjo.

Potem je leta 1871 Ludwig Boltzmann povezal obstoječe ideje z entropijo in kako plinsko termodinamično vedno na homogen in spontan način zasede čim več prostora.

Postulati molekularne kinetične teorije

Za upoštevanje plina iz njegovih delcev je potreben model, v katerem so izpolnjeni določeni postulati ali predpostavke; postulati, ki morajo logično predvideti in razložiti (čim bolj zvesto) makroskopska in eksperimentalna opazovanja. Glede na to so omenjeni in opisani postulati TCM.

Prostornina plinastih delcev je zanemarljiva

V posodi, napolnjeni s plinastimi delci, se ti razpršijo in se odmaknejo drug od drugega v vseh kotih. Če bi jih za trenutek vse skupaj lahko spravili na določeno točko v posodi, brez utekočinjanja, bi opazili, da zasedajo le zanemarljiv del prostornine posode.

Pomeni, da je vsebnik, tudi če vsebuje milijone plinastih delcev, dejansko bolj prazen kot poln (razmerje prostornine in praznine veliko manj kot 1); če torej ovire to dopuščajo, se lahko naenkrat stisne plin in plin znotraj njega; saj so na koncu delci zelo majhni, prav tako tudi njihov volumen.

Volumen-prazen odnos plina v posodi. Vir: Gabriel Bolívar.

Zgornja slika natančno ponazarja zgoraj, z uporabo modrikasto obarvanega plina.

Privlačne sile med delci so nič

Plinasti delci znotraj posode trčijo med seboj brez dovolj časa, da bi medsebojno vplivali na trdnost; še manj, ko je tisto, kar jih večinoma obdaja, molekularni vakuum. Neposredna posledica tega je, da jim linearne poti omogočajo, da popolnoma zajamejo prostornino posode.

Če to ne bi bilo, bi posoda z "bizarno" in "labirintinsko" obliko imela vlažna območja zaradi kondenzacije plina; namesto tega delci potujejo skozi celotno posodo s polno svobodo, ne da bi jih njihova interakcija zaustavila.

Načrtovanja plinastih delcev, kadar so interakcije nične ali nepomembne (A., linearne) in ko so pomembne (B., krivulje). Vir: Gabriel Bolívar.

Linearne usmeritve zgornje slike (A.) dokazujejo ta postulat; čeprav so poti ukrivljene (B.), kaže, da obstajajo interakcije, ki jih delci ne morejo prezreti.

Plinasti delci so vedno v gibanju

Iz prvih dveh postulatov se konvergira tudi dejstvo, da delci plina nikoli ne prenehajo premikati. Ko se v posodi zameglijo, se med seboj in njenimi stenami trčijo, s silo in hitrostjo, ki je neposredno sorazmerna z absolutno temperaturo; ta sila je, pritisk.

Če bi se plinasti delci za trenutek nehali premikati, bi bili v posodi priča "jeziki dima", ki se pojavljajo od nikoder, z dovolj časa, da se uredijo v vakuumu in dajo naključne oblike.

Trki med delci in stenami posode so elastični

Če znotraj zabojnika prevladujejo le elastični trki med plinastimi delci in stenami posode, kondenzacija plina ne bo nikoli nastala (dokler se fizične razmere ne spremenijo); ali kar je isto kot reči, da nikoli ne počivajo in se vedno trčijo.

To je zato, ker pri elastičnih trkih ni čiste izgube kinetične energije; delček trči v steno in odskoči z isto hitrostjo. Če se delček pri trčenju upočasni, se drugi pospeši, ne da bi pri tem povzročil toploto ali zvok, ki razprši kinetično energijo katerega koli od njih.

Kinetična energija ne ostane konstantna

Gibanje delcev je naključno in kaotično, tako da nimajo vsi enake hitrosti; tako, kot se na primer zgodi na avtocesti ali v gneči. Nekateri so bolj energični in potujejo hitreje, drugi pa počasi in čakajo na trk, da jih pospešijo.

Za opis hitrosti je potrebno izračunati povprečje; in s tem dobimo povprečno kinetično energijo plinastih delcev ali molekul. Ker se kinetična energija vseh delcev nenehno spreminja, povprečje omogoča boljši nadzor nad podatki in je mogoče delati z večjo zanesljivostjo.

Povprečna kinetična energija je enaka določeni temperaturi za vse pline

Povprečna molekularna kinetična energija (EC _mp ) v posodi se spreminja s temperaturo. Višja temperatura, višja bo energija. Ker gre za povprečje, so lahko delci ali plini, ki imajo glede na to vrednost več ali manj energije; nekateri hitreje in nekateri počasneje.

Matematično lahko pokažemo, da je EC _mp odvisen izključno od temperature. To pomeni, da ne glede na to, kakšen je plin, njegova masa ali molekularna struktura, bo njegov EC _mp enak pri temperaturi T in se spreminja le, če se poveča ali zmanjša. Od vseh postulatov je to morda najpomembnejše.

Kaj pa povprečna molekulska hitrost? Za razliko od EC _mp molekulska masa vpliva na hitrost. Čim težji je delček ali molekula plina, seveda je pričakovati, da se bo gibal počasneje.

Primeri

Tu je kratkih primerov, kako je TCM uspel razložiti zakone o idealnem plinu. Čeprav niso obravnavani, je mogoče s TCM razložiti tudi druge pojave, kot sta difuzija in izliv plinov.

Boylov zakon

Če se prostornina posode stisne s konstantno temperaturo, se razdalja, ki jo morajo prehoditi plinasti delci, da se trči v stene; kar je enako povečanju pogostosti takšnih trkov, kar ima za posledico večji pritisk. Ker temperatura ostane konstantna, je tudi EC _mp konstantna.

Charles Law

Če povečate T, _se poveča EC _mp . Plinasti delci se bodo hitreje premikali in se večkrat trčili v stene posode; tlak se poveča.

Če so stene prožne in se lahko razširijo, bo njihovo območje postalo večje in tlak se bo zmanjšal, dokler ne postane stalen; posledično se bo povečal tudi obseg.

Daltonov zakon

Če bi v prostorno posodo dodali več litrov različnih plinov, ki prihajajo iz manjših posod, bi bil njen celotni notranji tlak enak vsoti parcialnih tlakov, ki jih izvaja vsaka vrsta plina posebej.

Zakaj? Ker se vsi plini začnejo trčiti med seboj in se razpršiti homogeno; medsebojni vplivi med njimi so nič, v posodi pa prevladuje vakuum (TCM postulati), tako da je, kot da bi bil vsak plin sam, izvaja svoj pritisk posebej, ne da bi motil druge pline.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje, P 426-431.
2. Fernandez Pablo. (2019). Molekularna kinetična teorija. Vix. Pridobljeno: vix.com
3. Jones, Andrew Zimmerman. (7. februarja 2019). Kinetična molekularna teorija plinov. Pridobljeno: misel.com
4. Hall Nancy. (5. maj 2015). Kinetična teorija plinov. Glenn Research Center. Pridobljeno: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (9. oktober 2018). Osnove kinetične molekulske teorije. Kemija LibreTexts. Pridobljeno: chem.libretexts.org
6. Kinetična molekularna teorija. Pridobljeno: chemed.chem.purdue.edu
7. Wikipedija. (2019). Kinetična teorija plinov. Pridobljeno: en.wikipedia.org
8. Toppr. (sf). Kinetična molekularna teorija plinov. Pridobljeno: toppr.com