התיאוריה הקינטית המולקולרית: היסטוריה, תנוחות ודוגמאות - כִּימִיָה - 2025

תאוריה הקינטית המולקולרית היא אחד שמבקש כדי להסביר את התצפיות ניסיון של גזים מנקודה מבט מיקרוסקופי. כלומר, הוא מנסה לקשר את טיבם והתנהגותם של החלקיקים הגזים לתכונות הפיזיות של הגז כנוזל; הסבירו את המקרוסקופי מהמיקרוסקופי.

גזים מאז ומתמיד מעניינים מדענים בגלל תכונותיהם. הם תופסים את כל נפח המכל בו הם נמצאים, ויכולים להיות דחוסים לחלוטין מבלי שתוכנם יתנגד לכמעט פחות התנגדות; ואם הטמפרטורה עולה, המכולה מתחילה להתרחב ואף עלולה להיסדק.

חלקיקים גזים בתנאים רחוקים או קרובים להתמצקות. מקור: אוליבייה קלינן ומשתמש: שראיאן

רבים מהתכונות וההתנהגויות הללו מסוכמים בחוקי הגז האידיאליים. עם זאת, הם רואים את הגז כמכלול ולא כאוסף של מיליוני חלקיקים הפזורים בחלל; יתר על כן, הוא אינו מספק, על סמך נתוני לחץ, נפח וטמפרטורה, מידע נוסף על אופן תנועת החלקיקים הללו.

לפיכך, התיאוריה הקינטית המולקולרית (MCT) מציעה להמחיש אותם כספירות ניידות (תמונה עליונה). תחומים אלה מתנגשים זה בזה ובקירות באופן שרירותי ושומרים על מסלול ליניארי. עם זאת, כאשר הטמפרטורה יורדת והלחץ עולה, מסלול הכדורים מתעקל.

גז, על פי TCM, חייב להתנהג כמו הספירות במסגרת הראשונה של התמונה. אך על ידי קירור והגברת הלחץ עליהם, התנהגותם רחוקה מלהיות אידיאלית. אז הם גזים אמיתיים, הקרובים לעבור נוזלים וכך נכנסים לשלב הנוזל.

בתנאים אלה, האינטראקציות בין התחומים הופכות חשובות יותר עד כדי כך שמהירותן מאיטה לרגע. ככל שהם קרובים יותר לנזילות, מסלולי התהליך שלהם הופכים להיות מפותלים (משובצים מימין), וההתנגשויות שלהם פחות אנרגטיות.

הִיסטוֹרִיָה

דניאל ברנולי

הרעיון של תחומים אלה, המכונים אטומים טובים יותר, נבדק כבר על ידי הפילוסוף הרומי לוקרטיוס; לא לגזים, אלא לחפצים סטטיים ומוצקים. לעומת זאת, בשנת 1738 מימש דניאל ברנולי את החזון האטומי על גזים ונוזלים בכך שדמיין אותם ככדורים לא מוטעים הנעים לכל עבר.

אולם עבודתו הפרה את חוקי הפיזיקה באותה העת; גוף לא יכול היה לנוע לנצח, ולכן אי אפשר היה לחשוב שמערכת אטומים ומולקולות יתנגשו זה בזה מבלי לאבד את האנרגיה שלהם; כלומר קיומם של התנגשויות אלסטיות לא היה אפשרי.

רודולף קלאוזיוס

מאה שנה לאחר מכן, מחברים אחרים חיזקו את TCM באמצעות מודל בו החלקיקים הגזים נעו בכיוון אחד בלבד. עם זאת, רודולף קלאוסיוס ליקט את תוצאותיו והרכיב מודל שלם יותר של TCM איתו ביקש להסביר את חוקי הגז האידיאליים שהפגינו בויל, צ'רלס, דלטון ואבוגדרו.

ג'יימס קלקר מקסוול ולודוויג בולצמן

בשנת 1859 הצהיר ג'יימס קלקר מקסוול כי חלקיקים גזים מציגים טווח מהירויות בטמפרטורה נתונה, וכי ניתן לשקול קבוצה של אלה באמצעות מהירות מולקולרית ממוצעת.

ואז בשנת 1871 לודוויג בולצמן קישר בין רעיונות קיימים לאנטרופיה, ואיך הגז תרמודינמית תמיד נוטה לתפוס מקום רב ככל האפשר בצורה הומוגנית וספונטנית.

Postulates של התיאוריה הקינטית המולקולרית

בכדי לשקול גז מחלקיקיו, יש צורך במודל בו מתקיימים תנוחות או הנחות מסוימות; הנחות שעל פי הגיון חייבות להיות מסוגלות לחזות ולהסביר (בצורה נאמנה ככל האפשר) תצפיות מקרוסקופיות וניסיוניות. עם זאת, המוצגים של TCM מוזכרים ומתוארים.

נפח החלקיקים הגזים הוא אפסי

במיכל מלא בחלקיקים גזים אלה מתפזרים ומתרחקים זה מזה בכל פינותיו. אם לרגע ניתן היה להפגיש את כולם בנקודה מסוימת במכולה, ללא נזילות, ניתן היה להבחין כי הם תופסים רק חלק זניח מנפח המכולה.

זה אומר שהמיכל, גם אם הוא מכיל מיליוני חלקיקים גזים, הוא למעשה ריק יותר ממלא (יחס נפח-חלל הרבה פחות מ -1); לפיכך, אם המחסומים שלו מאפשרים זאת, ניתן לדחוס אותו בבת אחת עם הגז שבתוכו; מכיוון שבסופו של דבר החלקיקים קטנים מאוד וכך גם נפחם.

קשר בנפח ריק בין גז במיכל. מקור: גבריאל בוליבר.

התמונה למעלה מדגימה במדויק את האמור לעיל, באמצעות גז בצבע כחלחל.

הכוחות האטרקטיביים בין החלקיקים הם אפס

החלקיקים הגזים בתוך המכולה מתנגשים זה בזה ללא מספיק זמן לאינטראקציות שלהם לצבור כוח; אפילו פחות כאשר מה שמקיף אותם בעיקר הוא ואקום מולקולרי. תוצאה מיידית של זה היא שהנתיבים הקווים שלהם מאפשרים להם להקיף לחלוטין את נפח המכולה.

אם זה לא היה המקרה, למכל עם צורה "ביזארית" ו"מבוך "היו אזורים לחים כתוצאה מעיבוי גז; במקום זאת החלקיקים עוברים את המכל כולו בחופש מלא, מבלי שהכוח של האינטראקציות שלהם עוצר אותם.

מסלולי מסלול של החלקיקים הגזים כאשר האינטראקציות בטלות או לא חשובות (A., ליניאריות), וכאשר הם חשובים (B., עקומות). מקור: גבריאל בוליבר.

מסלולי התוואי הקווים של התמונה העליונה (א ') מדגימים את המוצא הזה; בעוד שאם המסלולים מעוקלים (B.), זה מראה שיש אינטראקציות שלא ניתן להתעלם מהן בין החלקיקים.

חלקיקים גזים נמצאים תמיד בתנועה

משתי המוצבים הראשונים, מתכנסת גם העובדה שחלקיקי הגז לא מפסיקים לזוז. ברגע שהם מטושטשים במכולה, הם מתנגשים זה בזה ועם קירות אותו הדבר, עם כוח ומהירות ביחס ישר לטמפרטורה המוחלטת; הכוח הזה הוא לחץ.

אם החלקיקים הגזים היו מפסיקים לנוע לרגע, היו עדים "לשונות עשן" בתוך המכל, מגיחים משום מקום, עם מספיק זמן לסדר את עצמם בוואקום ולתת צורות אקראיות.

התנגשויות בין החלקיקים לדפנות המכולה אלסטיות

אם רק התנגשויות אלסטיות בין החלקיקים הגזים לדפנות המכולה שולטות בתוך המכולה, עיבוי הגז לעולם לא יתרחש (כל עוד התנאים הפיזיים לא ישתנו); או מה זהה להגיד שהם לעולם לא נחים ומתנגשים תמיד.

הסיבה לכך היא כי בהתנגשויות אלסטיות אין אובדן נטו של אנרגיה קינטית; חלקיק מתנגש בקיר ומקפיץ באותה מהירות. אם חלקיק בעת התנגשות מאט, השני מאיץ, מבלי לייצר חום או צליל המפזר את האנרגיה הקינטית של אחד מהם.

אנרגיה קינטית לא נשארת קבועה

תנועת החלקיקים הינה אקראית וכאוטית, כך שלא לכולם יש אותה מהירות; בדיוק כמו שקורה למשל על כביש מהיר או בקהל. חלקם אנרגטיים יותר ונוסעים מהר יותר, בעוד שאחרים אטים ומחכים להתנגשות שתאיץ אותם.

כדי לתאר את מהירותו, לאחר מכן יש צורך בחישוב ממוצע; ועם זה, האנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים הגזים או המולקולות מתקבלת בתורו. ככל שהאנרגיה הקינטית של כל החלקיקים משתנה כל הזמן, הממוצעים מאפשרים שליטה טובה יותר בנתונים וניתן לעבוד בה אמינות רבה יותר.

אנרגיה קינטית ממוצעת שווה לטמפרטורה נתונה לכל הגזים

האנרגיה הקינטית המולקולרית הממוצעת (EC _mp ) במיכל משתנה עם הטמפרטורה. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, האנרגיה תהיה גבוהה יותר. מכיוון שזה ממוצע, יתכנו חלקיקים או גזים שיש להם אנרגיה פחות או יותר ביחס לערך זה; חלקם מהירים יותר וחלקם איטיים יותר, בהתאמה.

ניתן להראות באופן מתמטי ש- _mp EC תלוי אך ורק בטמפרטורה. משמעות הדבר היא שלא משנה מהו הגז, המסה או המבנה המולקולרי שלו, ה- _mp EC שלו יהיה זהה בטמפרטורה T וישתנה רק אם הוא יגדל או יורד. מבין כל המוצבים, זה אולי הרלוונטי ביותר.

ומה עם המהירות המולקולרית הממוצעת? בניגוד ל- _mp EC , המסה המולקולרית אכן משפיעה על המהירות. ככל שחלקיק הגז או המולקולה כבדים יותר, טבעי לצפות שהוא יעבור לאט יותר.

דוגמאות

להלן דוגמאות קצרות כיצד TCM הצליחה להסביר את חוקי הגז האידיאליים. למרות שלא מטפלים בהם, ניתן להסביר גם תופעות אחרות, כגון דיפוזיה וגלישה של גזים, באמצעות TCM.

חוק בויל

אם נפח המכול נדחס בטמפרטורה קבועה, המרחק שחלקיקי הגזים צריכים לנוע כדי להתנגש בקירות פוחת; וזה שווה לעלייה בתדירות ההתנגשויות מסוג זה, וכתוצאה מכך לחץ גדול יותר. כאשר הטמפרטורה נשארת קבועה, EC _mp הוא גם קבוע.

חוק צ'ארלס

אם תגדיל את T, EC _mp יגדל. החלקיקים הגזים ינועו מהר יותר ויתנגשו בקירות המכולה פעמים רבות יותר; הלחץ עולה.

אם הקירות גמישים, מסוגלים להתרחב, שטחם יגדל והלחץ יירד עד שיהיה קבוע; וכתוצאה מכך גם הנפח יגדל.

חוק דלטון

אם נוספו כמה ליטרים של גזים שונים למיכל מרווח, המגיע ממכלים קטנים יותר, הלחץ הפנימי הכולל שלו היה שווה לסכום הלחצים החלקיים המופעלים על ידי כל סוג גז בנפרד.

למה? מכיוון שכל הגזים מתחילים להתנגש זה בזה ולהתפזר באופן הומוגני; יחסי הגומלין ביניהם הם אפסיים, והוואקום שולט במיכל (TCM מוצב), כך שזה כאילו כל גז היה לבד, מפעיל את הלחץ שלו בנפרד ללא הפרעה של הגזים האחרים.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE, עמ '426-431.
2. פרננדז פאבלו. (2019). תיאוריה קינטית מולקולרית. ויקס. התאושש מ: vix.com
3. ג'ונס, אנדרו צימרמן. (7 בפברואר, 2019). תורת הגזים המולקולרית הקינטית. התאושש מ: thoughtco.com
4. הול ננסי. (5 במאי 2015). תיאוריה קינטית של גזים. מרכז המחקר גלן. התאושש מ: grc.nasa.gov
5. Blaber M. & Lower S. (9 באוקטובר 2018). יסודות התיאוריה המולקולרית הקינטית. כימיה LibreTexts. התאושש מ: chem.libretexts.org
6. התיאוריה המולקולרית הקינטית. התאושש מ: chemed.chem.purdue.edu
7. ויקיפדיה. (2019). תיאוריה קינטית של גזים. התאושש מ: en.wikipedia.org
8. Toppr. (sf). תיאוריה מולקולרית קינטית של גזים. התאושש מ: toppr.com